Электричество и магнетизм

 В проводниках часть валентных электронов  не связана с определенными атомами и может свободно перемещаться по всему его объему. В отсутствие приложенного к проводнику электрического поля такие свободные электроны — электроны проводимости — движутся хаотично, часто сталкиваясь с ионами и атомами, и изменяя при этом энергию и направление своего движения. Через любое сечение проводника в одну сторону проходит столько же электронов, сколько и в противоположную. Поэтому результирующего переноса электронов через такое сечение нет, и электрический ток равен нулю. Если же к концам проводника приложить разность потенциалов, то под действием сил электрического поля свободные заряды в проводнике начнут двигаться из области большего потенциала в область меньшего — возникнет электрический ток. Исторически сложилось так, что за направление тока принимают направление движение положительных зарядов, которое соответствует их переходу от большего потенциала к меньшему.  

Электрический ток характеризуется силой тока I  (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Сила тока в проводнике 

Согласно (4.1), сила тока в проводнике равна отношению заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время  к этому времени.

Замечание: В общем случае сила тока через некоторую поверхность равна потоку заряда через эту поверхность.

Если сила тока с течением времени не изменяется, то есть за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходят одинаковые заряды, то такой ток называется постоянным, и тогда заряд, протекший за время t, может быть найден как (рис. 4.2)

Рис. 4.2. Постоянный ток, протекающий через разные сечения проводника 

 С учетом определения силы тока плотность тока через данное сечение может быть выражена через силу тока , протекающего через это сечение

При равномерном распределении потока зарядов по всей площади сечения проводника плотность тока равна

Уравнение (4.1) связывает единицы измерения силы тока и заряда

Это очень малая величина, поэтому на практике обычно имеют дело с более крупными единицами, например

Плотность тока можно выразить через объемную плотность зарядов  и скорость их движения v (рис. 4.3).

Рис. 4.3. К связи плотности тока j  с объемной плотностью зарядов    и дрейфовой скоростью v носителей заряда. За время dt  через площадку S  пройдут все заряды из объема dV = vdt S  

Полный заряд, проходящий за время dt через некоторую поверхность S, перпендикулярную вектору скорости v, равен

Так как dq/(Sdt) есть модуль плотности тока j, можно записать

Поскольку скорость v есть векторная величина, то и плотность тока также удобно считать векторной величиной, следовательно

Здесь  плотность заряда, скорость направленного движения носителей заряда.

Замечание: Для общности использован индекс , так как носителями заряда, способными участвовать в создании тока проводимости, могут быть не только электроны, но, например, протоны в пучке, полученном из ускорителя или многозарядные ионы в плазме, или так называемые «дырки» в полупроводниках «р» типа, короче, любые заряженные частицы, способные перемещаться под воздействием внешних силовых полей. 

Кроме того, удобно выразить плотность заряда  через число  носителей заряда в единице объема — (концентрацию носителей заряда) . В итоге получаем:

Следует подчеркнуть, что плотность тока, в отличие от силы тока — дифференциальная векторная величина. Зная плотность тока, мы знаем распределение течения заряда по проводнику. Силу тока всегда можно вычислить по его плотности. Соотношение (4.4) может быть «обращено»: если взять бесконечно малый элемент площади , то сила тока через него определится как . Соответственно, силу тока через любую поверхность S можно найти интегрированием

Что же понимать под скоростью заряда v, если таких зарядов — множество, и они заведомо не движутся все одинаково? В отсутствие внешнего электрического поля, скорости теплового движения носителей тока  распределены хаотично, подчиняясь общим закономерностям статистической физики. Среднее статистическое значение  ввиду изотропии распределения по направлениям теплового движения. При наложении поля возникает некоторая дрейфовая скорость — средняя скорость направленного движения носителей заряда:

которая будет отлична от нуля. Проведем аналогию. Когда вода вырывается из шланга, и мы интересуемся, какое ее количество поступает в единицу времени на клумбу, нам надо знать скорость струи и поперечное сечение шланга. И нас совершенно не волнуют скорости отдельных молекул, хотя они и очень велики, намного больше скорости струи воды, как мы убедились в предыдущей части курса.

Таким образом, скорость  в выражении (4.7) — это дрейфовая скорость носителей тока в присутствии внешнего электрического поля или любого другого силового поля, обуславливающего направленное (упорядоченное) движение носители заряда. Если в веществе возможно движение зарядов разного знака, то полная плотность тока определяется векторной суммой плотностей потоков заряда каждого знака.

Как уже указывалось, в отсутствие электрического поля движение носителей заряда хаотично и не создает результирующего тока. Если, приложив электрическое поле, сообщить носителям заряда даже малую (по сравнению с их тепловой скоростью) скорость дрейфа, то, из-за наличия в проводниках огромного количества свободных электронов, возникнет значительный ток.

Поскольку дрейфовая скорость носителей тока создается электрическим полем, логично предположить пропорциональность

так что и плотность тока будет пропорциональна вектору напряженности (рис. 4.4)

Более подробно этот вопрос обсуждается в Дополнении

Входящий в соотношение (4.9) 

Проводимость связывает напряженность поля в данной точке с установившейся скоростью «течения» носителей заряда. Поэтому она может зависеть от локальных свойств проводника вблизи этой точки (то есть от строения вещества), но не зависит от формы и размеров проводника в целом. Соотношение (4.9) носит название закона Ома для плотности тока в проводнике (его называют также законом Ома в дифференциальной форме).

Рис. 4.4. Силовые линии электрического поля совпадают с линиями тока 

Чтобы понять порядки величин, оценим дрейфовую скорость носителей заряда в одном из наиболее распространенных материалов — меди. Возьмем для примера силу тока I = 1 А, и пусть площадь поперечного сечения провода составляет

1 мм² = 10^–6 м². Тогда плотность тока равна j = 10⁶ А/м². Теперь воспользуемся соотношением (4.7)

Носителями зарядов в меди являются электроны (е = 1.6·10^-19 Кл), и нам осталось оценить их концентрацию . В таблице Менделеева медь помещается в первой группе элементов, у нее один валентный электрон, который может быть отдан в зону проводимости. Поэтому число свободных электронов примерно совпадает с числом атомов. Берем из справочника плотность меди — r _Cu=8,9·10³ кг/м3. Молярная масса меди указана в таблице Менделеева — M_Cu = 63,5·10^–3 кг/моль. Отношение 

— это число молей в 1 м³. Умножая на число Авогадро Na = 6,02·10²³ моль^–1, получаем число атомов в единице объема, то есть концентрацию электронов

Теперь получаем искомую оценку дрейфовой скорости электронов

Для сравнения: скорости хаотического теплового движения электронов при 20°С в меди по порядку величины составляют 10⁶ м/с, то есть на одиннадцать порядков величины больше. 

Возьмем произвольную воображаемую замкнутую поверхность S, которую в разных направлениях пересекают движущиеся заряды. Мы видели, что полный ток через поверхность равен

где dq — заряд, пересекающий поверхность за время dt. Обозначим через q ‘ заряд, находящийся внутри поверхности. Его можно выразить через плотность заряда , проинтегрированную по всему объему, ограниченному поверхностью

Из фундаментального закона природы — закона сохранения заряда — следует, что заряд dq, вышедший через поверхность за время dt, уменьшит заряд q ‘ внутри поверхности точно на эту же величину, то есть dq ‘ = –dq  или

Подставляя сюда написанные выше выражения для скоростей изменения заряда внутри поверхности , получаем математическое соотношение, выражающее закон сохранения заряда в интегральной форме

Напомним, что интегрирования ведутся по произвольной поверхности S и ограниченному ею объему V.

О природе электрического тока и основах электротехники / Хабр

В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто  не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.  

1. Что такое электрический ток.
«Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам» (с)  

1.1 Пара общих слов по физике вопроса  
Электрический ток — это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы — это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд.  Так-то атом  электрически нейтрален — заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки.  Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню,  данная статья — это объяснение физики на пальцах! Подробнее искать по  «электронная теория проводимости»).

Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике  и  жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.

1.2 Создание электрического тока.  
Но просто так ток в проводнике не возникнет.  Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет.  В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно.  Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно.  Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом  заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить.  Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.

Бывают два типа генераторов — генератор напряжения и генератор тока.
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание!   См. рисунок ниже

рис 1. Генератор напряжения величиной Uрис 2. Генератор тока  величиной I

На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней — генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток.  Верхняя цепь разомкнута, и нижняя — замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения.  Представим следующую цепь 

рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1

 
В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 — это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 — это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть  — сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше — сопротивление уменьшится, поток воды увеличится.  Вроде все интуитивно понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной модели, когда   мощность генератора бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.  

Рассмотрим теперь цепь с генератором тока. 

рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2

Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью — ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью — ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники — Закон Ома.
( «С красной строки. Подчеркни» (с))

 
2. Закон Ома.

 
Сначала c точки зрения генератора напряжения

Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R
 
Теперь с точки зрения генератора тока

Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R

 
Вот как-то надо этот момент осознать.
 Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается.
Можно конечно еще записать R=U/I.
Что-то вроде — если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R.
 
Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота.
Это чисто технические моменты.
Что-то вроде

рис 5. Последовательное включение резисторов

Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I.  Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?    
Используйте закон Ома и все!  
Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока.
Еще — говорят «падение напряжения на резисторе», потому что «производит» напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.

Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.

1. Самая важная схема.  
Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни — это делитель напряжения.
( «С красной строки. Подчеркни» (с))

3. Делитель напряжения      
Схема имеет вид.    

рис 6. Делитель напряжения

Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.

Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология — сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.

Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).

Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.

Второй важный случай — учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)

рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.

Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.

Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.

Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!

В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.

Постоянный электрический ток. Направление тока, формула

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: постоянный электрический ток, сила тока, напряжение.

Электрический ток обеспечивает комфортом жизнь современного человека. Технологические достижения цивилизации — энергетика, транспорт, радио, телевидение, компьютеры, мобильная связь — основаны на использовании электрического тока.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие.

Электрический ток может возникать в самых различных средах: твёрдых телах, жидкостях, газах. Порой и среды никакой не нужно — ток может существовать даже в вакууме! Мы поговорим об этом в своё время, а пока приведём лишь некоторые примеры.

• Замкнём полюса батарейки металлическим проводом. Свободные электроны провода начнут направленное движение от «минуса» батарейки к «плюсу».
Это — пример тока в металлах.

• Бросим в стакан воды щепотку поваренной соли . Молекулы соли диссоциируют на ионы, так что в растворе появятся свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы . Теперь засунем в воду два электрода, соединённые с полюсами батарейки. Ионы начнут направленное движение к отрицательному электроду, а ионы — к положительному.
Это — пример прохождения тока через раствор электролита.

• Грозовые тучи создают столь мощные электрические поля, что оказывается возможным пробой воздушного промежутка длиной в несколько километров. В результате сквозь воздух проходит гигантский разряд — молния.
Это — пример электрического тока в газе.

Во всех трёх рассмотренных примерах электрический ток обусловлен движением заряженных частиц внутри тела и называется током проводимости.

• Вот несколько иной пример. Будем перемещать в пространстве заряженное тело. Такая ситуация согласуется с определением тока! Направленное движение зарядов — есть, перенос заряда в пространстве — присутствует. Ток, созданный движением макроскопического заряженного тела, называется конвекционным.

Заметим, что не всякое движение заряженных частиц образует ток. Например, хаотическое тепловое движение зарядов проводника — не направленное (оно совершается в каких угодно направлениях), и потому током не является (при возникновении тока свободные заряды продолжают совершать тепловое движение! Просто в этом случае к хаотическим перемещениям заряженных частиц добавляется их упорядоченный дрейф в определённом
направлении).
Не будет током и поступательное движение электрически нейтрального тела: хотя заряженные частицы в его атомах и совершают направленное движение, не происходит переноса заряда из одних участков пространства в другие.

Направление электрического тока

Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные — наоборот, от «минуса» к «плюсу». В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях. Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?

Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов.

Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма — короткой).

Рис. 1. Направление тока

Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.

Тут, однако, ничего не поделаешь — придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось. Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.

Действия электрического тока

Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.

1. Тепловое действие тока. Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.

2. Магнитное действие тока. Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу. Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня — получится электромагнит. На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.

3. Химическое действие тока. При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе положительные ионы двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.

Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.

Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.

Сила и плотность тока

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:

(1)

Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.

Подчеркнём, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока.
Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).

В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.

Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока:

(2)

где — сила тока, — площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:

Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2), плотность тока измеряется в А/м2.

Скорость направленного движения зарядов

Когда мы включаем в комнате свет, нам кажется, что лампочка загорается мгновенно. Скорость распространения тока по проводам очень велика: она близка к км/с (скорости света в вакууме). Если бы лампочка находилась на Луне, она зажглась бы через секунду с небольшим.

Однако не следует думать, что с такой грандиозной скоростью двигаются свободные заряды, образующие ток. Оказывается, их скорость составляет всего-навсего доли миллиметра в секунду.

Почему же ток распространяется по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют друг с другом и, находясь под действием электрического поля источника тока, при замыкании цепи приходят в движение почти одновременно вдоль всего проводника. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами, и она близка к скорости света в вакууме. Скорость же, с которой сами заряды перемещаются внутри проводника, может быть на много порядков меньше.

Итак, подчеркнём ещё раз, что мы различаем две скорости.

1. Скорость распространения тока. Это — скорость передачи электрического сигнала по цепи. Близка к км/с.

2. Скорость направленного движения свободных зарядов. Это — средняя скорость перемещения зарядов, образующих ток. Называется ещё скоростью дрейфа.

Мы сейчас выведем формулу, выражающую силу тока через скорость направленного движения зарядов проводника.

Пусть проводник имеет площадь поперечного сечения (рис. 2). Свободные заряды проводника будем считать положительными; величину свободного заряда обозначим (в наиболее важном для практики случая металлического проводника это есть заряд электрона). Концентрация свободных зарядов (т. е. их число в единице объёма) равна .

Рис. 2. К выводу формулы

Какой заряд пройдёт через поперечное сечение нашего проводника за время ?

С одной стороны, разумеется,

(3)

С другой стороны, сечение пересекут все те свободные заряды, которые спустя время окажутся внутри цилиндра с высотой . Их число равно:

Следовательно, их общий заряд будет равен:

(4)

Приравнивая правые части формул (3) и (4) и сокращая на , получим:

(5)

Соответственно, плотность тока оказывается равна:

Давайте в качестве примера посчитаем, какова скорость движения свободных электронов в медном проводе при силе тока A.

Заряд электрона известен: Кл.

Чему равна концентрация свободных электронов? Она совпадает с концентрацией атомов меди, поскольку от каждого атома отщепляется по одному валентному электрону. Ну а концентрацию атомов мы находить умеем:

м

Положим мм . Из формулы (5) получим:

м/с.

Это порядка одной десятой миллиметра в секунду.

Стационарное электрическое поле

Мы всё время говорим о направленном движении зарядов, но ещё не касались вопроса о том, почему свободные заряды совершают такое движение. Почему, собственно, возникает электрический ток?

Для упорядоченного перемещения зарядов внутри проводника необходима сила, действующая на заряды в определённом направлении. Откуда берётся эта сила? Со стороны электрического поля!

Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, внутри проводника должно существовать стационарное (то есть — постоянное, не зависящее от времени) электрическое поле. Иными словами, между концами проводника нужно поддерживать постоянную разность потенциалов.

Стационарное электрическое поле должно создаваться зарядами проводников, входящих в электрическую цепь. Однако заряженные проводники сами по себе не смогут обеспечить протекание постоянного тока.

Рассмотрим, к примеру, два проводящих шара, заряженных разноимённо. Соединим их проводом. Между концами провода возникнет разность потенциалов, а внутри провода — электрическое поле. По проводу потечёт ток. Но по мере прохождения тока разность потенциалов между шарами будет уменьшаться, вслед за ней станет убывать и напряжённость поля в проводе. В конце концов потенциалы шаров станут равны друг другу, поле в проводе обратится в нуль, и ток исчезнет. Мы оказались в электростатике: шары плюс провод образуют единый проводник, в каждой точке которого потенциал принимает одно и то же значение; напряжённость
поля внутри проводника равна нулю, никакого тока нет.

То, что электростатическое поле само по себе не годится на роль стационарного поля, создающего ток, ясно и из более общих соображений. Ведь электростатическое поле потенциально, его работа при перемещении заряда по замкнутому пути равна нулю. Следовательно, оно не может вызывать циркулирование зарядов по замкнутой электрической цепи — для этого требуется совершать ненулевую работу.

Кто же будет совершать эту ненулевую работу? Кто будет поддерживать в цепи разность потенциалов и обеспечивать стационарное электрическое поле, создающее ток в проводниках?

Ответ — источник тока, важнейший элемент электрической цепи.

Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, концы проводника должны быть присоединены к клеммам источника тока (батарейки, аккумулятора и т. д.).

Клеммы источника — это заряженные проводники. Если цепь замкнута, то заряды с клемм перемещаются по цепи — как в рассмотренном выше примере с шарами. Но теперь разность потенциалов между клеммами не уменьшается: источник тока непрерывно восполняет заряды на клеммах, поддерживая разность потенциалов между концами цепи на неизменном уровне.

В этом и состоит предназначение источника постоянного тока. Внутри него протекают процессы неэлектрического (чаще всего — химического) происхождения, которые обеспечивают непрерывное разделение зарядов. Эти заряды поставляются на клеммы источника в необходимом количестве.

Количественную характеристику неэлектрических процессов разделения зарядов внутри источника — так называемую ЭДС — мы изучим позже, в соответствующем листке.

А сейчас вернёмся к стационарному электрическому полю. Каким же образом оно возникает в проводниках цепи при наличии источника тока?

Заряженные клеммы источника создают на концах проводника электрическое поле. Свободные заряды проводника, находящиеся вблизи клемм, приходят в движение и действуют своим электрическим полем на соседние заряды. Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передаётся вдоль всей цепи, и в цепи устанавливается постоянный электрический ток. Стабилизируется и электрическое поле, создаваемое движущимися зарядами.

Стационарное электрическое поле — это поле свободных зарядов проводника, совершающих направленное движение.

Стационарное электрическое поле не меняется со временем потому, что при постоянном токе не меняется картина распределения зарядов в проводнике: на место заряда, покинувшего данный участок проводника, в следующий момент времени поступает точно такой же заряд. По этой причине стационарное поле во многом (но не во всём) аналогично полю электростатическому.

А именно, справедливы следующие два утверждения, которые понадобятся нам в дальнейшем (их доказательство даётся в вузовском курсе физики).

1. Как и электростатическое поле, стационарное электрическое поле потенциально. Это позволяет говорить о разности потенциалов (т. е. напряжении) на любом участке цепи (именно эту разность потенциалов мы измеряем вольтметром).
Потенциальность, напомним, означает, что работа стационарного поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории. Именно поэтому при параллельном соединении проводников напряжение на каждом из них одинаково: оно равно разности потенциалов стационарного поля между теми двумя точками, к которым подключены проводники.
2. В отличие от электростатического поля, стационарное поле движущихся зарядов проникает внутрь проводника (дело в том, что свободные заряды, участвуя в направленном движении, не успевают должным образом перестраиваться и принимать «электростатические» конфигурации).
Линии напряжённости стационарного поля внутри проводника параллельны его поверхности, как бы ни изгибался проводник. Поэтому, как и в однородном электростатическом поле, справедлива формула , где — напряжение на концах проводника, — напряжённость стационарного поля в проводнике, — длина проводника.

Физика Электрический ток. Условия, необходимые для его существования. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление

Материалы к уроку

• 53. Электрический ток. Условия, необходимые для его существования. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление.doc

  57 KBСкачать

• Закон Ома для участка цепи. Сопротивление.ppt»>53. Электрический ток. Условия, необходимые для его существования. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление.ppt

  8.12 MBСкачать

Конспект урока

Мы живём в век научно-технического прогресса, в век, когда уровень жизни каждого отдельного человека напрямую зависит от достижений науки и техники. В очень далёкие времена, когда горели лучины и топились печи по «чёрному», люди не представляли себе, в каком светлом и тёплом будущем будут жить их потомки. Сейчас не можем представить наш мир без электричества. А если попробовать?

Вдруг что-то произойдет, и электричество просто исчезнет. Жизнь просто остановится! 

Электрические законы, открытые чуть позже тех далёких времён, являются и сейчас самыми важными, и мы живём среди них. 

Неподвижные электрические заряды редко используются на практике. Для того чтобы заставить электрические заряды служить нам, их нужно привести в движение – создать электрический ток. Электрическим током называется упорядоченное движение, направленное движение заряженных частиц. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. 

Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.

Во-первых, проводник, по которому течет ток, нагревается.

Во- вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника, например, выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т.д.).

В-третьих, ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела.

Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока. Таким образом, сила тока равна отношению заряда (дельта кю) Δq , переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени (дельта т) Δt, к этому интервалу времени.

Решим задачу. Сила тока в спирали лампы накаливания составляет 0,5 А (ампера). Какой заряд протекает за 1 мин. через лампу? Воспользовавшись формулой, найдем заряд: он составит 30 Кулонов.

Сила тока, подобно заряду,- величина скалярная. Она может быть, как положительной, так и отрицательной. Сила тока зависит от заряда, переносимого  каждой частицей, концентрации частиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника. 

Ввел в физику понятие «электрический ток Андре Ампер

(1775-1836). Французский физик и математик. Он создал первую теорию, которая выражала связь электрических и магнитных явлений. Амперу принадлежит гипотеза о природе магнетизма, он ввел в физику понятие «электрический ток».   

В международной системе единиц силу тока выражают в амперах. Эту единицу устанавливают на основе магнитного взаимодействия токов. Измеряют силу тока амперметрами. Принцип устройства этих приборов основан на магнитном действии тока.

Электрический ток может быть получен только в таком веществе, в котором имеются свободные заряженные частицы. Чтобы эти частицы пришли в упорядоченное движение, нужно создать в проводнике электрическое поле. Значит, для существования тока в проводнике необходимо создать разность потенциалов на его концах с помощью источника тока.

Для измерения напряжения существует специальный измерительный прибор — вольтметр. 

Условное обозначение вольтметра на электрической схеме.

При включении вольтметра в электрическую цепь необходимо соблюдать два правила. 

1. Вольтметр подключается параллельно участку цепи, на котором будет измеряться напряжение. 

2. Соблюдать полярность: «+» вольтметра подключается к «+» источника тока,

а «минус» вольтметра — к «минусу» источника тока. 

Для измерения напряжения источника питания вольтметр присоединяют непосредственно к его зажимам. 

Меру противодействия проводника установлению в нем электрического тока назовают сопротивлением. Это основная характеристика проводника. Сопротивление зависит от материала проводника длиной (эль)   с постоянной площадью поперечного сечения (эс) S , где (ро) p — удельное сопротивление проводника – величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь).То есть сопротивление проводника прямо пропорционально отношению длины проводника к площади поперечного сечения. Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока в нем 1 А. Единицей удельного сопротивления является 1 Ом на м.

Для каждого проводника — твердого, жидкого и газообразного – существует определенная зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника. Эту зависимость выражает вольт-амперная характеристика проводника. Впервые (для металлов) ее установил немецкий ученый Георг Ом, поэтому зависимость силы тока от напряжения носит название закона Ома. 

Установим опытным путём зависимости между физическими величинами. Во-первых, определим зависимость между силой тока и напряжением. Соберем цепь, как показано на рисунке. То есть, соединим последовательно источник тока, ключ и резистор или другой потребитель тока. Последовательно к потребителю подключим амперметр, параллельно — вольтметр. Снимем показания амперметра при напряжениях в 5 вольт, 10 вольт и 20 вольт.

Теперь, не меняя напряжение, посмотрим, как меняется сила тока при изменении сопротивления.

Если построить график зависимости силы тока от напряжения, то легко заметить, что сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Продолжая анализировать результат эксперимента, приходим к выводу, что сила тока обратно пропорциональна сопротивлению.

Согласно закону Ома для участка цепи сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению (у) U и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (эр) R.

Закон Ома – основа всей электротехники постоянных токов. Ее легче запомнить, пользуясь магическим треугольником.

Закон Ома: Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Следствия из закона Ома:

1) напряжение на концах участка цепи равно произведению силе тока и сопротивлению проводника;

2) сопротивление проводника находят отношением напряжения на концах проводника к силе тока.

Решим задачу.

 Сопротивление вольтметра равно 12000 Ом. Какова сила тока, протекающая через вольтметр, если он показывает напряжение, равное 120В?

По формуле найдем силу тока в проводнике. 

Подставив данные, получим ответ сила тока =0,01A

На рисунке изображены графики зависимости силы тока от напряжения для двух проводников А и В. Какой из этих проводников обладает большим сопротивлением?

Зависимость между силой тока и сопротивлением в проводнике при постоянном напряжении — обратная. Возьмем на этих двух прямых точки с одинаковой координатой по оси U. У проводника А сила тока будет больше. Следовательно, проводник В обладает большим сопротивлением.

Проверим это, подставив числовые значения.

Возьмем на этих прямых точки с напряжением равным 6 В.

По графику определим для этих точек силу тока.

Для проводника А сила тока равна 3А.

Для проводника В сила тока равна 1А.

Рассчитаем сначала сопротивление для проводника А, потом для проводника В.

Ответ: RB>RA.

Человечество впервые увидело электрическое освещение всего 138 лет тому назад. 23 марта 1876 года Павел Николаевич Яблочков (1847 – 1894) получил свой первый патент на изобретение электрической лампы, в ней под действием электрического тока вольфрамовая нить раскаляется до яркого свечения и освещает комнату. Этот день стал исторической датой. Лампу П.Н. Яблочкова в Европе современники называли «русским светом», а в России – «русским солнцем». Время шло, лампы видоизменялись, совершенствовались. В наше время появились энергосберегающие лампочки, которые состоят из колбы, наполненной парами ртути и аргоном. При нагревании ртуть начинает создавать ультрафиолетовое излучение, которое преобразуется в видимый свет. Энергосберегающая лампа светится по всей своей площади. Благодаря чему свет получается мягкий и равномерный, более приятен для глаз и лучше распространяется по помещению. При использовании энергосберегающих ламп нужно помнить, что отработав, они требуют специальной утилизации, так как содержат пары ртути и выбрасывать их категорически запрещено.

Одним из первых, кто ощутил на себе действие тока, был голландский физик П. Мушенбрук, живший в 18 веке. Получив удар током, он заявил, что «не согласился бы подвергнуться ещё раз такому испытанию даже за королевский трон Франции.

Следует помнить, что электрический ток вызывает изменения в нервной системе, выражающиеся в ее раздражении 

или параличе, возникают судорожные спазмы мышц. Ток «держит» человека. Происходит судорожный спазм диафрагмы; действие тока на мозг может вызвать потерю сознания; электрический ток оказывает тепловое действие, выражающееся  в ожогах 3-ей степени… 

Электрошок — электрическое раздражение мозга, с помощью которого лечат некоторые психические заболевания.

Дефибрилляторы — электрические медицинские приборы, используемые при восстановлении 

нарушений ритма сердечной деятельности посредством воздействия на организм кратковременными высоковольтными электрическими разрядами

Гальванизация — пропускание через организм слабого постоянного тока, оказывающего болеутоляющий эффект и улучшающий кровообращение. 

 

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Электрическая энергия и важность проводников — ООО «АБСЕЛ»

Узнаем о важности проводника в передаче электроэнергии.

Поток электронов через проводник создает электрический ток. По определению, два существенных фактора способствуют электрическому току. Во-первых, вам понадобится поток электронов, который определяется разностью потенциалов. Следующим является проводник — материал, который позволяет электронам течь.

Но зачем электричеству нужен проводник, чтобы преодолевать расстояния? Почему он просто не проходит через какой-либо материал? Давайте рассмотрим!

Как электричество течет через проводник?

Чтобы понять потребность в проводнике, мы должны сначала понять, как электроны движутся через проводник и как они ведут себя в изоляторе. В проводнике слабые электростатические силы могут раскачивать электроны во внешней оболочке, также называемой орбитой. Это означает, что ядро атома недостаточно сильное, чтобы удерживать все электроны внутри атома.

Когда мы прикладываем электрический потенциал или ЭДС (электродвижущая сила) на концах проводника, плохо удерживаемые электроны освобождаются от атомов и начинают двигаться внутри проводника. Этот поток электронов создает электрический ток, который переносит электрическую энергию от источника ЭДС. Если мы возьмем к примеру медь, каждый её атом имеет 29 электронов. Первая оболочка или самая внутренняя оболочка атома меди имеет 2 электрона. Вторая оболочка имеет 8 электронов, что является максимумом, который она может вместить. Третья оболочка имеет 18 электронов, а внешняя оболочка имеет только 1 электрон. Такое расположение делает электрон во внешней оболочке очень подвижным и чувствительным к электрическим полям. Это также причина, почему медь является отличным проводником электричества.

Что делает изолятор?

Изолятор является противоположностью проводника, где материал не имеет много свободных электронов для перемещения между ними. Это происходит, когда электроны в атоме плотно удерживаются ядром, что делает их очень устойчивыми к воздействию ЭДС. Итак, проводимость в первую очередь зависит от атома и его характеристик.

Чем резистор отличается от изолятора?

Резисторы находят широкое применение в электрических цепях для контроля тока. Но если проводники обеспечивают поток электричества, а изоляторы блокируют его, то каково назначение резисторов? Резисторы уменьшают электрический ток, проходящий через цепь, ограничивая протекание тока. В отличие от изолятора, резистор не блокирует протекание электрического тока. Он просто ограничивает поток электрического тока до определенной степени. И вы можете точно настроить уровень сопротивления резистора, так как существуют разные уровни для резисторов.

Что делает металлы хорошими проводниками электричества?

Как мы уже говорили выше, поток электричества возможен, только если в материале движутся электроны. Внешняя оболочка атома является одним из лучших способов определения проводимости материала. Металлы имеют неполную внешнюю оболочку. Это означает, что внешняя оболочка атома металла имеет меньше электронов, чем может полностью вместить. Таким образом, эти электроны могут свободно перемещаться в металле, просто применяя достаточную электродвижущую силу. Такие материалы, как резина, имеют плотную внешнюю оболочку в своих атомах. Таким образом, даже если вы примените достаточно большую ЭДС к материалу, это не позволит атомам течь. Это причина, почему мы используем производные резины или пластика для изоляции медных проводов. В общем, материалы, которые имеют полную внешнюю орбиту или оболочку, являются хорошими изоляторами. И материалы с менее чем четырьмя внешними электронами являются отличными проводниками. Металлы имеют менее 4 электронов на своих внешних орбитах.

Как текут электроны в проводнике?

Когда мы используем термин «поток» к электронам, это иногда приводит к неправильной интерпретации того, что электроны с одной стороны проводника будут перетекать на другую, тогда как сам проводник действует как магистраль. Однако это не так электроны движутся внутри проводника. Электрон, выпущенный из одного атома, переместится во внешнюю оболочку соседнего атома. Это движение создает нестабильность внутри атома, что приводит к непропорциональному количеству электронов и протонов. Следовательно, атом из внешней оболочки переходит на другой соседний атом. И этот процесс продолжает повторяться. Следовательно, электрон с одной стороны проводника не переходит напрямую на другую сторону. Вместо этого он перемещается к другому атому и заставляет внешнюю оболочку электрона этого атома перемещаться к следующему.

Происходит ли поток электронов в проводниках без ЭДС?

Да, даже без ЭДС валентные электроны в проводнике находятся в постоянном движении от одного атома к другому. Однако направление электронов находится в случайном порядке. Таким образом, общий заряд проводника нейтрализуется, следовательно, равен нулю.

Какие электрические проводники самые лучшие?

Мы используем медь в большинстве электрических применений. Тем не менее, лучший электрический проводник — серебро. Серебро имеет в общей сложности 47 электронов с одним валентным электроном во внешней оболочке. Высокая энергия этого электрона делает его уязвимым для движения даже от очень маленькой ЭДС. Эта характеристика серебра делает его отличным проводником. Однако из-за высокой цены использование серебра в электротехнике ограничено.

Медь является вторым наиболее электропроводящим металлом с 29 электронами и одним валентным электроном во внешней оболочке. Медь имеет  8.5×1028 свободных электронов на кубический метр при комнатной температуре. Золото является третьим наиболее эффективным проводником. Он имеет 79 электронов с одним валентным электроном во внешней оболочке. Организм человека также является хорошим проводником электричества из-за присутствующих в нем ионов (калия, натрия, железа и т. д.). Эти ионы свободно перемещаются через жидкости организма и делают наши тела восприимчивыми к электрическим зарядам.

Электричество, несомненно, является захватывающим и интригующим явлением. Однако без проводников было бы невозможно использовать эту энергию так, как мы делаем это сегодня. Проводники — мосты для электричества, и они работают, чтобы наши устройства были включены и готовы к использованию.

Действие электрического тока

Наличие тока в электроцепи всегда проявляется каким-либо действием. Например, работа при конкретной нагрузке или какое-то сопутствующее явление. Следовательно, именно действие электротока говорит о его присутствии как таковом в той или иной электроцепи. То есть, если работает нагрузка, то ток имеет место быть. 

Известно, что электрический ток вызывает различного рода действия. Например, к таковым относятся тепловые, химические, магнитные, механические или световые. При этом различные действия электрического тока способны проявлять себя одновременно. Более подробно о всех проявлениях мы расскажем Вам в данном материале.

Тепловое явление

Известно, что температура проводника повышается при прохождении через него тока. В качестве таких проводников выступают различные металлы или их расплавы, полуметаллы или полупроводники, а также электролиты и плазма. Например, при пропускании через проволоку из нихрома электрического тока происходит ее сильное нагревание. Данное явление используют в приборах нагрева, а именно: в электрических чайниках, кипятильниках, обогревателях и т.п. Электродуговая сварка отличается самой большой температурой, а именно нагрев электродуги может достигать до 7 000 градусов по Цельсию. При такой температуре достигается легкое расплавление металла. 

Количество выделяемой теплоты напрямую зависит от того, какое напряжение было приложено к данному участку, а также от электротока и времени его прохождения по цепи. 

Для расчета объемов выделяемой теплоты используется или напряжение, или сила тока. При этом необходимо знание показателя сопротивления в электроцепи, поскольку именно оно провоцирует нагрев из-за ограничения тока. Также количество тепла можно определить при помощи тока и напряжения.

Химическое явление

Химическое действие электротока заключается в электролизе ионов в электролите. Анод при электролизе присоединяет к себе анионы, катод – катионы. 

Иными словами, во время электролиза на электродах источника тока происходит выделение определенных веществ.

Приведем пример: в кислотный, щелочной или же солевой раствор опускаются два электрода. После пропускается по электроцепи ток, что провоцирует создание положительного заряда на одном из электродов, на другом – отрицательного. Ионы, которые находятся в растворе, откладываются на электроде с иным зарядом. 

Химическое действие электротока применяется в промышленности. Так, используя данное явление, осуществляют разложение воды на кислород и водород. Кроме того, при помощи электролиза получают металлы в их чистом виде, а также осуществляют гальваническое покрытие поверхности. 

Магнитное явление

Электрический ток в проводнике любого агрегатного состояния создает магнитное поле. Иными словами, проводник при электрическом токе наделяется магнитными свойствами.

Таким образом, если к проводнику, в котором протекает электроток, приблизить магнитную стрелку компаса, то та начнет поворачиваться и займет к проводнику перпендикулярное положение. Если же на сердечник из железа намотать данный проводник и пропустить сквозь него постоянный ток, то данный сердечник примет свойства электромагнита. 

Природа магнитного поля всегда заключается в наличии электрического тока. Объясним: движущиеся заряды (заряженные частицы) образуют магнитное поле. При этом токи противоположного направления отталкиваются, а одинакового направления – притягиваются. Данное взаимодействие обосновано магнитным и механическим взаимодействием магнитных полей электротоков. Выходит, что магнитное взаимодействие токов первостепенно. 

Магнитное действие применяется в трансформаторах и электромагнитах. 

Световое явление

Самый простой пример светового действия – лампа накаливания. В данном источнике света спираль достигает нужной температурной величины посредством проходящего сквозь нее тока до состояния белого каления. Тем самым и излучается свет. В традиционной лампочке накаливания всего лишь пять процентов всей электроэнергии расходуется на свет, остальная же львиная доля преобразуется в тепло.  

Более современные аналоги, например, люминесцентные лампы наиболее эффективно преобразуют электроэнергию в свет. То есть, около двадцати процентов всей энергии лежит в основе света. Люминофор принимает УФ-излучение, идущее от разряда, что возникает в ртутных парах или в инертных газах. 

Самая эффективная реализация светового действия тока происходит в светодиодных источниках света. Электрический ток, проходя через pn-переход, провоцирует рекомбинацию носителей заряда с излучением фотонов. Лучшими led излучателями света являются прямозонные полупроводники. Изменяя состав данных полупроводников, возможно создание светодиодов для различных световых волн (разной длины и диапазона). Коэффициент полезного действия светодиода достигает 50 процентов. 

Механическое явление

Напомним, что вокруг проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Все магнитные действия преобразуются в движение. Примером служат электрические двигатели, магнитные подъемные установки, реле и др.

В 1820 году Андре Мари Ампер вывел известный всем «Закон Ампера», который как раз описывает механическое действие одного электротока на другой. 

Данный закон гласит, что параллельные проводники с электрическим током одинакового направления испытывают притяжение друг другу, а противоположного направления, наоборот, отталкивание. 

Также закон ампера определяет величину силы, с которой магнитное поле воздействует на небольшой отрезок проводника с электротоком. Именно данная сила лежит в основе функционирования электрического двигателя.

Статьи по теме: 

• Что такое проводник и диэлектрик?
• Электрический ток и его скорость
• Что такое электролитическое заземление?

Допустимая токовая нагрузка медных проводников

Допустимая токовая нагрузка определяется как сила тока, которую проводник может выдержать до расплавления проводника или изоляции. Нагрев, вызванный электрическим током, протекающим по проводнику, определяет величину тока, который будет выдерживать провод. Теоретически количество тока, которое может быть пропущено через один неизолированный медный проводник, может быть увеличено до тех пор, пока выделяемое тепло не достигнет температуры плавления меди. Есть много факторов, которые будут ограничивать величину тока, который может быть пропущен через провод.

Этими основными определяющими факторами являются:

Размер проводника:

Чем больше площадь круглого мила, тем больше ток.

Количество выделяемого тепла никогда не должно превышать максимально допустимую температуру изоляции.

Температура окружающей среды:

Чем выше температура окружающей среды, тем меньше тепла требуется для достижения максимальной температуры изоляции.

Номер проводника:

Рассеивание тепла уменьшается по мере увеличения количества индивидуально изолированных проводников, связанных вместе.

Условия установки:

Ограничение рассеивания тепла путем установки проводников в кабелепроводах, воздуховодах, лотках или желобах снижает допустимую нагрузку по току. Это ограничение можно также несколько уменьшить, используя надлежащие методы вентиляции, принудительное воздушное охлаждение и т. д. оценки могут стать критическими.

На диаграмме показан ток, необходимый для повышения температуры одинарного изолированного провода на открытом воздухе (окружающая среда 30°C) до пределов для различных типов изоляции. В следующей таблице указан коэффициент снижения номинальных характеристик, который следует использовать, когда проводники связаны в жгуты. Эти таблицы следует использовать только в качестве руководства при попытке установить номинальные токи на проводнике и кабеле.

Ампер

Изоляционные материалы:	Полиэтилен Неопрен Полиуретан Поливинилхлорид (полужесткий)	Полипропилен Полиэтилен (высокой плотности)	Поливинилхлорид ПВХ (облученный) Нейлон	Kynar (135°C) Полиэтилен (сшитый) Термопласт Эластомеры	Каптон ПТФЭ ФЭП ПФА Силикон
Медь Темп.	80°С	90°С	105°С	125°С	200°С
30 AWG	2	3	3	3	4
28 AWG	3	Insulation Materials: Polypropylene, Polyethylene (High Density)»> 4	4	5	6
26 AWG	4	5	5	6	Insulation Materials: Kapton, PTFE, FEP, PFA, Silicone»> 7
24 AWG	6	7	7	8	10
22AWG	8	9	Insulation Materials: Polyvinylchloride, PVC (Irradiated), Nylon»> 10	11	13
20 AWG	10	12	13	14	17
18 AWG	Insulation Materials: Polyethylene, Neoprene, Polyurethane, Polyvinylchloride (Semi-Rigid)»> 15	17	18	20	24
16 AWG	19	22	24	26	Insulation Materials: Kapton, PTFE, FEP, PFA, Silicone»> 32
14 AWG	27	30	33	40	45
12 AWG	36	40	Insulation Materials: Polyvinylchloride, PVC (Irradiated), Nylon»> 45	50	55
10 AWG	47	55	58	70	75
8 AWG	Insulation Materials: Polyethylene, Neoprene, Polyurethane, Polyvinylchloride (Semi-Rigid)»> 65	70	75	90	100
6 AWG	95	100	105	125	Insulation Materials: Kapton, PTFE, FEP, PFA, Silicone»> 135
4 AWG	125	135	145	170	180
2 AWG	170	180	Insulation Materials: Polyvinylchloride, PVC (Irradiated), Nylon»> 200	225	240

Один проводник на открытом воздухе 30°C Темп.

электрические цепи — Почему ток, входящий в проводник, такой же, как и выходящий из него?

$\begingroup$

Предположим, у меня есть проводник, подключенный к батарее. Ток начинает течь по проводнику.

Почему ток, входящий в проводник, такой же, как и ток, выходящий из проводника?

Его кинетическая энергия должна быть уменьшена из-за столкновений внутри проводника, а уменьшение кинетической энергии должно привести к уменьшению тока.

• цепи электрические
• электрические цепи
• проводники
• батареи

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Если, скажем, 3 заряда входят каждую секунду, то также 3 заряда должны выходить каждую секунду для установившегося тока.

• Если каждую секунду уходит больше, чем входит, то откуда берется дополнительная плата за выход? Это невозможно.
• Если каждую секунду уходит меньше, чем входит, то часть зарядов остается внутри проводника. Таким образом, со временем суммарный заряд в проводнике накапливается, увеличивается и увеличивается. Это не невозможно, но…

Помните, что одинаковые заряды отталкиваются. Постоянно увеличивающийся отрицательный суммарный заряд внутри провода будет все сильнее и сильнее отталкивать новые поступающие отрицательные заряды (например, электроны). Вскоре чистый заряд становится достаточно большим, а отталкивание достаточно большим, чтобы сбалансировать напряжение батареи. Тогда больше не будет поступать зарядов, и ток полностью прекратится. Так как это делает , а не происходят в проводах в установившихся условиях в рабочих цепях — поскольку мы ясно видим, что ток , а не перестает течь — тогда все заряды, которые входят в , должны также покидать каждую секунду. Это часть действующего закона Кирхгофа .

Однако вы правы в том, что заряды могут терять кинетическую энергию в виде тепла при прохождении через них. В результате они действительно замедлятся.

• Следующие платежи должны будут «подождать». Они будут «стоять в очереди» за замедленными зарядами. Таким образом, за доли секунды все последующие заряды замедлятся до одинаковой (дрейфовой) скорости.

• Перед замедленными зарядами мы могли представить себе опережающие заряды, продолжающие двигаться вперед с большей скоростью. За ними и перед замедленными зарядами образовалась брешь. Но эти уходящие подопечные теперь не «чувствуют» такого же «толчка» сзади. Так что же заставляет их течь с высокой (дрейфовой) скоростью? Любое возмущение, которое замедляет их, приведет к тому же снижению скорости, какой достигли замедленные заряды. Кроме того, «зазор» позади них будет местом с меньшим отрицательным зарядом, таким образом, местом, где они 9. 0379 привлекло . Такое влечение сзади также будет их замедлять. Таким образом, множество факторов в конечном итоге заставят любые ведущие быстрее движущиеся заряды замедляться и соответствовать скорости.

Все это происходит за долю секунды. Почти мгновенно в большинстве практических целей. За доли секунды все заряды движутся одинаково быстро. Тогда ток во всех частях проводника одинаков. Если вы отключите ток, добавите компонент резистора и снова включите ток, то через долю секунды ток, исходя из тех же соображений, стабилизируется на каком-то новом, более низком установившемся токе, соответствующем этому новому сопротивлению. Таким образом, при достижении устойчивого состояния (что происходит за доли секунды в обычных проводниках и задерживается только тогда, когда задействованы определенные компоненты, специально предназначенные для этого, например конденсаторы), вы всегда будете видеть один и тот же ток во всех точках.

$\endgroup$

9

$\begingroup$

Я полагаю, что ваш вопрос касается того, как ток может оставаться постоянным после прохождения через проводник. Аналогия с водой, введенная Роже Вадимом, напоминает мне другое объяснение. Ребенок спрашивает Х. С. Верму, известного индийского физика, почему ток не уменьшается при прохождении через сопротивление.

Объяснение HC Verma в некотором смысле является методом «доказательства от противного». Итак, давайте сначала предположим 2 вещи. Во-первых, предположим, что поток электронов в проводнике аналогичен физическому потоку воды в трубе. Другими словами, $I=\frac{q}{t}$ аналогичен потоку воды $f=\frac{V}{t}$, где $q$ – заряд, протекающий через поперечное сечение, а $ V$ – объем воды, протекающей через поперечное сечение. Также предположим, что вода несжимаема.

Во-вторых. давайте предположим, что ток действительно уменьшается, когда он проходит через резистор. Это будет предположение, которое мы собираемся опровергнуть.

Сказать, что ток уменьшается после прохождения из-за сопротивления, это примерно то же самое, что сказать, что поток воды, проходящей через трубу, уменьшается из-за трения. Здесь сопротивление и трение играют роль противодействия потокам электронов и воды соответственно. Но это вызывает дилемму. Если начальный расход больше, чем конечный расход, это означает, что объем воды, поступающей в трубу в секунду, больше, чем объем воды, выходящей из трубы за секунду. Куда исчезает вода? Он где-то в трубе застревает? Что ж, если это так, и если в трубе будут скапливаться куски воды, то это приведет к разрыву трубы… чего в практических сценариях не происходит.

Это говорит нам о том, что объем воды, поступающей в трубу в секунду, должен быть равен объему воды, выходящей из трубы в секунду. Аналогично, количество заряда, входящего в резистор в секунду, должно быть равно заряду, выходящему из резистора в секунду. Другими словами, начальный ток и конечный ток эквивалентны.

Это рассуждение вытекает из закона сохранения заряда, который часто выражается формулой непрерывности, данной Роджером Вадимом. Несжимаемые жидкости, подобные той, которую мы использовали в нашей аналогии, также имеют формулу неразрывности, задаваемую $A*v=m=$constant, где $A$ — площадь, $v$ — скорость, а $m$ — масса. в конечном итоге является сохраняющейся физической величиной.

Обратите внимание, что в видео ХК Верма говорил о потоке воды с точки зрения скорости, утверждая, что она остается постоянной. Но это не совсем так, поскольку зависит от площади поперечного сечения, как показано в уравнении неразрывности. Меньшая площадь означает большую скорость. Вы можете представить это легко. Точно так же скорость электронов (т.е. дрейфовая скорость) также обратно пропорциональна площади проводника. Но это другая формула, с которой вы столкнетесь позже.

$\endgroup$

0

$\begingroup$

Я думаю, ваш вопрос подразумевает, что вы думаете, что заряды на одном конце провода «выстреливают» через провод с некоторой начальной кинетической энергией, а сопротивление замедляет его.

Электрическое поле внутри провода постоянно, поэтому в каждой точке провода на заряды действует сила Уравнение

Силы сопротивления внутри провода пропорциональны скорости заряда,
обычно в присутствии электрического поля заряды хотят УСКОРИТЬСЯ

Когда электрическая сила равна силе сопротивления, заряды движутся с постоянной скоростью. это «конечная скорость» зарядов в проводе, которая делает плотность тока в точке постоянной.

Если поле Е постоянно по всему проводу, то мы можем сказать, что ток везде постоянен

Найдите друдовскую модель проводимости.

Уравнение движения электрона :

$ma = Eq -(m/T) v$

изначально электрон в присутствии электрического поля ускоряется , и поэтому в точке ЕСТЬ изменяющаяся плотность тока изначально. Однако очень быстро силы сопротивления сравняются с приложенной электрической силой, так что «а» = 0,9{2}т/м)Е$$
$$J = \sigma E$$

, что означает, что плотность тока J в установившемся режиме пропорциональна напряженности электрического поля в точке. так что для постоянного электрического поля J везде будет достигать некоторого постоянного значения

$\endgroup$

$\begingroup$

Сохранение заряда (часто выражаемое уравнением непрерывности, $\partial_t\rho + \nabla\cdot\mathbf{j}=0$ означает, что разница между зарядом, входящим в проводник, и зарядом, выходящим из него, накапливается как заряд внутри этого проводника. Поэтому в вашем сценарии заряд проводника должен расти до бесконечности.

Здесь вводит в заблуждение связывание тока с мгновенной скоростью электрона/заряда, а не с его средней скоростью и количеством заряда. Электроны все время рассеиваются на примесях или фононах в проводнике, поэтому их скорость все время меняется, но в среднем число электронов, проходящих через любое поперечное сечение за период времени, одинаково (если мы не имеем упомянутого накопления заряда). в начале).

Хорошей и очевидной аналогией здесь является поток воды. Представьте себе водопад — вода в водопаде течет намного быстрее, чем вода в реке до водопада или после водопада. При этом количество воды, входящей в водопад и выходящей из него, остается прежним: где-то она ускоряется, где-то замедляется, но средняя скорость остается неизменной.

$\endgroup$

$\begingroup$

Электроны не бильярдные шары. Это не изолированные частицы, прыгающие по проводу. Они взаимодействуют друг с другом посредством электростатических сил. Если вы поместите два электрона в область, они оттолкнутся друг от друга.

Если вы втолкнете электроны в проводник (из батареи), не выпуская их наружу, электростатические силы будут раздвигать электроны. Это означает, что вам придется вкладывать все больше и больше потенциала в цепь (более мощная батарея), чтобы вводить больше электронов. Эта электростатическая сила будет нарастать до тех пор, пока не помешает вашей батарее вводить больше электронов. например, другой вывод батареи), они будут течь естественным образом, потому что на этой стороне меньше электростатической силы.

Типичная аналогия — вода, текущая по шлангу. Вода несжимаема, а шланги довольно жесткие. Если вы попытаетесь наполнить водой больше, не давая ей уйти, силы, противодействующие вам, быстро вырастут до непреодолимого уровня.

Сейчас там это переходный случай, прямо как подключаешь аккумулятор где ломается эта модель. Как только вы подключаете аккумулятор, электронов больше поступает в цепь, чем вылетает. Однако это невероятно короче. Электронам может потребоваться пикосекунда (триллионная доля секунды), чтобы промчаться и прийти к устойчивому равновесию, в котором электростатические силы уравновешены.

Почему в вашем проводнике этого не происходит? Вы изучаете идеальных проводников . Они упрощены, чтобы облегчить их изучение. Если вы моделируете эти сверхбыстрые эффекты, вы добавите другие свойства, такие как емкость и индуктивность, чтобы сделать проводник, который ведет себя как настоящий проводник. Если вы разрабатываете современное высокоскоростное сетевое оборудование, вам небезразличны эти вещи. Но пока не беспокойтесь о них. Просто знайте, что идеальная модель, о которой вы узнаете имеет ли свои пределы и фокусируется на том, как ведут себя системы, когда они находятся в «устойчивом состоянии», когда электростатические силы уравновешены, а количество электронов, втекающих в проводник, равно количеству вытекающих электронов. Позже, когда вы узнаете о конденсаторах и катушках индуктивности, вы сможете вернуться к этим неидеальным проводникам.

$\endgroup$

$\begingroup$

Идея о том, что заряды, входящие в резистор, движутся быстрее, чем исходящие заряды, имеет смысл, если совокупность входящих и исходящих зарядов не связана напрямую… как река, впадающая в узкий канал, который затем впадает в океан . Это было бы похоже на заряд от облака, летящего по воздуху на землю при ударе молнии.

Однако электронная схема не похожа ни на одну из этих вещей. Источник и сток соединены , и это все меняет. Вместо того, чтобы представлять электроны как независимые объекты, вы должны думать о них как о бусинах на ожерелье, которые все движутся вместе. Вы не можете передвинуть одну бусину, не переместив 90 379 всех 90 380 бусин.

Напряжение похоже на силу, которая приводит в движение бусины вокруг ожерелья. Ток подобен скорости, с которой бусины движутся по ожерелью. Сопротивление равносильно тому, что вы кладете руку на бусины, чтобы замедлить их движение. В этот момент должно быть интуитивно понятно, что происходит: вы не просто замедляете приближающиеся бусины после ваша рука. Вы на самом деле замедляете все бусины, потому что они соединены . Замедление бусины вызывает цепную реакцию, которая продолжается по всей цепи до начала вашей руки.

Поскольку мы мыслим линейно, мы склонны анализировать системы редукционистским способом, рассматривая каждый компонент в отдельности. Одна из самых сложных частей понимания электронных схем заключается в том, что все происходит одновременно . Что-то, что происходит в одной части цепи, влияет на то, что происходит на другой стороне, из-за того, как эффекты распространяются через текущий поток. Но если вы просто вспомните, что все они связаны, как бусины на ожерелье, это должно прояснить по крайней мере часть заблуждений.

Иными словами, этот вопрос немного похож на вопрос: «Когда вы тормозите колесо, почему часть колеса после тормоза не замедляется до более низкой скорости, чем часть перед тормозом?» ?» Технически да, на микроскопическом уровне, но только из-за скорости звука в материале колеса.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Вы забываете, что за током стоит движущая сила — в устойчивом состоянии сила, вызывающая движение (например) электронов, должна быть такой же, как сила, препятствующая их движению. Эта сила связана с зарядом. Если бы отдельный электрон замедлился, он приблизился бы к другим подобным зарядам, увеличивая силу, отталкивающую их друг от друга (в то время как впереди заряд теперь более положительный, притягивает электрон). Электрон не может замедлиться, потому что больше электронов толкает сзади, а больше «дырок» тянет спереди.

Если вам нужен образ, который, возможно, легче понять, представьте себе стрелу, выпущенную из лука. Чтобы заставить стрелу двигаться быстро, требуется много энергии, потому что стрела имеет значительную массу. Почему наконечник стрелы не вылетает с невероятной скоростью, оставляя позади древко? Потому что они связаны. То же самое и с электронами в проводе.

В отличие от этого, попробуйте составить линию из идеально выровненных бильярдных шаров. Удар по первому (под прямым углом) заставит последний шар в очереди запуститься с той же энергией, которую вы передали первому шару — , а не заставит все шары лететь с соответственно меньшей скоростью.

Если бы ток работал так же, ваша картина была бы правильной — ток был бы самым высоким вблизи батареи и падал бы с расстоянием. Но это не так, потому что шары соединены — их либо все двигаются, или ни один из них не двигается (в устойчивом состоянии). Ток будет меньше из-за резистора, но будет иметь одинаковое значение во всех последовательно соединенных частях цепи.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Представьте себе длинный участок дороги с ограничением скорости, которое меняется от 80 до 60 посередине. 5 автомобилей в секунду въезжают в 80. Сколько автомобилей в секунду уезжают в 60? Все еще 5. Они просто ближе друг к другу.

На самом деле это не похоже на ситуацию с электронами в проводнике — на самом деле они ближе друг к другу на входе, но это показывает, что разница в скорости между входом и выходом не имеет ничего общего с разницей в токе.

Любая разница в токе между входом и выходом была бы скоростью, с которой электроны накапливают внутри, но электростатическая сила настолько невероятно сильна, что число электронов в проводнике фактически постоянно и всегда почти равно числу протонов.

$\endgroup$

$\begingroup$

Может быть, это поможет. После всей математики все сводится к компенсирующему увеличению энергии, компенсирующей энергию, потерянную на сопротивление, так что конечным результатом является отсутствие изменений на другом конце. Я думаю, это то, о чем вы спрашивали.

Ячейка имеет два вывода – отрицательный и положительный.
отрицательная клемма имеет избыток электронов, тогда как положительная
терминал имеет дефицит электронов. Возьмем позитив
терминал как A, а электрический потенциал в точке A определяется как V (A).
Точно так же отрицательная клемма — B, а электрический потенциал на
B задается через V(B). Электрический ток течет от A к B, и, таким образом, V (A) > V (B).

Разность потенциалов между А и В равна

В = В(А) – В(В) > 0

Математически электрический ток определяется как скорость потока
заряд через поперечное сечение проводника.

Таким образом, оно определяется как I = ∆Q/ ∆t, где I — электрический ток, а ∆Q
— количество электрического заряда, протекающего через момент времени ∆t.

Потенциальная энергия заряда Q в точке A равна Q V(A), а в точке B равна Q
В(Б). Таким образом, изменение потенциальной энергии равно 9.0003

∆Upot = Конечная потенциальная энергия – Начальная потенциальная энергия

= ∆Q [(В (В) – В (А)] = –∆Q В

= –I V∆t (Поскольку I = ∆Q/∆t)

Если принять во внимание кинетическую энергию системы, то
также измениться, если заряды внутри проводника двигались без
столкновение. Это делается для того, чтобы полная энергия системы оставалась неизменной.
Таким образом, по закону сохранения полной энергии имеем:

∆K = –∆Uпот

или ∆K = I V∆t > 0

Таким образом, в электрическом поле, если заряды свободно перемещаются по
проводника, кинетическая энергия будет увеличиваться по мере того, как они
шаг.

При столкновении зарядов полученная ими энергия делится между
атомы. Следовательно, колебания атомов увеличиваются.
что приводит к нагреву проводника. Таким образом, некоторое количество
энергия рассеивается в виде тепла в реальном проводнике.

$\endgroup$

Твой ответ

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

4.1: Переменный ток в хорошем проводнике

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Стивен В. Эллингсон
• Политехнический институт Вирджинии и Университет штата через Инициативу открытого образования Технических библиотек Вирджинии3 9036 9056

  В этом разделе мы рассматриваем распределение тока в неидеальном проводнике (т. е. в «хорошем проводнике») и на частотах выше постоянного тока.

  Чтобы установить контекст, рассмотрим простую цепь постоянного тока, показанную на рисунке \(\PageIndex{1}\). В этой схеме источник тока обеспечивает постоянный ток, который течет по проводу цилиндрической формы. 2\)) равномерна по всей проволоке. 9{-\alpha d}\), где \(\alpha\) — постоянная затухания, а \(d\) — расстояние, пройденное волной. Постоянная затухания увеличивается с увеличением \(\сигма\), поэтому скорость уменьшения величины \({\bf E}\) увеличивается с увеличением \(\сигма\).

  В предельном случае идеального проводника \(\alpha\to\infty\) и, следовательно, \({\bf E}\to 0\) везде внутри материала. Любой ток в проводе должен быть результатом либо воздействия источника, либо реакции на \({\bf E}\). Без любого из них мы заключаем, что в случае переменного тока \({\bf J}\to 0\) везде внутри идеального проводника. ¹ Но если \({\bf J}=0\) в материале, то как ток проходит по проводу? Мы вынуждены заключить, что ток должен существовать как поверхностный ток ; т. е. полностью вне провода, но связан с поверхностью провода. Таким образом:

  В случае переменного тока ток, проходящий через идеально проводящий материал, полностью лежит на поверхности материала.

  Совершенно проводящий случай недостижим на практике, но результат дает нам точку опоры, из которой мы можем определить, что происходит, когда \(\сигма\) не бесконечно. Если \(\sigma\) просто конечна, то \(\alpha\) также конечна, и впоследствии величина волны может быть ненулевой на конечных расстояниях.

  Рассмотрим теперь направление, в котором распространяется эта предполагаемая волна. Два основных направления в настоящей задаче параллельны оси проволоки и перпендикулярны оси проволоки. Волны, распространяющиеся в любом другом направлении, могут быть представлены как линейная комбинация волн, распространяющихся в основных направлениях, поэтому для получения полной картины нам достаточно рассмотреть только основные направления.

  Сначала рассмотрим волны, распространяющиеся в перпендикулярном направлении. В этом случае мы предполагаем граничное условие в виде ненулевого поверхностного тока, которое мы выводим из рассмотренного ранее идеально проводящего случая. Заметим также, что \({\bf E}\) в глубине проволоки должна быть слабее, чем \({\bf E}\) ближе к поверхности, поскольку волна глубоко внутри проволоки должна пройти через большее количество материала. чем волна, измеренная ближе к поверхности. Применяя закон Ома (\({\bf J}=\sigma{\bf E}\)), ток глубоко внутри провода должен уменьшаться для хорошего проводника. Делаем вывод, что волна, бегущая в перпендикулярном направлении, существует и распространяется к центру проволоки, уменьшаясь по величине по мере удаления от поверхности.

  Мы не можем сделать вывод о наличии волны, бегущей в другом основном направлении, т. е. вдоль оси провода, поскольку на обоих концах провода нет очевидных граничных условий. Кроме того, наличие такой волны означало бы, что разные поперечные сечения провода имеют разное радиальное распределение тока. Это не согласуется с физическими наблюдениями.

  Мы заключаем, что единственная релевантная волна — это та, которая распространяется от поверхности проволоки внутрь. Поскольку плотность тока пропорциональна величине электрического поля, заключаем:

  В случае переменного тока ток, проходящий по проводу, состоящему из хорошего проводника, распределяется с максимальной плотностью тока по поверхности провода, и плотность тока падает экспоненциально с увеличением расстояния от поверхности.

  Это явление известно как скин-эффект , относящийся к понятию тока, образующего кожно-подобный слой под поверхностью провода. Эффект показан на рисунке \(\PageIndex{2}\).

  Рисунок \(\PageIndex{2}\): Распределение переменного тока в проводе круглого сечения. Затенение указывает на плотность тока. (модифицировано, общественное достояние; Бизл)

  Поскольку \(\альфа\) увеличивается с увеличением частоты, мы видим, что конкретное распределение тока внутри провода зависит от частоты. В частности, ток будет сконцентрирован близко к поверхности на высоких частотах, равномерно распределен по проводу на постоянном токе и в промежуточном состоянии для промежуточных частот.

  ---

  1. У вас может возникнуть соблазн сослаться на закон Ома (\({\bf J}=\sigma{\bf E}\)) в качестве аргумента против этого вывода. Однако закон Ома не дает полезной информации о токе в этом случае, так как \(\sigma\to\infty\) в то же время \({\bf E}\to 0\). На самом деле закон Ома в данном случае говорит о том, что \({\bf E}={\bf J}/\sigma\to 0\), поскольку \({\bf J}\) должно быть конечным, а \(\sigma \к\infty\).↩

  ---

  Эта страница под названием 4.1: Поток переменного тока в хорошем проводнике распространяется в соответствии с лицензией CC BY-SA и была создана, изменена и/или курирована Стивеном В. Эллингсоном (Инициатива открытого образования технических библиотек Вирджинии).

  1. Наверх
  • Была ли эта статья полезной?

  1. Тип изделия

     Раздел или Страница

     Автор

     Стивен В. Эллингсон

     Лицензия

     CC BY-SA

     Показать оглавление

     нет

     Включено

     да

  2. Теги

     1. источник[1]-eng-19564

  Проводник, изолятор, резистор и протекание тока

  Знание основных электрических терминов необходимо для полного понимания принципов теории электричества.

  Ниже приведены ключевые термины:

  1. Проводник
  2. Изолятор
  3. Резистор
  4. Электронный ток
  5. Обычный ток
  6. Постоянный ток (DC)
  7. Переменный ток56

  8. Идеальный источник
  9. Реальный источник

  Проводники

  Проводники — это материалы, в которых электроны слабо связаны со своими атомами, или материалы, допускающие свободное движение большого количества электронов. Атомы только с одним валентным электроном, такие как медь, серебро и золото, являются примерами хороших проводников. Большинство металлов являются хорошими проводниками.

  Изоляторы

  Изоляторы, или непроводники, представляют собой материалы, в которых электроны прочно связаны со своими атомами и требуют большого количества энергии, чтобы освободить их от влияния ядра. У атомов хороших изоляторов валентные оболочки заполнены восемью электронами, а значит, заполнены более чем наполовину. Любая энергия, приложенная к такому атому, будет распределяться между относительно большим числом электронов. Примерами изоляторов являются резина, пластик, стекло и сухая древесина.

  Резисторы

  Резисторы сделаны из материалов, проводящих электричество, но препятствующих прохождению тока. Эти типы материалов также называют полупроводниками, потому что они не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами. Полупроводники имеют более одного или двух электронов на валентных оболочках, но менее семи или восьми. Примерами полупроводников являются углерод, кремний, германий, олово и свинец. У каждого по четыре валентных электрона.

  Напряжение

  Основной единицей измерения разности потенциалов является вольт (символ V), и поскольку используется единица измерения вольт, разность потенциалов называется напряжением. Электрический заряд объекта определяется количеством электронов, которые объект приобрел или потерял. Поскольку движется такое большое количество электронов, для обозначения заряда используется единица измерения, называемая «кулон». Один кулон равен 6,28 х 10 ¹⁸ (миллиард, миллиард) электронов.

  Например, если объект получает один кулон отрицательного заряда, он получает 6 280 000 000 000 000 000 дополнительных электронов. Вольт определяется как разность потенциалов, заставляющая один кулон тока выполнять работу в один джоуль. Вольт также определяется как сила, необходимая для того, чтобы заставить один ампер тока пройти через сопротивление в один ом. Последнее определение будет больше всего нас интересовать в этом модуле.

  Текущий

  Плотность атомов в медной проволоке такова, что валентные орбиты отдельных атомов перекрываются, в результате чего электроны легко перемещаются от одного атома к другому. Свободные электроны могут дрейфовать с одной орбиты на другую в произвольном направлении. При приложении разности потенциалов направление их движения контролируется. Сила разности потенциалов, приложенная к каждому концу провода, определяет, сколько электронов перейдет от случайного движения к более направленному пути через провод. Движение или поток этих электронов называется потоком электронного тока или просто током.

  Чтобы произвести ток, электроны должны двигаться под действием разности потенциалов. Символ тока (I). Основной единицей измерения силы тока является ампер (А). Один ампер тока определяется как перемещение заряда в один кулон мимо любой заданной точки проводника за одну секунду времени.

  Если медный провод поместить между двумя заряженными объектами, имеющими разность потенциалов, все отрицательно заряженные свободные электроны будут ощущать силу, толкающую их от отрицательного заряда к положительному. Эта сила, противоположная обычному направлению электростатических силовых линий, показана на рисунке 9..

  Рисунок 9. Поток электронов через медный провод с разностью потенциалов Положительная (+) сторона аккумулятора. Направление потока электронов — от точки с отрицательным потенциалом к ​​точке с положительным потенциалом. Сплошная стрелка, показанная на рисунке 10, указывает направление потока электронов. Когда электроны освобождают свои атомы во время протекания электронного тока, образуются положительно заряженные атомы (дырки). Поток электронов в одном направлении вызывает поток положительных зарядов.

  Направление положительных зарядов противоположно направлению потока электронов. Этот поток положительных зарядов известен как обычный ток и показан на рисунке 10 пунктирной стрелкой. Все электрические эффекты потока электронов от отрицательного к положительному или от более высокого потенциала к более низкому аналогичны тем, которые были бы созданы потоком положительных зарядов в противоположном направлении. Поэтому важно понимать, что используются обе конвенции и что они по существу эквивалентны; то есть все предсказанные эффекты одинаковы. В этом тексте мы будем использовать поток электронов в наших обсуждениях.

  Рисунок 10. Разница потенциалов на проводнике вызывает протекание тока

  Как правило, электрический ток можно разделить на один из двух основных типов: постоянный ток (DC) или переменный ток (AC). Постоянный ток течет непрерывно в одном и том же направлении. Переменный ток периодически меняет направление. Мы будем изучать постоянный и переменный ток более подробно позже в этом тексте.

  Примером постоянного тока является ток, получаемый от батареи. Примером переменного тока является обычный бытовой ток.

  Реальные и идеальные источники

  Идеальный источник — это теоретическая концепция источника электрического тока или напряжения (например, батареи), который не имеет потерь и является идеальным источником напряжения или тока. Идеальные источники используются только для аналитических целей, поскольку они не могут встречаться в природе.

  Реальный источник — это реальный источник тока или напряжения, который имеет некоторые связанные с ним потери.

  Резюме

  Важная информация, содержащаяся в этой статье, кратко изложена ниже.

  • Проводник – материал с электронами, слабо связанными с его атомами или допускающий свободное движение большого числа электронов
  • Изолятор – материал с электронами, прочно связанными с его атомами; требуется большое количество энергии, чтобы освободить электроны от его ядер
  • Резистор – материал, который проводит электричество, но препятствует прохождению тока
  • Электронный ток – протекание тока от отрицательного потенциала к положительному
  • Обычный ток – протекание тока от положительного потенциала к отрицательному
  • Постоянный ток – постоянный ток течет в одном и том же направлении
  • Переменный ток – ток периодически меняет направление на обратное
  • Идеальный источник – теоретический источник тока или напряжения без потерь
  • Реальный источник – фактический ток или источник напряжения с потерями

  Будьте первым, кто получит эксклюзивный контент прямо на вашу электронную почту.

  Обещаем не спамить. Вы можете отписаться в любое время.

  Неверный адрес электронной почты

  Определение допустимой нагрузки по току проводников

  NFPA Today — 21 июля 2021 г.

  Вернуться на целевую страницу блогов

  Целью NFPA 70®, Национального электротехнического кодекса® (NEC® ) является практическая защита людей и имущества от опасностей, возникающих из-за использование электричества. Как правило, это означает защиту людей от опасностей, таких как удар током и вспышка дуги, а также защиту имущества от огня. Пожары в результате неправильной проводки исторически представляли серьезную угрозу с тех пор, как электрические системы были установлены внутри зданий. NEC установила долгую историю требований к установке, чтобы помочь предотвратить возникновение пожаров в электрической системе. Одним из таких требований является определение того, какой электрический ток проводник может непрерывно проводить без превышения номинальной температуры его изоляции, или, как это называет NEC, допустимой нагрузки проводника.

  Однако определение допустимой нагрузки требует понимания ряда других факторов, влияющих на то, как проводник используется и устанавливается. Это включает в себя навигацию по диаграммам, таблицам и ряд других требований, чтобы убедиться, что мы правильно рассчитали мощность. В зависимости от того, какие существуют условия установки и использования, мы используем ряд таблиц, которые можно найти в NEC, но, в частности, многие из них расположены в статье 310. Существует множество таблиц, в которых указаны такие элементы, как допустимая нагрузка проводника. , температурные поправочные коэффициенты и поправочные коэффициенты. Итак, давайте посмотрим, как можно использовать эти диаграммы и таблицы токов, чтобы убедиться, что мы выбираем подходящий проводник для установки.

  Прежде чем начать, мы должны задать себе несколько вопросов. Во-первых, нам нужно знать, на что рассчитана изоляция проводника, поскольку допустимая нагрузка зависит от температурного рейтинга изоляции. После того, как мы установили, используем ли мы изоляцию с номиналом 60, 75 или 90 градусов Цельсия, мы можем определить, в каком столбце из соответствующей таблицы допустимых токов нам нужно находиться. Таблицы с 310.16 по 310.21 основаны на способе их установки и других конкретных критериях установки. Для целей этого блога мы будем использовать Таблицу 310.16 для проводников, установленных в кабелепроводе или кабеле с не более чем 3 токоведущими проводниками в общей сложности и при температуре окружающей среды 30 ⁰C (86 ⁰F). Эти параметры важно знать, так как любое отклонение потребует изменения значения мощности в таблицах.

  Как только мы узнаем номинальную температуру изоляции, мы можем затем найти соответствующую допустимую нагрузку в соответствующем столбце Таблицы 310.16 для данного размера проводника (Примечание: некоторые типы изоляции имеют несколько номинальных значений в зависимости от типа расположения, см. Таблицу 310.4 для проводника). характеристики). Получив значение мощности из Таблицы 310.16, мы можем применить поправочные и поправочные коэффициенты, если это необходимо. Начнем с поправочных коэффициентов. Сначала спросите, есть ли в кабелепроводе или кабеле более трех токонесущих проводников, или несколько кабелей проложены без соблюдения интервалов на расстоянии более 24 дюймов? Это количество относится к общему количеству незаземленных (горячих) проводников, даже запасных, и заземленных (нейтральных) проводников в 3-фазной 4-проводной системе звезда, где:

  1. цепь однофазная или,
  2. , если основная часть нагрузки состоит из нелинейных нагрузок [см. 310.15(E)].

  Если общее количество токонесущих проводников превышает три, то допустимая нагрузка из Таблицы 310.16 должна быть скорректирована в соответствии с Таблицей 310.15(C)(1) на основании общего количества токонесущих проводников.

  Далее, мы должны посмотреть на температуру окружающей среды, где проводник будет установлен. Если температура окружающей среды отличается от начальной мощности в таблице 310.16, то мы найдем поправочные коэффициенты температуры в 310.15 на основе отклонений от температуры окружающей среды в исходной таблице. Имеются две таблицы коррекции температуры:

  1. Таблица 310.15(B)(1) для таблиц, основанных на температуре окружающей среды 30⁰C (86⁰F).
  2. Таблица 310.15(B)(2) для таблиц, основанных на температуре окружающей среды 40⁰C (104⁰F).

   

   

  Поскольку этот блог написан на основе таблицы 310.16, следует использовать множители для температурной коррекции из таблицы 310. 15(B)(1), поскольку обе диаграммы основаны на температуре окружающей среды 30 ⁰C (86 ⁰F). Таблица 310.15(B)(1) также разделена по номинальной температуре изоляции проводника. Уже установив это, просто найдите соответствующий множитель на основе фактической температуры окружающей среды установки.

  После применения всех необходимых корректирующих и поправочных коэффициентов остается еще один компонент, влияющий на способность проводников безопасно проводить постоянный электрический ток без превышения номинальной температуры изоляции. Этот последний фактор — окончание проводника к любому оборудованию. Точки заделки могут быть ограничивающим фактором, поскольку они являются общими точками в электрической системе для накопления тепла и полагаются на то, что материал проводника действует как теплоотвод для рассеивания любого накопления тепла в месте, где выполняется заделка. Для этих требований мы должны обратиться к разделу 110.14 (C) для ограничения температуры замыкания. Эти требования помогают нам определить конечную допустимую нагрузку по току наших проводников, чтобы они могли безопасно выдерживать ток цепи без повреждения изоляции из-за избыточного тепла.

  Раздел 110.14(C)(1) разделен на два сценария. Первая группа предназначена для цепей на 100 ампер или меньше или маркированных для подключения проводников размером от 14 AWG до 1 AWG. Вторая группа предназначена для цепей с током более 100 ампер или клемм, помеченных для более чем 1 AWG. Требования к первой группе ограничивают использование проводников проводами с классом изоляции 60 ⁰C, или, если используются проводники с более высоким номиналом температуры, окончательная приведенная допустимая нагрузка не должна превышать значение, указанное в колонке 60 ⁰C для проводника того же размера, за исключением случаев, когда концевые заделки также рассчитаны на более высокую температуру, и в этом случае конечная допустимая нагрузка не должна превышать значение, указанное в соответствующем столбце. Для второй группы, выше 100 А или 1 AWG, правила немного упрощаются. Проводники должны быть рассчитаны на температуру 75⁰C или выше, а если проводник рассчитан на температуру выше 75⁰C, конечная допустимая нагрузка не должна превышать соответствующую силу тока в столбце 75⁰C, если не указано, что выводы рассчитаны на такие более высокие температуры.

  Если мы будем следовать этим требованиям, то проводники, которые мы устанавливаем, с меньшей вероятностью перегреются и станут опасными, при условии, что условия использования останутся прежними. Мы разработали бесплатную блок-схему по этой теме, включая таблицы, упомянутые выше, чтобы помочь вам при следующей установке. Обязательно загрузите его здесь.  

   

  Важное примечание: Любое мнение, выраженное в этой колонке (блог, статья), является мнением автора и не обязательно отражает официальную позицию NFPA или ее технических комитетов. Кроме того, эта статья не предназначена и не должна использоваться для предоставления профессиональных консультаций или услуг.

  ТЕМЫ:

  • Электрический

  Загрузите бесплатный ресурс «Использование национальных электротехнических норм (NEC®) Ampacity Charts»

   

  Скачать сейчас

  Дерек Вигстол

  Подробнее Дерек Вигстол

  Связанные статьи

  13 СЕНТЯБРЯ 2022 ГОДА

  Amazon Solar Shutdown дает возможность похвалить и поразмыслить над безопасными солнечными установками
  

  12 СЕНТЯБРЯ 2022 ГОДА

  Лучшее понимание NFPA 70E: создание программы электробезопасности (часть 6 — проверки)
  

  09 СЕНТЯБРЯ 2022 ГОДА

  Сентябрь — месяц национальной готовности: готово ли ваше сообщество реагировать на суровое погодное явление или чрезвычайную ситуацию?
  

  01 СЕНТЯБРЯ 2022 ГОДА

  Теперь выпущено, мы благодарим тех, кто привел NEC 2023 года на вершину горы
  

  25 АВГУСТА 2022

  Электрические инспекторы и генераторы для существующих жилых домов
  

  24 АВГУСТА 2022

  Правильное использование лестниц на рабочих площадках может помочь работникам снизить личный риск
  

  Как электрический ток течет по проводнику?

  Как электрический ток течет по проводнику?

  Основой электричества является атом. Все, включая нас самих, состоит из атома. Все материалы, которые мы использовали, сделаны из атомов. Материалы просто разные, потому что конструкция атома немного отличается.

  Атомы состоят из свободных частиц, находящихся в центре ядра, и свободных частиц, находящихся вне ядра. В центре атома находится ядро, в ядре присутствуют нейтроны, которые не имеют заряда.

  И есть протон, который имеет положительный заряд. Нейтроны и протоны тяжелее электронов, эти останутся в ядре. Окружающие ядро ​​различные слои орбитальной оболочки — это все свободные электроны. Электроны текут вдоль прохода мухи почти так же, как орбиты или планеты ожидают скорости потока электронов света.

  Электроны отрицательно заряжены и притягиваются к положительному заряду протонов, электронов вокруг ядра на орбитальных оболочках, и в оболочках присутствует определенное количество электронов.

  Атомы крепко удерживают свои электроны, некоторые материалы удерживают их сильнее, чем другие. Самая внешняя оболочка известна как оболочка орбиты. В этой оболочке некоторые материалы теряют связанные электроны, которые могут плавать в атомах. Атомы могут передавать электроны или охлаждать проводники с других атомов, у которых нет свободных электронов.

  Изоляторы стеклянные и резиновые. Мы можем комбинировать эти материалы и безопасно использовать электричество, имея проводники в центре, которые позволяют электронам двигаться вокруг этого изолятора, ограничивая, где они могут безопасно течь.

   

  Внутри медного кабеля свободные электроны вокруг ядра атома меди. Свободные электроны способны беспорядочно перемещать атомы в любом направлении. Если мы подключим медный кабель к замкнутой цепи с источником питания, таким как напряжение батареи, это заставит электрон двигаться, и он будет перетекать в том же направлении и возвращаться обратно к другому выводу батареи.

   

  В безопасной цепи это означает, что электроны будут течь вдоль двух выводов положительного и отрицательного источника питания. Таким образом, мы можем добавить такие вещи, как световые столбы, и этот электрон должен пройти через это и получить другой терминал, который мы можем использовать в качестве света. Цепь будет размыкаться или замыкаться, в замкнутой цепи будут течь электроны, в разомкнутой цепи электроны не смогут течь.

   

  Напряжение – это сила, выталкивающая электроны в цепи, подобно давлению в водопроводной трубе, чем больше давление, тем больше воды будет течь, чем меньше давление, тем меньше воды будет течь. То же напряжение, если больше напряжение, будет течь больше электронов, если меньше напряжение, меньше электронов.

  Что означает вольт?

  Вольт – это джоуль/кулон

  Джоуль – это единица измерения работы энергии

  Кулон – это группа протекающих электронов

  Посмотрим, как работает джоуль/кулон

  форма работы или тепла на группу электронов с одной стороны батареи на другую. В этом случае ток электронов с одной стороны батареи через фонарный столб, который производит свет, и электроны текут к другой стороне батареи. Поэтому 9джоулей тепла вырабатывается фонарным столбом.

  Что такое ток

  Ток — это низкий уровень электронов, когда цепь замкнута, это означает, что электроны могут течь, когда цепь разомкнута, электроны не текут.

  Мы можем измерить поток электронов так же, как поток воды в трубе. Для измерения потока электронов мы можем использовать единицу измерения Ампер.

  1 Ампер = 1 кулон/сек

  1 кулон – группа электронов

  Группа невероятно велика, приблизительно 6 миллиардов 242 миллиона электронов должны пройти за 1 секунду. Вот почему электроны сгруппированы вместе, что делает ампер проще для инженеров.

  Что такое сопротивление

  Сопротивление — это ограничение потока электронов в цепи. Электроны, естественно, имеют некоторое сопротивление. Чем длиннее провод, тем больше сопротивление, чем меньше провод, тем меньше сопротивление.

  Сопротивление потоку электронов различно для каждого материала, и температура материала также изменяет сопротивление потоку электронов.

  В цепи используются специально разработанные компоненты, известные как резисторы, которые намеренно сопротивляются потоку электронов. Это сделано для защиты компонентов от слишком большого количества электронов, протекающих через них. Мы также можем использовать свет и тепло, такие как лампы накаливания.

  Сопротивление возникает, когда электроны сталкиваются с атомами. Столкновение отличается от одного материала к другому. Медь имеет очень низкую частоту столкновений, другие материалы, такие как железо, имеют гораздо больше столкновений.

  Когда происходит столкновение, атомы выделяют тепло и температуру, материал начинает светиться, а также тепло, которое является работой лампы накаливания.

   

  Что такое индуктор

  Когда провод захвачен в виде катушки, он генерирует магнитное поле при прохождении тока. Кабель, естественно, обладает большим магнитным полем сам по себе. При намотке на катушку магнитное поле становится сильным. Магнитное поле воздействует на электроны внутри провода.

  Мы можем увеличить силу магнитного поля, обернув катушку вокруг железного сердечника, а также увеличив число витков катушки и увеличив силу тока в цепи. Так работают электромагниты и на этой основе работает асинхронный двигатель.

  Когда магнитное поле проходит через провод, оно индуцирует напряжение в их проводе. Индуцированная электромагнитная сила будет толкать электроны в определенном направлении.

   

  Что такое трансформатор

  В трансформаторе мы можем объединить один провод катушки, вырабатывающий электричество, а другая катушка находится рядом друг с другом, и это создаст трансформатор.

  Трансформатор индуцирует напряжение в первичной обмотке, а затем во вторичной обмотке, это заставит электроны течь, если обмотка вторичной обмотки замкнута. В трансформаторе мы можем увеличить или уменьшить напряжение между первичной и вторичной обмотками, просто изменив количество катушек с обеих сторон.