Условия существования электрического тока
Для начала ответим себе на вопрос, что такое электрический ток. Простая батарейка, стоящая на столе, сама по себе ток не создает. И фонарик, лежащий на столе, ток через свои светодиоды просто так, ни с того ни с сего, не создаст. Чтобы появился ток, что-то куда-то должно потечь, хотя бы начать двигаться, а для этого цепь из светодиодов фонарика и батарейки необходимо замкнуть. Не даром, в былые времена электрический ток сравнивали с движением некой заряженной жидкости.
На самом деле мы теперь знаем, что электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, и что более близким к реальности аналогом был бы заряженный газ, — газ заряженных частиц, движущийся под действием электрического поля. Но обо всем по порядку.
Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц
Итак, электрический ток — это движение заряженных частиц, но даже хаотичное движение заряженных частиц — это тоже движение, однако оно еще не является током. Так и молекулы жидкости, все время пребывающие в тепловом движении, течения не создают, ведь суммарное перемещение всего объема покоящейся жидкости ровно нулю.
Чтобы возникло течение жидкости, должно возникнуть суммарное перемещение, то есть общее движение молекул жидкости должно стать направленным. Так хаотичное движение молекул сложится с направленным движением всего объема, и возникнет течение всего объема жидкости.
Аналогично обстоит дело и с электрическим током — направленное движение электрически заряженных частиц — есть электрический ток. Скорость теплового движения заряженных частиц, например в металле, измеряется сотнями метров в секунду, однако при направленном движении, когда в проводнике установлен какой-то определенный ток, скорость общего движения частиц измеряется долями и единицами миллиметров в секунду.
Так, если в металлическом проводнике сечением 1 кв.мм течет постоянный ток равный 10 А, то средняя скорость упорядоченного движения электронов составит от 0,6 до 6 миллиметров в секунду. Это уже будет электрическим током. И этого медленного движения электронов достаточно, чтобы проводник, например из нихрома, неплохо разогрелся, повинуясь закону Джоуля-Ленца.
Скорость частиц — это не скорость распространения электрического поля!
Отметим, что ток начинается в проводнике почти мгновенно по всему объему, то есть распространяется это «движение» по проводнику со скоростью света, а вот движение непосредственно самих заряженных частиц в 100 миллиардов раз медленнее. Можно рассмотреть аналогию с трубой, по которой течет жидкость.
Движется по трубе, 10 метров длиной, например вода. Скорость воды всего 1 метр в секунду, но течение распространяется не с этой же скоростью, а значительно быстрее, и скорость распространения зависит здесь от плотности жидкости и от ее упругости. Так и по проводнику электрическое поле распространяется со скоростью света, а частицы начинают двигаться на 11 порядков медленнее. Смотрите также: Скорость электрического тока
1. Для существования электрического тока необходимы заряженные частицы
Электроны в металлах и в вакууме, ионы в растворах электролитов — служат носителями заряда и обеспечивают наличие тока в разных веществах. В металлах электроны очень подвижны, некоторые из них свободно могут двигаться от атома к атому, словно газ заполняя пространство между узлами кристаллической решетки.
В электронных лампах электроны покидают катод в процессе термоэлектронной эмиссии, устремляясь под действием электрического поля к аноду. В электролитах молекулы распадаются в воде на положительно и отрицательно заряженные части, и становятся ионами — свободными носителями заряда в электролитах. То есть везде, где может существовать электрический ток, есть свободные носители заряда, способные перемещаться под действием электрического поля. Это и есть первое условие существования электрического тока — наличие свободных носителей заряда.
2. Второе условие существования электрического тока — на заряд должны действовать сторонние силы
Если теперь взглянуть на проводник, допустим это медный провод, то можно задаться вопросом: а что нужно для того, чтобы электрический ток в нем возник? Заряженные частицы, электроны, есть, они способны свободно перемещаться.
Что заставит их двигаться? Известно, что электрически заряженная частица взаимодействует с электрическим полем. Следовательно, в проводнике необходимо создать электрическое поле, тогда в каждой точке проводника возникнет потенциал, между концами проводника будет иметь место разность потенциалов, и электроны придут в движение по направлению поля — по направлению от «-» к «+», то есть в направлении против вектора напряженности электрического поля. Электрическое поле станет ускорять электроны, увеличивая их (кинетическую и магнитную) энергию.
В итоге, если мы рассматриваем просто приложенное снаружи к проводнику электрическое поле (поместили проводник в электрическое поле вдоль силовых линий), то электроны станут скапливаться у одного конца провода, и на этом конце возникнет отрицательный заряд, а поскольку с другого конца провода электроны сместились, то на нем будет иметь место заряд положительный.
В результате электрическое поле проводника, заряженного приложенным снаружи электрическим полем, будет такого направления, чтобы своим действием ослаблять внешнее электрическое поле.
Процесс перераспределения зарядов протечет почти мгновенно, и по его завершении ток в проводнике прекратится. Результирующее электрическое поле внутри проводника станет равным нулю, а напряженность по краям окажется равной по модулю, но противоположной по направлению к приложенному снаружи электрическому полю.
Если электрическое поле в проводнике создается источником постоянного тока, например батарейкой, то такой источник станет для проводника источником сторонних сил, то есть тем источником, который создаст в проводнике постоянную ЭДС, и будет поддерживать разность потенциалов. Очевидно, чтобы ток источником сторонних сил поддерживался, цепь должна быть замкнутой.
В таком случае электрическое поле в проводнике будет направлено от полюса источника с большим потенциалом к полюсу с меньшим потенциалом. Это поле будет ускорять свободные носители заряда в проводнике, создавая электрический ток.
Итак, для существования электрического тока необходимы следующие условия:
- Наличие свободных носителей электрического заряда, таких как электроны, ионы или дырки.
- Наличие разности потенциалов между двумя точками проводника, которая создает электрическое поле и заставляет носители заряда двигаться в определенном направлении.
- Наличие замкнутого электрического контура, по которому может течь электрический ток.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Курс лекций, модуль 5
§18. Условия существования электрического тока и его характеристики
Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц.
Для протекания тока необходимо:
- Наличие заряженных частиц (свободных носителей зарядов) – ими могут быть ионы, электроны, заряженные пылинки и капельки.
- Наличие внутри тела электрического поля.
Если в проводнике поддерживать внешнее электрическое поле, то свободные электрические заряды в нем начнут перемещаться (положительные заряды – по полю, отрицательные – против поля), в проводнике возникает ток проводимости.
Количественной характеристикой электрического тока служит сила тока.
Сила тока — это скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:
Если ток создается носителями зарядов обоих знаков, то:
За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительные носители.
Ток, сила и направление которого не изменяется со временем, называется постоянным. Для постоянного тока: . Единицей силы тока является [ I ] = 1 A
Электрический ток может быть распределён неравномерно по поверхности, по которой он течёт. Более детально ток можно характеризовать с помощью вектора плотности тока – .
Плотностью тока называется физическая величина, численно равная силе тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярно направлению тока.
Модуль вектора плотности тока численно равен силе тока dI через расположенную в данной точке, перпендикулярно к направлению движения носителей, площадку dS , отнесённой к величине этой площадки:
За направление примем направление упорядоченного движения положительных носителей, т.е. по направлению тока.
Единицей является [ j ] = 1 А/м 2 .
Зная вектор плотности тока в каждой точке пространства, можно найти силу тока I через любую поверхность S :
– единичный вектор нормали к площадке dS , составляющей с вектором угол a.
Сила тока – это поток вектора плотности тока через поверхность dS .
Выразим силу и плотность тока через скорость <> упорядоченного движения зарядов в проводнике.
Если концентрация носителей тока равна n :
– полное количество носителей.
и – скорости (упорядоченного) движения носителей.
За единицу времени dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд:
перечислите условия,необходимые для существования электрического тока
Необходимы: 1. источник тока, 2.замкнутая цепь, состоящая из проводников. Источник тока создает электрическое поле в проводниках, под действием поля носители зарядов направлено перемещаются в проводниках.
Остальные ответы
різниця потенціалів на кінцях провідника (хз как по русски)
Проводник. Замкнутый контур. Раздость потенциалов (или источник питания)
Для возникновения эл. тока необходимо 2 условия : источник эл. энергии и замкнутая цепь проводников. Проводник есть — раствор электролита. А 1-го условия нет. Ток не идёт. Ответ: внешний источник необходим для того, чтобы электролит проводит электрический ток
А электролиты — это вещества, в растворах и расплавах которых образуются заряженные частицы — ионы. Для того, чтобы они образовались — внешний источник не нужен. Нужна вода или высокая температура.
В обычном состоянии свободные электроны находятся в беспорядочном движении. Если под действием тех или иных причин заставить свободные электроны перемещаться в одном направлении, то такое упорядоченное движение свободных электронов будет представлять собой электрический ток.
1)для сущесвования электрического тока необходимы 2 условия: наличие свободных электрически заряженных частиц и разность потенциалов, отличная от нуля.
2)для постоянного тока необходимо ещё и третье условие: замкнутая цепь. А постоянная разность потенциалов создаётся источником тока, включённый в эту цепь или меняющимся магнитным потоком, пронизывающий эту цепь. (Ф2-Ф1)\(Т2-Т1)=соnst
Необходимо наличие электрически заряженных частиц и электрического поля, под действием которого частицы приходят в направленное движение.
Источник тока создает электрическое поле в проводниках, под действием поля носители зарядов направлено перемещаются в проводниках. ..1)для сущесвования электрического тока необходимы 2 условия: наличие свободных электрически заряженных частиц и разность потенциалов, отличная от нуля.
§ 25. Условия существования постоянного электрического тока. Сторонние силы. ЭДС источника тока
Для возникновения электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц, способных перемещаться по проводнику под действием силы электрического поля. Такой электрический ток называют током проводимости. Что же обеспечивает существование электрического тока в проводнике в течение длительного промежутка времени?
Условия существования постоянного электрического тока. При изучении темы «Проводники в электростатическом поле» вы узнали, что перемещение свободных заряженных частиц в проводнике под действием сил внешнего электрического поля приводит к появлению индуцированных зарядов и происходит до тех пор, пока создаваемое ими электрическое поле не уравновесит внутри проводника внешнее поле. В итоге напряжённость результирующего электростатического поля во всём объёме внутри проводника оказывается равной нулю.
Для поддержания в проводнике постоянного электрического тока необходимо, чтобы проводник являлся частью замкнутой цепи. Но вы знаете, что работа электростатического поля при перемещении электрического заряда по замкнутому контуру равна нулю. Следовательно, в цепи должен быть участок, на котором осуществляется работа по перемещению заряда против сил электрического поля. Таким участком является источник тока.
Рассмотрим замкнутую электрическую цепь, состоящую из источника тока (участок ас) и металлического проводника (участок abc) ( рис. 130 ).
В проводнике abc свободные электроны под действием сил электрического поля перемещаются от точки с к точке a. Чтобы движение носителей заряда в цепи было продолжительным, электроны от точки a должны перемещаться к точке с . Самопроизвольно такое перемещение электронов происходить не может, так как на них в противоположном направлении (от точки с к точке a) действует сила электрического поля (см. рис. 130 ). Движение электронов в направлении, противоположном направлению силы электрического поля, возможно только под действием силы неэлектростатической природы, получившей название сторонней силы.
Сторонние силы. Сторонние силы действуют на заряженные частицы только внутри источников тока, совершая работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. В результате такого разделения на одном полюсе источников тока накапливаются положительные заряды, а на другом — отрицательные, что приводит к возникновению электрического поля. Это поле, действуя силой на свободные электроны, заставляет их двигаться в электрической цепи вне источника тока. Таким образом, действие электрической силы приводит к соединению разноимённых зарядов и уменьшению разности потенциалов, тогда как действие сторонней силы приводит к разделению разноимённых зарядов и поддержанию разности потенциалов на полюсах источников тока.
В химических источниках тока (гальванических элементах, аккумуляторах) (рис. 131, а) разделение зарядов происходит при химических реакциях, в электромеханических индукционных генераторах (рис. 131, б) — при совершении механической работы, в солнечных батареях (рис. 131, в) — под воздействием энергии солнечного излучения и т. д.
Участок цепи, где заряды движутся под действием только электрической силы, называют внешним (различные потребители электрического тока, соединительные провода, измерительные приборы). Участок цепи, где заряды движутся под действием сторонней и электрической сил, называют внутренним (источник тока).
Электродвижущая сила источника тока. Основной характеристикой источника тока является электродвижущая сила (ЭДС) * . Обозначают её .
ЭДС — физическая скалярная величина, равная отношению работы сторонней силы по перемещению положительного электрического заряда внутри источника тока от его отрицательного полюса к положительному к значению этого заряда:
Сравнив формулы и (25.1), можно сделать вывод, что единицей измерения ЭДС в СИ является 1 В.
Таким образом, ЭДС численно равна работе сторонней силы по перемещению единичного заряда внутри источника тока между его полюсами (положительного заряда от отрицательного полюса к положительному, отрицательного заряда, наоборот, от положительного полюса к отрицательному).
ЭДС является энергетической характеристикой источника тока. Потенциальная энергия электрического заряда, перемещаемого внутри источника, увеличивается за счёт работы сторонних сил. При подключении проводника к полюсам источника эта энергия расходуется на перемещение заряда по всей электрической цепи.
Если электрическая цепь замкнута, то можно утверждать, что ЭДС численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по всей замкнутой цепи, поскольку работа электрических сил в замкнутой цепи равна нулю.
От теории к практике
Сила тока в цепи I = 1,5 А. Какую работу совершает сторонняя сила за промежуток времени t = 1,0 мин, если ЭДС источника тока = 6,0 В?
1. Каковы условия существования электрического тока?
2. Какие силы называют сторонними?
3. Какова роль источника тока в электрической цепи?
4. Что называют внешним участком электрической цепи? внутренним?
5. Каково направление упорядоченного движения свободных электронов на внешнем и внутреннем участках цепи?
6. Что называют ЭДС источника тока?
7. Существует ли электрическое поле между полюсами источника тока в незамкнутой цепи? Изобразите схематически электрическое поле источника тока в замкнутой и незамкнутой цепи.
* Термин «электродвижущая сила» неудачен, поскольку в данном случае речь не идёт ни о какой силе, измеряемой в ньютонах. Поэтому в дальнейшем мы будем использовать только сокращённое название ЭДС. ↑