Направление электрического тока в цепи и его движение

Содержание:

Что такое электрический ток

Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов.

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

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

В полупроводниках электроны и дырки несут заряд.

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

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

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

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

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

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

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

Природа электрического тока

Атомы состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. У последних заряд отрицательный. Ядро включает в себя частицы, заряженные положительно (протоны), и нейтральные (нейтроны). Обычно атом не имеет заряда, однако если по каким-то причинам электроны покидают орбиту, то он теряет свою нейтральность и становится ионом, заряженным положительно.

Движущиеся электроны создают электрический ток. Он возникает при наличии упорядоченного перемещения зарядов. Сила тока в цепи выражается количеством электронов, переместившихся через фиксированное поперечное сечение проводника за единицу времени. Эта величина обозначается символом «I». Он применяется уже много десятилетий. Такое обозначение является традиционным.

Понятие электрического тока ввел французский физик Ампер

В радиосхемах обычно рассматривается движение зарядов по проводникам или по полупроводникам. Особенностью металлов считается то, что электроны отрываются от атомов относительно легко. Они движутся под действием электрополя, которое образуется благодаря разности потенциалов на клеммах источника электротока. Определить, каково направление электрического тока можно по правилу Ампера.

Правило Ампера

Виды токов

Сила постоянного тока с течением времени не изменяется. В этом случае после включения заряд перемещается по проводнику с одной и той же скоростью. Поэтому определение направления тока осуществляется по простым правилам.

В электротехнике распространено использование переменного тока. В этом случае речь идёт о его циклическом изменении, которое происходит по синусоидальному закону. При этом электрический ток меняет и направление, и величину.

Например, в нашей сети электропитания ток имеет частоту 50 Гц и соответствует амплитуде изменения напряжения 220 В. Но в различных странах используется бытовая электросеть с другими параметрами. При этом направление силы тока будет всегда меняться циклически.

Отличия между переменным и постоянным электротоком

Иногда дополнительно выделяют пульсирующий ток. Он сохраняет свой знак, но периодически меняет абсолютную величину. Также возможно существование электротока, который носит произвольный характер. В таком случае силу и направление тока предсказать невозможно.

Графики различных видов тока

Надо заметить, что в проводниках движение электронов существует всегда. Оно становится направленным под действием электрополя. Однако и при этом движение в значительной степени сохраняет хаотичность. Просто при перемещении электронов возникает преимущественное направление тока. Оно выражено тем сильнее, чем больше прилагаемая разность потенциалов. Определить направление тока в проводнике можно по обычному правилу.

Ток может возникать не только в твёрдых телах, но и в газах или жидкостях. В первом случае атомы привязаны друг к другу, поэтому свободно перемещаться могут только электроны. В газах и жидкостях атомы способны так же свободно двигаться, как и электроны.

Природа тока в различных средах

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 $rm CuSO_4$
положительные ионы $rm Cu^{2+}$
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.

Будет интересно➡ Токовая отсечка и максимальная токовая защита — В чем отличие?

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 $q$ , прошедшего через поперечное сечение проводника за время $t$ , к этому самому времени:

$I=frac{displaystyle q}{displaystyle t vphantom{1^a}}.$
(1)

Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в $1$ А через поперечное сечение проводника за $1$ с проходит заряд в $1$ 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 $1$
с.

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

$j=frac{displaystyle I}{displaystyle S vphantom{1^a}},$
(2)

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

$j=frac{displaystyle q}{displaystyle St vphantom{1^a}}.$

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

Направление электрического тока

Свободные электроны.. Электрический ток.. Измерение тока.. Амперметр.. Единица силы тока — Ампер.. Направление электрического тока.. Направление движения электронов..

Когда электрическое поле прикладывается к проводнику, свободные электроны (носители отрицательного заряда) начинают дрейфовать в соответствии с направлением электрического поля – возникает электрический ток.
Движение электронов означает движение отрицательных зарядов, следовательно, – электрический ток являетсямерой количества электрического заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Измерение тока
Единица силы тока Кулон в секунду в системе СИ имеет конкретное название Ампер (А) – в честь знаменитого французского ученого Андре-Мари Ампера (на фото в заголовке статьи).

В международной системе СИ единица измерения заряда – Кулон, а единица времени – секунда. Поэтому единица силы тока – Кулон в секунду (Кл/сек).

Как мы знаем, величина отрицательного электрического заряда электрона -1,602 • 10-19 Кулона. Поэтому один Кулон электрического заряда состоит из 1 / 1,602 • 10-19 = 6,24 • 1018 электронов. Следовательно, если 6,24 • 1018 электронов пересекает поперечное сечение проводника за одну секунду, то величина такого тока равна одному амперу.

Для измерения силы тока существует измерительный прибор — амперметр.

Амперметр включается в электрическую цепь (рис. 1) последовательно с тем элементом цепи, силу тока в котором необходимо измерить. При подключении амперметра нужно соблюдать полярность: «плюс» амперметра подключается к «плюсу» источника тока, а «минус» амперметра — к «минусу» источника тока.

Направление электрического тока

Если в электрической цепи, показанной на рис. 1 замкнуть контакты выключателя, то по этой цепи потечет электрический ток. Возникает вопрос: «А в каком направлении?»

Мы знаем, что электрическим током в металлических проводниках называется упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц – электронов (в других средах это могут быть ионы или ионы и электроны).

Отрицательно заряженные электроны во внешней цепи двигаются от минуса источника к плюсу (одноименные заряды отталкиваются, противоположные — притягиваются), что хорошо иллюстрирует рис.

Выбор направления тока, противоположного истинному, иначе как парадоксальным назвать нельзя, но объяснить причины такого несоответствия можно, если проследить историю развития электротехники.

Дело в том, что электрические заряды стали изучать задолго до того, как были открыты электроны, поэтому природа носителей заряда в металлах была еще неизвестна.

Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл американский ученый и политический деятель Бенджамин Франклин.

В своей работе «Опыты и наблюдения над электричеством» (1747 г.) Франклин предпринял попытку теоретически объяснить электрические явления. Именно он первым высказал важнейшее предположение об атомарной, «зернистой» природе электричества: «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно мелкими».

Франклин полагал, что тело, которое накапливает электричество, заряжается положительно, а тело, теряющее электричество, заряжается отрицательно. При их соединении избыточный положительный заряд перетекает туда, где его недостает, то есть к отрицательно заряженному телу (по аналогии с сообщающими сосудами).

Эти представления о движении положительных зарядов широко распространились в научных кругах и вошли в учебники физики. Так и получилось, что действительное направление движения электронов в проводнике противоположно принятому направлению электрического тока.

После открытия электрона ученые решили оставить все как есть, поскольку пришлось бы очень многое изменять (и не только в учебниках), если указывать истинное направление тока. Также это связано и с тем, что знак заряда практически ни на что не влияет, пока все используют одно и то же соглашение.

Как определяется в проводе, способы

Наличие тока в проводнике нельзя определить визуально. Способы его обнаружения основываются на его воздействии на окружающую среду:

Будет интересно➡ Постоянный ток - определение и параметры

1. Тепловое воздействие. Если ток протекает через провод, то последний будет нагреваться. Это свойство реализуется в лампах накаливания (вольфрамовая нить накаляется и светится при пропускании через нее тока), утюгах и электроплитах. Такой тип воздействия описывается законом Джоуля-Ленца:

Q=I2·R·∆t, где Q — количество теплоты, Дж; I — сила тока, А; R — сопротивление, Ом;∆t — время прохождения тока, с.

2. Химическое воздействие. Это свойство часто применяется в различных растворах. При пропускании тока через подкисленную воду она распадается на составляющие: водород и кислород. Если пропустить ток через раствор медного купороса, в нем выделятся положительные ионы меди. На химическом воздействии основан электролиз, используемый в гальванопластике, для получения алюминия и др.

3. Магнитное воздействие основано на том, что движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле. Отметим, что это утверждение справедливо и в случае постоянного тока, и в случае переменного.

Обнаружить ток можно, поместив рядом два провода. При прохождении тока проводники начнут либо притягиваться друг к другу, либо отталкиваться. Если векторы плотности тока являются сонаправленными, провода начнут сближаться, если противоположно направлены — отталкиваться.

На явлении магнетизма основана работа электромагнитов. Простейший электромагнит представляет собой катушку, сердечник которой выполнен из ферромагнитного материала, а по обмотке протекает электрический ток. В результате возникает магнитное поле.

Как найти направление тока, формула, правило буравчика

Магнитное поле, возникающее при протекании электрического тока в проводнике, характеризуется магнитной индукцией B→.

Величина индукции, появившейся под действием постоянного электрического тока, определяется законом Био-Савара-Лапласа. Формула в векторной форме для элемента ∆l проводника с током I имеет вид:

Формула 4

ΔB→=μ04π·I·Δl→×r→r3,

где ΔB→ — индукция, создаваемая в некоторой точке, Тл;

r→ — радиус-вектор, проведенный от элемента Δl к точке, в которой необходимо найти индукцию, м;

μ0 — магнитная постоянная, равная 4π·10-7Гн/м.

Запись закона в скалярной форме будет зависеть от формы проводника (прямой провод, соленоид и т.д.).

Направления составляющих векторного произведения можно определить по правилу буравчика.

Правило 1

Правило буравчика для элемента проводника. Направление вектора B в заданной точке будет совпадать с поступательным движением ручки буравчика, если вращать буравчик в сторону наименьшего угла от вектора Δl→ к вектору r→.

Из правила буравчика можно сделать вывод о том, что вектор B всегда лежит в плоскости, перпендикулярной направлению тока.

При протекании тока по проводнику линии индукции B охватывают проводник, сформулируем правило буравчика и правило правой руки для этого случая.

Правило 2

Правило буравчика для проводника с током. Буравчик направить так, чтобы при совершении оборота направление вращения совпадало с направлением линий магнитного поля. Направление тока в этом случае будет совпадать с поступательным движением буравчика.

Правило 3

Правило правой руки. Ладонью правой руки охватывают проводник так, чтобы четыре пальца совпадали с силовыми линиями магнитного поля. Отогнутый большой палец укажет направление движения зарядов.

В соленоиде направление линий магнитного поля и тока также определяются по правилу буравчика: если ток в витках направлен по часовой стрелке, вектор В направлен вниз, если против — вверх.

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 $300000$
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 $300000$
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 $I$
через скорость $v$
направленного движения зарядов проводника.

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

Куда течет ток и как определить его направление?

Рис. 2. К выводу формулы $I = envS$

Какой заряд $q$ пройдёт через поперечное сечение $AB$ нашего проводника за время $t$ ?

С одной стороны, разумеется,

$q = It.$
(3)

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

$N = nV_{ABCD} = nSvt.$

Следовательно, их общий заряд будет равен:

$q = eN = enSvt.$
(4)

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

$I = envS.$
(5)

Соответственно, плотность тока оказывается равна:

$j = env.$

Давайте в качестве примера посчитаем, какова скорость движения свободных электронов в медном проводе при силе тока $1$ A.

Будет интересно➡ Что такое электролиз и где он применяется на практике

Заряд электрона известен: $e = 1,6 cdot 10^{-19}$ 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:

$n=frac{displaystyle N}{displaystyle V vphantom{1^a}}=frac{displaystyle nu N_A}{displaystyle V vphantom{1^a}}=frac{displaystyle m N_A}{displaystyle mu V vphantom{1^a}}=frac{displaystyle rho N_A}{displaystyle mu vphantom{1^a}} = frac{displaystyle 8900 cdot 6,02 cdot 10^{23}}{displaystyle 0,0635 vphantom{1^a}}approx 8,5 cdot 10^{28}$
м $vphantom{1}^{-3}$

Положим $S = 1$ мм $vphantom{1}^{2}$ . Из формулы (5) получим:

$v=frac{displaystyle 1}{displaystyle enS vphantom{1^a}}=frac{displaystyle 1}{displaystyle 1,6 cdot 10^{-19} cdot 8,5 cdot 10^{28} cdot 10^{-6} vphantom{1^a}}approx 7,4 cdot 10^{-5}$ 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 $U = El$ , где $U$
— напряжение на концах проводника, $E$
— напряжённость стационарного поля в проводнике, $l$
— длина проводника.

ТеорияЧто такое МТЗ ?

ТеорияТиристорный преобразователь частоты