Как создается электрический ток. Что такое электрический ток
Содержание:
Каждому обывателю знакомы на слух электрические величины - ток, напряжение, - от них зависит работа бытовых приборов, но полное понимание определения электротока есть у немногих людей. Показательно сравнение электрического тока с течением реки, только в нем двигаются частицы, имеющие заряд, а в реке - вода. Надо понимать, что ток движется только в одном направлении, для его существования должны быть созданы условия, рассмотрим эти процессы подробней.
Основные определения
Электричество каждый день окружает нас, но что такое электрический ток и связанные с ним величины - понимает не каждый человек, однако они важны для повседневной жизни. Есть несколько толкований понятия электротока:
- Принятое в школьном учебнике определение, что электрический ток - это движение частиц, имеющих заряд за счет воздействия на них электрического поля. Частицами являются: протоны, дырки, электроны, ионы.
- В электрической литературе высших учебных заведений пишется, что электрический ток это - скорость, с которой заряд изменяется с течением времени. Принимается отрицательный заряд электронов, положительный у протонов и нейтральный у нейтронов.
В электротехнике специалисты отмечают значение такого понятия, как сила тока - это количество частиц, имеющих заряд, которые проходят через сечение проводника с течением времени. Движение тока в проводнике можно описать следующим образом: «…Все токопроводящие материалы имеют внутреннее строение (молекулы, атомы, ядра с вращающимися электронами), когда на материал воздействует химическая реакция, электроны от одного атома перебегают к другому. Создается ситуация, при которой одни атомы испытывают недостаток в электронах, а другие - их избыток, что показывает противоположность заряда. Электроны стремятся к переходу из одного вещества в другое, это движение и есть электрический ток».
Специалисты акцентируют внимание на том, что в этом случае ток течет только до того момента, пока не произойдет уравнивание зарядов в двух веществах.
Для понимания движения тока важно знать определение напряжения - это разность потенциалов, которые берутся в двух точках электрического поля, измеряются в вольтах.
Электрическая энергия
В разных регионах, в частности, и в Украине простой обыватель интересуется: «Що таке електричний струм?», с какой целью он применяется, из чего происходит. Повседневно мы пользуемся электрической энергией, которая представлена переменным током в электрических сетях.
Переменный ток в проводнике - это когда частицы, имеющие заряд за определенный промежуток времени, меняют его по направлению, а также по величине. Графически переменный ток представляется синусоидой. Создается он генераторами, в которых вращаются катушки с проводами и в процессе вращения пересекают магнитное поле. В период вращения катушки могут открываться и закрываться по отношению к магнитному полю, что создает электрический ток, который меняется в проводниках по направлению, а полный цикл проходит за одну минуту.
Вращение генераторов происходит от паровых турбин, имеющих разные источники питания: уголь, газ, атомный реактор, нефть. Далее через систему трансформаторов повышается напряжение тока, через проводники нужного диаметра он переносится без потерь на длительное расстояние. Диаметр провода, по которому проходит ток, определяет его силу и величину, горячими линиями в энергетике называются магистральные линии передачи энергии, есть и заземленные варианты, когда передача электроэнергии происходит под землей.
Где применяется электрический ток?
Именно ток значительно облегчает нам жизнь, создавая комфорт в доме. Он применяется для освещения помещений, улицы, для просушки вещей, в нагревательных элементах электроплиты, в других бытовых приборах и устройствах, выполняет работу подъема гаражных дверей и т.д.
Условия, необходимые для получения электротока
Для существования электротока нужны следующие условия: наличие частиц, имеющих заряд, электропроводный материал, по которому будут двигаться частицы, источник напряжения. Важным условием получения электротока является наличие напряжения, которое определяется разностью потенциалов. Иными словами, сила, создаваемая заряженными частицами отталкивания, в одной точке больше, чем в другой.
Природных источников напряжения не существует, по этой причине вокруг нас равномерно распределяются электроны, но такие изобретения, как батарейки дали возможность накапливать в них электрическую энергию.
Другим важным условием является электрическое сопротивление, или проводник, по которому будут двигаться частицы, имеющие заряд. Материалы, в которых это действие возможно, называются электропроводными, а те, в которых нет свободного движения электронов, - изоляторами. Обыкновенный провод имеет проводящую металлическую жилу и изолирующую оболочку.
Электроток в проводниках
В любом проводнике есть носители электрического заряда, которые приходят в движение под воздействием силы поля, создаваемого электрической машиной.
Металлические проводники переносят заряд при помощи электронов. Чем выше температура проводника и нагрев провода, тем хуже протекает ток, так как в нем начинается хаотическое движение атомов от теплового воздействия, увеличивается сопротивление проводящего материала. Чем ниже температура проводника (в идеале - стремление к нулю), тем меньше его сопротивление.
Жидкости могут проводить электроток при помощи ионов (электролиты). Перемещение происходит к электроду, имеющему противоположный с ионом знак, и, оседая на нем, ионы осуществляют процесс электролиза. Анионы - положительно заряженные ионы, двигающиеся к катоду. Катионы - ионы, имеющие отрицательный заряд, двигаются к аноду. В процессе нагревания электролита уменьшается его сопротивление.
Газ также имеет проводимость, электроток в нем - плазма. Движение происходит при помощи заряженных ионов или свободных электронов, которые получаются в процессе излучения.
Электронно-лучевая трубка - это пример электротока в вакууме от стержня катода к стержню анода.
Электроток в полупроводниках
Для понимания прохождения тока в этом материале дадим ему определение. Полупроводник - промежуточный материал между проводником и изолятором, зависит от удельной проводимости, наличия в нем примесей, температурного состояния и воздействующего на него излучения. Чем ниже температура, тем больше сопротивление полупроводника, свойства его влияют на измерения характеристик. Электроток в полупроводнике - это сумма электронного и дырочного тока.
Когда повышается температура полупроводника, происходит разрыв ковалентных связей от действия тепловой энергии на валентные электроны, образуются свободные электроны, в точке разрыва получается дырка. Она занимается валентным электроном другой пары, а сама перемещается далее в кристалле. Когда свободный электрон встречается с дыркой, между ними происходит рекомбинация, восстановление электронных связей. Когда на полупроводник воздействуют энергией электромагнитного излучения, появляются в нем электронно-дырочные пары.
Законы электрического тока
В электротехнике применяются основные законы, которые дают определение электрического тока. Один из главнейших - закон Ома, особенностью которого является быстрота передачи энергии без изменения ее формы из одной точки в другую.
Этот закон показывает связь между напряжением и силой тока, а также сопротивлением проводника или участка цепи. Сопротивление измеряется в омах.
Работу электротока определяют законом Джоуля-Ленца, который говорит о том, что в любой точке цепи ток выполняет работу.
Фарадей открыл магнитную индукцию, а также опытным способом установил, что при пересечении линии магнитной индукции поверхностью замкнутого проводника в нем появляется электроток. Он вывел закон электромагнитной индукции:
Не замкнутые проводники, пересекающие линии магнитного поля, получают на концах напряжение, что говорит о появлении ЭДС индукции. Если магнитный поток неизменен и пересекает замкнутый контур, то в нем не возникает электротока. ЭДС индукции замкнутого контура, когда меняется магнитный поток, равен модулю его скорости изменения.
Вывод
Когда по проводнику протекает электрический ток, он его нагревает, по этой причине необходимо соблюдать меры безопасности, работая с электрическими приборами и устройствами. Нельзя допускать перегрузки линии передачи энергии, она может нагреться, и возникнет пожар. Электроток всегда движется по пути наименьшего сопротивления.
В момент появления КЗ (короткого замыкания) ток в разы возрастает, происходит моментальное выделение огромного теплового значения, которое плавит металл. Электрический ток может вызвать ожоги на теле человека или животного, но применяется в реанимационных установках, для депрессивных решений и лечения заболеваний.
По правилам электробезопасности ощутимый человеком ток наступает с величины один миллиампер, а опасным для здоровья считается ток с 0,01 ампера, смертельной величиной определена сила тока в 0,1 ампера. Безопасное напряжение для человека - 12-24-32-42 вольта.
В настоящей статье показано, что в современной физике представление об электрическом токе мифологизировано и не имеет доказательств его современной интерпретации.
С позиций эфиродинамики обосновывается представление электрического тока как потока фотонного газа и условия его существования.
Введение. В истории науки XIX век назвали веком электричества. Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так изменившей мир, начался с гальванического элемента — первой батарейки, химического источника тока (вольтова столба) и открытия электрического тока. Исследования электрического тока, производившиеся в большом масштабе в первые годы XIX в. дали толчок проникновению электричества во все сферы жизнедеятельности человека. Современная жизнь немыслима без радио и телевидения, телефона, смартфона и компьютера, всевозможных осветительных и нагревательных приборов, машин и устройств, в основе которых лежит возможность использования электрического тока.
Однако, широкое использование электричества с первых дней открытия электрического тока находится в глубоком противоречии его теоретическому обоснованию. Ни физика XIX в., ни современная не могут ответить на вопрос: что такое электрический ток? Например, в нижеприведенном утверждении из “Британской энциклопедии” :
“Вопрос: “Что такое электричество?”, как и вопрос: “Что такое материя?”, лежит за пределами сферы физики и принадлежит сфере метафизики”.
Первые, получившие широкую известность, опыты с электрическим током были проведены итальянским физиком Гальвани в конце XVIII в. Другой итальянский физик Вольта создал первое устройство, способное давать длительный электрический ток, – гальванический элемент. Вольта показал, что соприкосновение разнородных металлов приводит их в электрическое состояние и что от присоединения к ним жидкости, проводящей электричество, образуется непосредственное течение электричества. Ток, получающийся в названном случае, называется гальваническим током и само явление гальванизмом. При этом, ток в представлении Вольта это движение электрических жидкостей — флюидов.
Существенный сдвиг в понимании сущности электрического тока был сделан
М. Фарадеем. Им было доказана тождественность отдельных видов электричества, происходящих от различных источников. Наиболее важными работами стали эксперименты по электролизу . Открытие было воспринято как одно из доказательств того что движущееся электричество фактически идентично электричеству, обусловленному трением, т. е. статическому электричеству. Его серия остроумных экспериментов по электролизу послужила убедительным подтверждением идеи, суть которой сводится к следующему: если вещество по своей природе имеет атомную структуру, то в процессе электролиза каждый атом получает определенное количество электричества.
В 1874 году ирландский физик Дж. Стоней (Стони) выступил в Белфасте с докладом, в котором использовал законы электролиза Фарадея как основу для атомарной теории электричества. По величине полного заряда, прошедшего через электролит, и довольно грубой оценке числа выделившихся на катоде атомов водорода Стоней получил для элементарного заряда число порядка 10 -20 Кл (в современных единицах). Этот доклад не был полностью опубликован вплоть до 1881 года, когда немецкий ученый
Г. Гельмгольц в одной из лекций в Лондоне отметил, что если принять гипотезу атомной структуры элементов, нельзя не прийти к выводу, что электричество также разделяется на элементарные порции или «атомы электричества». Этот вывод Гельмгольца, по существу, вытекал из результатов Фарадея по электролизу и напоминал высказывание самого Фарадея. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории.
В 1891 году Стоней, который поддерживал идею, что законы электролиза Фарадея означают существование естественной единицы заряда, ввел термин – «электрон» .
Однако, вскоре термин электрон, введенный Стонеем, теряет свою первоначальную сущность. В 1892 году Х. Лоренц формирует собственную теорию электронов. По его утверждению электричество возникает при движении крохотных заряженных частиц – положительных и отрицательных электронов.
В конце XIX в. начала развиваться электронная теория проводимости. Начала теории дал в 1900 г. немецкий физик Пауль Друде. Теория Друде вошла в учебные курсы физики под именем классической теории электропроводимости металлов. В этой теории электроны уподобляются атомам идеального газа, заполняющего кристаллическую решетку металла, а электрический ток представляется как поток этого электронного газа.
После представления модели атома Резерфорда, серии измерений величины элементарного заряда в 20-х годах ХХ ст. в физике окончательно сформировалось представление об электрическом токе, как потоке свободных электронов, структурных элементов атома вещества.
Однако, модель свободных электронов оказалась несостоятельной при объяснении сущности электрического тока в жидких электролитах, газах и полупроводниках. Для поддержки существующей теории электрического тока были введены новые носители электрического заряда – ионы и дырки.
На основании выше изложенного, в современной физике сформировалось окончательное по современным меркам понятие : электрический ток это направленное движение носителей электрических зарядов (электронов, ионов, дырок и т. п.).
За направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов; если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (напр., электронами), то направление тока считают противоположным движению частиц.
Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени. Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий: — наличие в среде свободных электрических зарядов; — создание в среде электрического поля.
Однако, данное представление электрического тока оказалось несостоятельным при описании явления сверхпроводимости. Кроме того, как выяснилось, существует много противоречий в указанном представлении электрического тока при описании функционирования практически всех типов электронных приборов. Необходимость интерпретации понятия электрический ток в разных условиях и в разных типах электронных приборах с одной стороны, а также непонимание сущности электрического тока с другой, заставило современную физику сделать из электрона – носителя электрического заряда, “фигаро” (“свободный”, “быстрый”, “выбитый”, “испущенный ”, “тормозной ”, “релятивистский”, “фото”, “термо” и т. п.), что окончательно завело вопрос “что такое электрический ток?” в тупик.
Значимость теоретического представления электрического тока в современных условиях значительно выросла не только из-за широкого применения электричества в жизнедеятельности человека, но и из-за высокой стоимости и технической целесообразности, например, научных мегапроектов , реализуемых всеми развитыми странами мира, в которых понятие электрического тока играет существенную роль.
Эфиродинамическая концепция представления электрического тока. Из выше приведенного определения следует, что электрический ток это направленное движение носителей электрических зарядов . Очевидно, что вскрытие физической сущности электрического тока находится в решении проблемы физической сущности электрического заряда и того, что является носителем этого заряда.
Проблема физической сущности электрического заряда это не решенная проблема, как классической физикой, так и современной квантовой на протяжении всей истории развития электричества. Решение этой проблемы оказалось возможным только с использованием методологии эфиродинамики , новой концепции физики XXI в..
Согласно эфиродинамическому определению : электрический заряд это мера движения потока эфира… . Электрический заряд это свойство присущее всем элементарным частицам и только. Электрический заряд это величина знакоопределенная, т. е. всегда положительная.
Из указанной физической сущности электрического заряда следует некорректность выше представленного определения электрического тока в части того, что ионы, дырки и т. п. не могут быть причиной электрического тока в связи с тем, что не являются носителями электрического заряда, так как не являются элементами организационного уровня физической материи – элементарные частицы (согласно определению).
Электроны, как элементарные частицы имеют электрический заряд, однако, согласно определению : являются одной из основных структурных единиц вещества, образуют электронные оболочки атомов , строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических и химических свойств вещества, не могут быть подвижными (свободными) носителями электрического заряда. Свободный электрон это миф, созданный современной физикой для интерпретации понятия электрический ток, не имеющий ни одного практического или теоретического доказательства. Очевидно, что, как только “свободный” электрон покинет атом вещества, образуя электрический ток, непременно должны произойти изменения физико-химических свойств этого вещества (согласно определению), чего в природе не наблюдается. Это предположение было подтверждено опытами немецкого физика Карла Виктора Эдуарда Рикке : “прохождение тока через металлы (проводники первого рода) не сопровождается химическим изменением их.” В настоящее время, зависимость физико-химических свойств вещества от наличия того или иного электрона в атоме вещества хорошо изучена и подтверждена экспериментально, например, в работе .
Также существует ссылка на опыты , выполненные впервые в 1912 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, но не опубликованные ими. Четыре года спустя (1916 г.) Р. Ч. Толмен и Т. Д. Стюарт опубликовали результаты своих опытов, оказавшихся аналогичными опытам Мандельштама и Папалекси. В современной физике эти опыты служат непосредственным подтверждением того, что переносчиками электричества в металле следует считать свободные электроны.
Для того, чтобы понять некорректность этих опытов, достаточно рассмотреть схему и методику опыта , в котором в качестве проводника использовалась катушка индуктивности, которая раскручивалась вокруг своей оси и резко останавливалась. Катушка с помощью скользящих контактов была подключена к гальванометру , который регистрировал возникновение инерционной ЭДС. Фактически можно сказать, что в данном опыте роль сторонних сил, создающих ЭДС, играла сила инерции, т. е. если в металле есть свободные носители заряда, обладающие массой, то они должны подчиняться закону инерции . Утверждение “они должны подчиняться закону инерции ” ошибочно в том плане, что согласно уровневому подходу в организации физической материи , электроны, как элементы уровня “элементарные частицы“ подчиняются только законам электро- и газодинамики, т. е. законы механики (Ньютона) к ним не применимы.
Для убедительности этого предположения рассмотрим известную задачу 3.1: вычислить отношение электростатической (Fэ) и гравитационной (Fгр) сил взаимодействия между двумя электронами, между двумя протонами.
Решение: для электронов Fэ / Fгр = 4·10 42 , для протонов Fэ / Fгр = 1,24·10 36 , т.е. влияние гравитационных сил настолько мало, что принимать их во внимание не приходится. Данное утверждение справедливо и для сил инерции.
Это значит, что выражение для ЭДС (предложенное Р. Ч. Толменом и Т. Д. Стюартом), исходя из ее определения через сторонние силы F стор , действующие на заряды внутри проводника, подвергшегося торможению:
ε = 1/e ∫F стор ∙dl,
некорректно в своей постановке, ввиду того, что F стор → 0.
Тем не менее, в результате опыта наблюдалось кратковременное отклонение стрелки гальванометра, которое требует объяснения. Для понимания этого процесса следует обратить внимание на сам гальванометр, в качестве которого был использован так называемый баллистический гальванометр . Его инструкция по использованию имеет такой вариант.
Баллистический гальванометр может использоваться в качестве веберметра (т.е. измерять магнитный поток через замкнутый проводник, например катушку), для этого к контактам баллистического гальванометра подключают индуктивную катушку , которую помещают в магнитное поле . Если после этого резко убрать катушку из магнитного поля или повернуть так чтобы ось катушки была перпендикулярна силовым линиям поля, то можно измерить заряд прошедший через катушку, вследствие электромагнитной индукции , т.к. изменение магнитного потока пропорционально прошедшему заряду, проградуировав соответствующим образом гальванометр, можно определять изменение потока в веберах .
Из выше изложенного очевидно, что использование баллистического гальванометра в качестве веберметра соответствует методике опыта Р. Ч. Толмена и Т. Д. Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах. Открытым остается вопрос об источнике магнитного поля, которым, например, могло быть магнитное поле Земли. Влияние внешнего магнитного поля Р. Ч. Толменом и Т. Д. Стюартом во внимание не принималось и не исследовалось, что и привело к мифологизации результатов опыта.
Сущность электрического тока. Из выше изложенного следует, что ответом на вопрос, что такое электрический ток? также является решение проблемы носителя электрического заряда. На основании существующих представлений этой проблемы можно сформулировать ряд требований, которым должен удовлетворять носитель электрического заряда. А именно: носитель электрического заряда должен быть элементарной частицей; носитель электрического заряда должен быть свободным и долгоживущим элементом; носитель электрического заряда не должен разрушать структуру атома вещества.
Не сложный анализ существующих фактов позволяет сделать вывод, что выше указанным требованиям удовлетворяет только один элемент уровня “элементарные частицы” физической материи: элементарная частица – фотон .
Совокупность фотонов вместе со средой (эфиром), в которой они существуют, образуют фотонный газ.
Принимая во внимание физическую сущность фотона и выше приведенные сведения можно дать следующее определение:
электрический ток это поток фотонного газа, предназначенный для переноса энергии.
Для понимания механизма движения электрического тока рассмотрим известную модель транспортировки газа метана . Упрощенно она включает в себя магистральный трубопровод, который доставляет газ метан от газового месторождения к месту потребления. Для перемещения газа метана по магистральному трубопроводу необходимо выполнение условия – давление газа метана в начале трубопровода должно быть больше давления газа метана в его конце.
По аналогии с транспортировкой газа метана рассмотрим схему движения электрического тока, состоящую из батареи (источника электрического тока), имеющей два контакта “+” и “-“ и проводника. Если к контактам батареи подсоединить металлический проводник, то получим модель движения электрического тока, подобную транспортировке газа метана.
Условием существования электрического тока в проводнике по аналогии с моделью транспортировки газа метана является наличие: источника (газа) повышенного давления, т. е. источника высокой концентрации носителей электрического заряда; трубопровода – проводника; потребителя газа, т. е. элемента, обеспечивающего снижение давления газа, т. е. элемента (сток), обеспечивающего уменьшение концентрации носителей электрического заряда.
Отличием электрических схем от газо-, гидро- и др. является то, что конструктивно источник и сток исполняются в одном узле (химическом источнике тока-батарее, электрогенераторе и т. п.). Механизм протекания электрического тока заключается в следующем: после подсоединения проводника к батарее, например, химическому источнику тока , в зоне контакта “+” (анод) происходит химическая реакция восстановления, в результате которой осуществляется генерация фотонов, т. е. образуется зона повышенной концентрации носителей электрического заряда. В это же время, в зоне контакта “-“ (катода) под воздействием фотонов, оказавшихся в этой зоне в результате перетока по проводнику, происходит реакция окисления (потребления фотонов), т. е. образуется зона пониженной концентрации носителей электрического заряда. Носители электрического заряда (фотоны) из зоны высокой концентрации (источника) движутся по проводнику в зону низкой концентрации (стоку). Таким образом, сторонней силой или электродвижущей силой (ЭДС), обеспечивающей электрический ток в цепи является разность концентрации (давления) носителей электрического заряда (фотонов), образующейся в результате работы химического источники тока.
Это обстоятельство еще раз подчеркивает справедливость основного вывода энергодинамики , согласно которому силовые поля (и в том числе электрическое поле) создается не массами, зарядами и токами самими по себе, а их неравномерным распределением в пространстве.
Исходя из рассмотренной сущности электрического тока, очевидна абсурдность опыта Р. Ч. Толмена и Т. Д. Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах. Способа генерации фотонов за счет изменения скорости механического движения какого-либо макроскопического тела в природе в настоящее время не существует.
Интересным аспектом выше изложенного представления электрического тока является его сравнение с представлением понятия “свет”, рассмотренного в работе : свет это поток фотонного газа… . Указанное сравнение позволяет сделать вывод: свет это электрический ток. Различие в этих понятиях заключается только в спектральном составе фотонов, образующих свет или электрический ток, например, в металлических проводниках. Для более убедительного понимания этого обстоятельства рассмотрим схему генерации электрического тока с помощью солнечной батареи. Поток солнечного света (фотонов видимого диапазона) от источника (солнце) достигает солнечной батареи, которая преобразует падающий поток света в электрический ток (поток фотонов), который по металлическому проводнику поступает потребителю (сток). В данном случае солнечная батарея выполняет роль преобразователя спектра потока фотонов, излучаемого солнцем в спектр фотонов электрического тока в металлическом проводнике.
Выводы . В современной физике не существует доказательств, что электрический ток это направленное движение электронов или каких-либо других частиц. Напротив, современные представления об электроне, электрическом заряде и опыты Рикке показывают на ошибочность данного понятия электрического тока.
Обоснование совокупности требований к носителю электрического заряда, с учетом его эфиродинамической сущности, позволили установить, что электрический ток это поток фотонного газа, предназначенный для переноса энергии.
Движение электрического тока осуществляется из зоны высокой концентрации фотонов (исток) в зону низкой концентрации (сток).
Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение трех условий: поддержание (генерация) высокой концентрации фотонов в зоне истока, наличие проводника, обеспечивающего переток фотонов и создание зоны потребления фотонов в области стока.
Электричество Электрон.
Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов
Направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.
Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).
Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. - Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. - Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.
В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.
В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест - дырок.
За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.
На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE , которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.
На рисунке показано, что вектор силы F - = -qE , действующей на отрицательный заряд -q , направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.
Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:
I = Q/t .
Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m 2:
Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ 1 и φ 2 между этими точками из расчёта:
U = A/Q = φ 1 - φ 2
Электрический ток может быть постоянным или переменным.
Постоянный ток - электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.
Переменный ток - электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.
Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R
и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U
на концах этого проводника и его сопротивления R
:
Электрический ток в проводниках
В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.
В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.
Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. - Электролиз.
Анионы - положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду - катоду.
Катионы - отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду - аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.
Электрический ток в газах - плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.
Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах - лампах.
Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники - изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I
в полупроводнике складывается из электронного I n
и дырочного I p
токов.
К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
Сегодня трудно представить жизнь без такого явления, как электричество, а ведь использовать его в своих целях человечество научилось не так уж и давно. Изучение сущности и характеристик этого особого вида материи заняло несколько столетий, однако и в настоящее время нельзя с уверенностью сказать, что мы знаем о нем абсолютно все.
Понятие и сущность электрического тока
Электрический ток, как известно еще из школьного курса физики, есть не что иное, как упорядоченное движение каких-либо заряженных частиц. В качестве последних могут выступать как отрицательно заряженные электроны, так и ионы. Считается, что данный вид материи может возникнуть только в так называемых проводниках, однако это далеко не так. Все дело в том, что при соприкосновении любых тел всегда возникает определенное количество противоположно заряженных частиц, которые могут начать передвигаться. В диэлектриках свободное передвижение тех же электронов очень сильно затруднено и требует огромных внешних усилий, поэтому и говорят, что они электрический ток не проводят.
Условия существования тока в цепи
Ученые уже достаточно давно заметили, что данное физическое явление не может возникнуть и длительное время удерживаться само по себе. Условия существования электрического тока включают в себя несколько важнейших положений. Во-первых, это явление невозможно без наличия свободных электронов и ионов, которые и исполняют роль передатчиков зарядов. Во-вторых, чтобы эти элементарные частицы начали упорядоченно двигаться, необходимо создать поле, основным признаком которого является разность потенциалов между любыми точками электрика. Наконец, в-третьих, электрический ток не может существовать длительное время только под воздействием кулоновских сил, так как постепенно потенциалы будут выравниваться. Именно поэтому необходимы определенные компоненты, являющиеся преобразователями различных видов механической и тепловой энергии. Их принято называть источниками тока.
Вопрос об источниках тока
Источники электрического тока представляют собой специальные устройства, которые генерируют электрическое поле. К важнейшим из них можно отнести гальванические элементы, солнечные батареи, генераторы, аккумуляторы. характеризуются своей мощностью, производительностью и длительностью работы.
Сила тока, напряжение, сопротивление
Как и любое другое физическое явление, электрический ток имеет целый ряд характеристик. К важнейшим из них относится его сила, напряжение цепи и сопротивление. Первая из них представляет собой количественную характеристику заряда, который проходит через сечение того или иного проводника в единицу времени. Напряжение (называемое также электродвижущей силой) есть не что иное, как величина разности потенциалов, за счет которой проходящий заряд совершает определенную работу. Наконец, сопротивление - это внутренняя характеристика проводника, показывающая, какую силу должен затратить заряд на прохождение по нему.
Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.
И так будем разбираться во всем по порядку.
Электричество
Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.
Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.
Данное явление называется статическим электричеством . Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.
Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.
Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.
Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10 -19 Кл (Кулон). Обозначается е или е – .
Напряжение
Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение . Единица измерения напряжения – Вольт (В или V ). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V . Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).
Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд , высота водяного столба (давление) – это напряжение , а скорость потока воды – это электрический ток .
Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.
Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).
Электрический ток
Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками . А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками .
Единица измерения силы тока – Ампер (А ). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I . Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·10 18 электронов) за 1 секунду.
Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.
Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление .
Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением , током и сопротивлением . Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.
Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение . Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение . Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io ) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц .
Сопротивление
Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω ). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R . Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.
Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.
На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.
Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.
Мощность
Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.
Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.
Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W ). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P . Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность , единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A ), обозначается буквой S .
И в завершение про Электрическую цепь . Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.
Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями 4.59 (220 Голосов)
