Движение электрического заряда в проводнике
Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током. Носителями зарядов в зависимости от типа проводника могут быть электроны и ионы. В металлических проводниках – это свободные электроны, или электроны проводимости, в гальванических ваннах, т. е. в растворах электролитов, – положительные и отрицательные ионы. Тела или вещества, в которых можно создать электрический ток, называют проводниками электрического тока. Проводниками являются все металлы, водные растворы солей или кислот, ионизованные газы.
При движении свободных заряженных частиц происходит перенос заряда. Количественной характеристикой – силой $$ I$$ тока – принято считать скорость переноса заряда через любое поперечное сечение проводника, т. е. количество заряда, перемещённого через «контрольную поверхность», на которой осуществляется подсчёт пересёкшего её заряда, в единицу времени:
где `q` – заряд, прошедший через произвольное фиксированное поперечное сечение проводника за время от `0` до `t`. Если сила тока не изменяется со временем, ток называют постоянным. Единица измерения силы тока в системе СИ называется ампером (А) (в честь А.М. Ампера – французского учёного XIX века) и вводится через магнитное взаимодействие токов.
Один ампер есть сила такого тока, поддерживаемого в двух бесконечных (очень длинных) прямолинейных параллельных проводниках ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенных на расстоянии `1`м в вакууме, при котором в расчёте на `1` метр длины проводника действует сила `F=2*10^(-7) «Н»`.
Единица измерения силы тока ампер, наряду с метром, секундой, килограммом, является основной единицей системы СИ. Единица измерения заряда кулон (Кл) является производной и вводится в соответствии с (1): один кулон – это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока $$ 1\mathrm$$ за $$ 1\mathrm$$, т. е. $$ 1\mathrm=1\mathrm·1\mathrm.$$
За направление электрического тока принимают направление, в котором движутся положительно заряженные носители тока.
Отношение силы `I` тока к площади `S` поперечного сечения проводника называется плотностью тока:
которая равна силе тока в расчёте на единицу площади поперечного сечения.
По проводу течёт постоянный ток. Через произвольное поперечное сечение за время `t=2` мин протёк заряд `q=1,2` Кл. Найдите силу `I` тока в проводе и его плотность `j`. Площадь поперечного сечения проводника `S=0,5 «мм»^2`.
Силу тока определим по формуле (1):
плотность тока найдём по формуле (2):
Согласно модели, предложенной Нильсом Бором, в основном состоянии атома водорода электрон движется вокруг покоящегося протона по круговой орбите радиуса `r=0,53*10^(-10)` м со скоростью `v=2,2*10^6` м/с. Какой величине `I` тока эквивалентно движение электрона по орбите? Каково направление этого тока? Элементарный заряд `e=1,6*10^(-19)` Кл.
В рассматриваемой модели электрон обращается вокруг протона с периодом `T=(2pir)/v`. За `t=1` с электрон пересечёт любую контрольную поверхность, на которой происходит подсчёт переносимого заряда, `nu=1/T` раз. Тогда через эту поверхность за `t=1` с пройдёт заряд `q=e*nu`, т. е. сила эквивалентного тока в соответствии с (1) равна
Поскольку электрон – отрицательно заряженная частица, то направление рассматриваемого тока противоположно направлению движения электронов.
Направление тока в проводнике, как, откуда и куда течет электрический ток в проводниках.
Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц) в жидких и газообразных телах это движение ионов (положительно заряженных частиц). Более того ток бывает постоянным и переменным, и у них совсем разное движение электрических зарядов. Чтобы хорошо понять и усвоить тему движение тока в проводниках пожалуй сначала нужно более подробно разобраться с основами электрофизики. Именно с этого я и начну.
Итак, как вообще происходит движение электрического тока? Известно, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы вещества. Строение атома напоминает нашу солнечную систему, где в центре расположено ядро атома. Оно состоит из плотно прижатых друг к другу протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Вокруг этого ядра с огромной скоростью по своим орбитам вращаются электроны (более мелкие частицы, имеющие отрицательный заряд). У разных веществ количество электронов и орбит, по которым они вращаются, может быть различным. Атомы твердых веществ имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, по которой в определенной порядке располагаются атомы относительно друг друга.
А где же тут может возникнуть электрический ток? Оказывается, что у некоторых веществ (проводников тока) электроны, что наиболее удалены от своего ядра, могут отрываться от атома и переходить на соседний атом. Это движение электронов называется свободным. Просто электроны перемещаются внутри вещества от одного атома к другому. Но вот если к этому веществу (электрическому проводнику) подключить внешнее электромагнитное поле, тем самым создав электрическую цепь, то все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении. Именно это и есть движение электрического тока внутри проводника.
Теперь давайте разберемся с тем, что собой представляет постоянный и переменный ток. Итак, постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как говорилось в самом начале — в твердых телах движутся электроны, а в жидких и газообразных движутся ионы. Электроны, это отрицательно заряженные частицы. Следовательно, в твердых телах электрический ток течет от минуса к плюсу источника питания (перемещаются электроны по электрической цепи). В жидкостях и газах ток движется сразу в двух направлениях, а точнее, одновременно, электроны текут к плюсу, а ионы (отдельные атомы, что не связаны между собой кристаллической решеткой, они каждый сам по себе) текут к минусу источника питания.
Учеными же было принято официально считать, что движение происходит от плюса к минусу (наоборот, чем это происходит в действительности). Так что, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток движется от плюса к минусу, а с реальной точки зрения (электрофизическая природа) правильнее полагать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Наверное это сделано для какого-то удобства.
Теперь, что касается переменного электрического тока. Тут уже немного все сложнее. Если в случае постоянного тока движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически электроны со знаком минус текут к плюсу), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Вы наверное слышали, что в обычной городской электросети переменное напряжение величиной 220 вольт и стандартной частотой 50 герц. Так вот эти 50 герц говорят о том, что электрический ток за одну секунду успевает 50 раз пройти полный цикл, имеющий синусоидальную форму. Фактически за одну секунду направление тока меняется аж 100 раз (за один цикл меняется два раза).
P.S. Направление тока в электрических схемах имеет важное значение. Во многих случаях если схема рассчитана на одно направление тока, а вы случайно его поменяете на противоположный или вместо постоянного тока подключите переменный, то скорее всего устройство просто выйдет из строя. Многие полупроводники, что работают в схемах, при обратном направлении тока могут пробиваться и сгорать. Так что при подключении электрического питания направление тока должно быть вами строго соблюдаться.
Движение электрического заряда в проводнике
Если изолированный проводник поместить в электрическое поле то на свободные заряды в проводнике будет действовать сила В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю (см. § 1.5).
Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током . За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δ, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени Δ, к этому интервалу времени:
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным .
Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике и ток . – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле
В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током (см. § 1.16).
Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи , в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю (см. § 1.4). Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения . Такие устройства называются источниками постоянного тока . Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.
Физическая величина, равная отношению работы сторонних сил при перемещении заряда от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.
Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными . Участки, включающие источники тока, называются неоднородными .
При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе 12, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна
| 12 = φ1 – φ2 + 12. |
Величину 12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:
| 12 = φ1 – φ2. |
Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока , текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению на концах проводника:
где = const.
Величину принято называть электрическим сопротивлением . Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором . Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными . Графическая зависимость силы тока от напряжения (такие графики называются вольт-амперными характеристиками , сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:
Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи .
На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи () является однородным.
Цепь постоянного тока
Участок () содержит источник тока с ЭДС, равной .
По закону Ома для неоднородного участка,
Сложив оба равенства, получим:
Эта формула выражет закон Ома для полной цепи : сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.
Сопротивление неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока . В этом случае участок () на рис. 1.8.2 является внутренним участком источника. Если точки и замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника ( ток короткого замыкания
Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением . У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.
Если внешняя цепь разомкнута, то , т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.
Если внешнее нагрузочное сопротивление включено и через батарею протекает ток , разность потенциалов на ее полюсах становится равной
На рис. 1.8.3 дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной и внутренним сопротивлением в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность электрического поля внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды: – электрическая сила и – сторонняя сила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.
Схематическое изображение источника постоянного тока: 1 – батарея разомкнута; 2 – батарея замкнута на внешнее сопротивление ; 3 – режим короткого замыкания
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры .
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением . Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:
Это условие означает, что ток , протекающий через вольтметр, много меньше тока , который протекает по тестируемому участку цепи.
Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением A. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию
чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.
Измерительные приборы – вольтметры и амперметры – бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.
Распределение зарядов в проводнике: физические основы и применение
Распределение зарядов в проводнике является ключевым моментом для понимания того, как работают электрические цепи и как проводники передают электрический ток. В этой статье мы рассмотрим основы распределения зарядов в проводнике и то, как это свойство влияет на поведение электрических цепей.
Равновесное распределение зарядов в проводнике
Равновесное распределение зарядов в проводнике — это состояние, когда электрические заряды в проводнике распределены таким образом, что нет движения зарядов, и электростатическое поле внутри проводника равно нулю. В этом состоянии электростатические силы на заряды, вызываемые другими зарядами, компенсируются электрическими силами на заряды, вызываемыми на противоположной стороне проводника.
Заряды в проводнике распределяются по поверхности проводника, а не внутри него. Это происходит из-за того, что электростатические силы на заряды внутри проводника направлены во все стороны и взаимно уравновешиваются, что приводит к отсутствию движения зарядов. Таким образом, заряды на поверхности проводника находятся в состоянии равновесия.
Электростатическое поле внутри проводника также равно нулю в состоянии равновесия. Это происходит из-за того, что заряды в проводнике создают электрическое поле, которое компенсируется электрическим полем, вызываемым на противоположной стороне проводника. Это означает, что внутри проводника нет разности потенциалов, так как все заряды в равновесии.
Электростатическое поле внутри проводника
Электростатическое поле внутри проводника — это особое явление, которое происходит при наличии свободных зарядов в проводнике. Свободные заряды в проводнике образуют электростатическое поле, которое оказывает влияние на другие заряды в близлежащих точках.
При наличии свободных зарядов в проводнике, они распределяются равномерно по поверхности проводника, образуя так называемое «равновесное распределение зарядов». В этом случае электростатическое поле внутри проводника отсутствует, поскольку заряды находятся в равновесии.
Однако, если в проводнике появляются другие заряды, которые не могут свободно перемещаться по поверхности проводника, например, заряды, приложенные к проводу извне, то равновесие нарушается и начинается движение свободных зарядов в проводнике.
В этом случае возникает электростатическое поле внутри проводника, которое существует до тех пор, пока заряды в проводнике не перераспределятся таким образом, чтобы вновь установилось равновесное распределение зарядов.
Примеры применения равновесного распределения зарядов в проводниках
Равновесное распределение зарядов в проводнике играет важную роль в электротехнике и электронике, так как позволяет создавать электростатически устойчивые системы и устройства.
Например, экраны мониторов и телевизоров создаются с использованием проводников, на которых равномерно распределяются заряды для создания электростатических полей. Также равновесное распределение зарядов используется для создания защиты от электростатических разрядов в электронике и электротехнике.
Еще одним примером равновесного распределения зарядов для электростатической защиты является молниезащита зданий и сооружений.
Молниезащита состоит из металлических проводников, расположенных на крышах зданий и сооружений, и системы заземления, соединяющей эти проводники с землей. Когда молния ударяет в металлический проводник, заряд распределяется по всей его поверхности благодаря принципу равновесия электростатического поля внутри проводника.
Это позволяет уменьшить напряжение, которое возникает при разряде молнии, и предотвратить повреждение здания или сооружения.
Таким образом, равновесное распределение зарядов используется для создания безопасной пути для разрядки молнии, минимизации повреждений от разряда и обеспечения защиты людей и имущества.
Клетка Фарадея — это пример использования распределения зарядов для создания электростатического экрана, который защищает оборудование от внешних электромагнитных помех.
Клетка Фарадея состоит из проводящей сетки, которая образует сетку из мелких ячеек. Когда сетка заземляется, заряды свободных электронов перемещаются вдоль сетки и равномерно распределяются на ее поверхности, создавая электрическое поле, которое блокирует внешние электромагнитные поля. Это позволяет защитить оборудование внутри клетки Фарадея от помех и сохранить его работоспособность.
Электростатическое поле внутри проводника может использоваться для измерения различных параметров, например, для определения потенциала проводника. Это возможно благодаря тому, что напряженность электростатического поля пропорциональна потенциалу проводника.
Также электростатическое поле внутри проводника может быть использовано для измерения заряда проводника, поскольку заряд проводника пропорционален напряженности электростатического поля внутри проводника.
Распределение зарядов в неравновесном состоянии
Распределение зарядов в проводнике может изменяться при наличии других зарядов, что приводит к появлению электростатических сил и токов. Это происходит в том случае, когда на проводник подается электрический заряд или проводник находится в электрическом поле.
При подаче заряда на проводник заряды начинают перемещаться, чтобы достичь равновесия. В результате могут возникнуть токи и напряжения.
Распределение зарядов внутри проводника может изменяться в зависимости от формы проводника, его размеров, заряда и других параметров.
Распределение зарядов в неравновесном состоянии может иметь различные практические применения. Например, в электронике это используется для создания различных электронных устройств, таких как конденсаторы, диоды, транзисторы и другие.
Например, распределение зарядов в конденсаторе может происходить в неравновесном состоянии, когда на пластины конденсатора подается электрический заряд. В таком случае, заряды начинают накапливаться на поверхности пластин, и поляризация проводника вызывает перераспределение зарядов внутри проводника.
При подключении конденсатора к источнику постоянного тока и его зарядке, заряды будут двигаться от одной пластины к другой, пока на пластинах не установится разность потенциалов, равная напряжению источника. Если конденсатор разрядится, то произойдет обратный процесс и заряды начнут перемещаться обратно к первоначальной пластине.
Таким образом, в неравновесном состоянии распределение зарядов в конденсаторе будет зависеть от внешнего источника, который обеспечивает энергию для зарядки или разрядки конденсатора.
Кроме того, распределение зарядов может использоваться в научных исследованиях для изучения свойств проводников и электростатических полей. Также это может иметь практическое применение в области электростатической защиты, где изменение распределения зарядов может использоваться для снижения электростатического заряда и предотвращения возникновения дисперсных разрядов.
Использование распределения зарядов для измерения потенциала и заряда проводников
Одним из примеров практического применения распределения зарядов является использование эффекта Холла. Этот эффект возникает при прохождении электрического тока через полупроводниковый материал, находящийся в магнитном поле.
При этом заряды в полупроводнике начинают отклоняться в сторону, что приводит к накоплению зарядов на боковых гранях образца. Таким образом, распределение зарядов в полупроводнике может использоваться для измерения магнитного поля.
Другим примером практического применения распределения зарядов является использование электростатических сил для манипулирования частицами на микро- и наноуровне.
Например, в нанотехнологиях можно использовать электрические поля для управления движением наночастиц, создания узоров на поверхности материала и т.д.
Также распределение зарядов может быть использовано для измерения заряда молекул и атомов, а также для создания электронных компонентов, таких как конденсаторы и транзисторы.
В целом, распределение зарядов играет важную роль во многих областях науки и техники, и является одним из основных понятий электростатики.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика