Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.ru

Электрический ток

Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2015-07-05

ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК.

§1. Электрический ток. Сила тока.

Определение. Электрическим током называется направленное движение электрических зарядов.

Электрический ток в металлах, создается упорядоченным движением свободных электронов, ток в электролитах, осуществляется упорядоченным движением ионов, ток в газах – движением  ионов и электронов.

Согласно электронной теории при объединении атомов в металлический кристалл слабее всего связанные с атомом (так называемые валентные) электроны отщепляются от атомов и начинают свободно перемещаться по всему металлическому телу. Эти электроны называются свободными или электронами проводимости. Они совершают хаотическое движение подобное движению молекул газа. Поэтому совокупность свободных электронов в металлах называют электронным газом.

Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле, то на беспорядочное тепловое движение свободных электронов накладывается направленное движение под действием сил электрического поля — так называемый дрейф электронов, что и обусловливает электрический ток.

Так как носителями электрического тока являются электроны, то проводимость металлических проводников носит название электронной проводимости.

Направлением электрического тока принято считать направление, в котором упорядоченно движутся  положительные заряды. Свободные электроны и отрицательные ионы движутся в направлении, противоположном направлению тока.

Определение. Силой тока называется скалярная величина , равная отношению заряда Δq, который переносится сквозь площадь поперечного сечения проводника за время Δt, к этому промежутку времени:         

Определение. Постоянным называется электрический ток, сила и направление которого сохраняются с течением времени неизменными.

Для постоянного тока                                             

где q заряд, который переносится сквозь поперечное сечение проводника за время t.

Если сила тока изменяется со временем по синусоидальному закону, ток называется переменным.

Единица силы тока — ампер (А),                                              

                                                              

Сила постоянного тока в металлическом проводнике с площадью поперечного сечения S:            I = enυS,

где      е — элементарный электрический заряд, п — число носителей зарядов (электронов проводимости) в единице объема, υ — средняя скорость упорядоченного движения электронов.

Определение. Вектором плотности тока  называется физическая величина, модуль которой равен отношению силы тока I к площади поперечного сечения проводника S, перпендикулярной к вектору            .

Плотность тока проводимости в металлах        ,

где n — число электронов проводимости в единице объема, е — элементарный электрический заряд, вектор средней скорости упорядоченного движения электронов. Модуль вектора  имеет значения порядка 10-4 м/с при наибольших допустимых плотностях токов.

Плотность тока измеряется в амперах на квадратный метр (А/м2).

Время установления тока в цепи             ,      

где L — длина цепи,   с — скорость света в вакууме, совпадает с временем установления вдоль всей цепи стационарного электрического поля.

§2. Условия существования электрического тока. Электродвижущая сила.

 

Для того, чтобы в проводнике существовал постоянный ток проводимости, необходимо выполнение следующих условий:

а) напряженность электрического поля в проводнике должна быть отлична от нуля и не должна изменяться с течением времени;

б) цепь постоянного тока проводимости должна быть замкнутой;

в) на свободные электрические заряды, помимо кулоновских сил, должны действовать неэлектростатические силы, называемые сторонними силами. Сторонние силы могут быть созданы источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами и др.).

В общем случае работа по перемещению заряда по проводнику на участке от точки 1 до точки 2 в процессе протекания по нему электрического тока совершается кулоновскими и сторонними силами. Полная работа на этом участке А1-2 равна , где  — работа кулоновских сил, работа, которая совершается за счет действия сторонних сил на участке 1-2.

Действие сторонних сил характеризуется электродвижущей силой (ЭДС), которая обозначается. 

Определение. Электродвижущей силой, действующей на участке цепи 1-2, называется физическая величина, равная отношению работы сторонних сил при перемещении на этом участке положительного заряда q, к. значению этого заряда:                       .

§ 3. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводников. Напряжение.

Если в однородном участке цепи (т.е. участке, в котором отсутствуют сторонние силы) создать электрическое поле, то в этом участке возникнет электрический ток. Созданное электрическое поле можно охарактеризовать напряжением U, приложенным к участку цепи, или, что то же самое, разностью потенциалов φ1 - φ2 между концами участка (U= φ1 - φ2)

В 1826 г. был экспериментально установлен закон  Ома.

Закон Ома: сила тока I в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению U, приложенному к участку, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R этого участка (проводника):  

                                                           

Согласно электронной теории сопротивление металлических проводников электрическому току возникает вследствие того, что носители тока - электроны проводимости при своем движении испытывают соударения с ионами кристаллической решетки. При этом движущиеся электроны передают ионам часть своей энергии, приобретенной ими при свободном пробеге в электрическом поле. Энергия, переданная ионам, превращается в энергию беспорядочного колебания ионов (увеличивается амплитуда колебания) т. е. во внутреннюю энергию. Различие в сопротивлении различных металлов объясняется различием средних свободных пробегов электронов и количества свободных электронов в единице объема металла.

Единицей сопротивления в системе единиц СИ служит ом (Ом), равный сопротивлению такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет ток силы 1 А. Величина, обратная ому, называется  сименсом (См).

В случае цилиндрического проводника сопротивление                                      

где 1 — длина проводника, S- площадь его поперечного сечения, ρ — удельное сопротивление материала, из которого изготовлен проводник.

Числовое значение ρ равно сопротивлению проводника, длина которого равна 1 м, а площадь поперечного сечения равна 1 м2. Единица ρ носит название «ом-метр» (Ом ·Ом). Величина, обратная ρ, называется удельной электрической проводимостью материала:   

Единицей проводимости σ служит сименс на метр (См/м).

Наличие примесей в металлическом проводнике увеличивает его удельное сопротивление; например, примеси в меди могут увеличить удельное сопротивление медного провода в несколько раз. В тех случаях, где требуется малое сопротивление проводов, применяется химически чистая медь. Металлические сплавы имеют значительно большее удельное сопротивление, чем чистые металлы, из которых состоят сплавы. Сплавы применяются в тех случаях, где требуется большое сопротивление проводника.

Определение. Напряжением (падением напряжения) U1-2 на участке цепи 1-2 называется физическая величина, численно равная полной работе, которая совершается кулоновскими и сторонними силами при перемещении вдоль участка цепи единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2:

.

Обобщенный закон Ома для  участка цепи принимает вид:                  

где R — сопротивление внешнего участка цепи,  r — сопротивление источника. ЭДС берется со знаком «—», так как выбранное направление силы тока I пересекает источник от «+» к «—»  (в противном случае — наоборот). Потенциалы  точек (φ1, φ2) проставляют в формуле в порядке, соответствующем направлению тока.

§ 4.  Зависимость сопротивления от температуры.

Понятие о полупроводниках.

Сопротивление проводников изменяется при изменении их температуры. С повышением температуры сопротивление металлических проводников увеличивается. Сопротивление угля, растворов и расплавов солей и кислот уменьшается с повышением температуры.

У большинства металлов при не слишком низких температурах сопротивление изменяется пропорционально абсолютной температуре:         

Перейдем от абсолютной температуры к температуре по шкале Цельсия, заменив Т через Т0+t:                               или                                              

где  - величина, называемая  температурным  коэффициентом сопротивления. Легко убедиться в том, - что можно представить в виде              (1)

(ρt — значение ρ при температуре t). Значение , является приближенным. На практике коэффициент определяют по формуле (1), используя экспериментальные значения, полученные для ρt и ρ0.

Некоторые металлы и сплавы при охлаждении до температуры 1—10 К скачком полностью утрачивают сопротивление. Это явление называют  сверхпроводимостью.

Иная, чем у металлов, зависимость сопротивления температуры у  полупроводников. Сопротивление полупроводников при нагревании резко убывает до 3 5% на 1 К повышения температуры, в то время как сопротивление металлов повышается примерно на 0,3% при повышении температуры на 1 К.

К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, теллур, бор, мышьяк, фосфор и некоторые другие элементы и соединения.

Полупроводниковые приборы, действие которых основано на сильной зависимости сопротивления полупроводников от температуры, называются  термисторами  или термосопротивлениями. Приборы, действие которых основано на зависимости сопротивления полупроводников от освещенности называются фотосопротивлениями.

§ 5. Последовательное и параллельное соединение проводников.

Определение. Последовательным называется такое соединение проводников, когда конец одного проводника соединяется с началом другого  

       φ1                 R1                φ2           R2                φ3                                  

При последовательном соединении п проводников через все включенные в цепь проводники проходит ток одной и той же силы (I=сопst), а общее напряжение представляет собой сумму напряжений на отдельных участках:       

                                                                                         U= U1 +U2 +U3 +…..+Uп

Общее сопротивление цепи  при последовательном соединении проводников равно сумме сопротивлений всех отдельных проводников, включенных в цепь.   

                                                        R= R1 +R2 +R3 +….. Rп

При последовательном соединении проводников падение напряжения на проводниках пропорционально сопротивлениям проводников:

U1 :U2 :U3 :Uп =R1 :R2 :R3 :Rп

Определение. Параллельным  называется такое соединение проводников, когда одни концы всех проводников соединяются в один узел, другие концы — в другой (т.е. положительные полюсы с положительными, отрицательные – с отрицательными).

                                                      

                                                     I1            I2               I3                 I4 

                                                       

                       R1                   R2                       R3                  R4

      I                                                                                           

При параллельном соединении в узлах ток разветвляется; сумма сил токов во всех п параллельно соединенных проводниках равна силе тока до и после разветвления:                              I=I1+I2+I3+……In

Напряжение же во всех проводниках одно и то же, равное разности потенциалов в узлах соединения.                

                                       U=U1=U2=U3=………=Un

Общее сопротивление цепи                     

Проводимость всех параллельно соединенных проводников равна сумме проводимостей всех отдельных проводников.

Следовательно, сопротивление всего разветвления меньше сопротивления каждого из параллельно соединенных проводников. В частности, при параллельном соединении п проводников одинакового сопротивления общее сопротивление R будет в п раз мeньше сопротивления каждого проводника R1:                      R= R1 /n

При параллельном соединении п проводников силы тока в отдельных параллельных проводниках обратно пропорциональны сопротивлениям проводников:

I1:I2:I3:……In=

а произведения сил токов в отдельных параллельных проводниках на сопротивления проводников одинаковы для всех проводников и равны падению напряжения (разности потенциалов) между узлами соединения проводников:

U=R1I1= R2I2= R2I2=…..= RпIп

§ 6. Источники тока. Закон Ома для замкнутой цепи.

Соединения источников тока.

Постоянный электрический ток может течь только в замкнутой цепи. Реальная электрическая цепь состоит из источников тока (в которых действуют сторонние силы) и однородных участков, образованных одним или несколькими сопротивлениями.

Всякий источник тока обладает сопротивлением r, которое называется  внутренним.

Сила тока, текущего в замкнутой цепи, определяется  законом Ома для замкнутой цепи:  сила тока, текущего в замкнутой цепи, прямо пропорциональна  э. д. с. обратно пропорциональна полному  сопротивлению цепи

               (1)

где ξ - э. д. с., действующая в цепи, R - суммарное сопротивление внешней цепи, r -  внутреннее сопротивление источников тока. Сумма R+r образует  полное  сопротивление  цепи.

Произведение силы тока на сопротивление участка цепи дает падение напряжения на этом участке. Следовательно, IR равно падению напряжения U на внешних сопротивлениях цепи, а Ir— падению напряжения и на источнике тока. Согласно формуле (1)    

                         ξ =IR+Ir,            т.е.                    ξ=U+и         (2)

Если внешнее сопротивление R очень велико, сила тока I будет крайне мала. В этом случае слагаемым и в формуле (2) можно пренебречь по сравнению с U, и мы приходим к равенству                           ξ ≈ U                      тем более точному, чем больше R.  

Рассмотрим параллельное и последовательное соединения источников тока.

Параллельное соединение элементов: положительные полюсы элементов соединяются между собой, отрицательные — между собой.

При одинаковых э. д. с. отдельных элементов, общая э.д.с. батареи равна э.д.с. одного элемента.                                                                                                                             

Общая внутренняя проводимость равна сумме внутренних проводимостей отдельных элементов. При одинаковых внутренних сопротивлениях п отдельных элементов общая внутренняя проводимость в п раз больше; следовательно, внутреннее сопротивление батареи в п раз меньше внутреннего сопротивления каждого элемента:    

                                                                                          Rвнутр=

(r- внутреннее сопротивление одного элемента).

Сила тока                                                                                                     

(R - сопротивление внешнего участка цепи).

При последовательном соединении элементов положительный полюс каждого элемента соединяется с отрицательным полюсом следующего.

Общая э.д.с. батареи в этом случае равна сумме э.д.с. отдельных элементов.                            

Общее внутреннее сопротивление равно сумме внутренних сопротивлений отдельных элементов:            Rвнутр= r·n

Сила тока                                                                                             

При смешанном соединении из k параллельных групп по m последовательно соединенных элементов в группе общая э.д.с батареи равна э.д.с. одной параллельной группы, т. е.                                                           ξ=m∙ξ,

где ξ - э.д.с. одного элемента.

Внутреннее сопротивление каждой параллельной группы равно        r=mr,

а общее внутреннее сопротивление таких групп равно                                       rобщ =

Сила тока   

                                                                                                             

§ 7. Мощность тока. Закон Джоуля – Ленца.

При перенесении заряда q вдоль проводника, между концами которого имеется разность потенциалов U=φ1- φ2 сила электрического поля совершает над зарядом работу            А = Uq.

При силе тока I за время t из одного конца проводника в другой переносится заряд              q=I·t.

Следовательно, силы поля совершают за время t работу

А= Uq= U·I·t

Согласно закону Ома I= U/R,  или U=IR. Поэтому выражение для работы можно написать также в виде                  А = I 2Rt,      или       А = (U 2/R)t

Разделив работу А на время t, в течение которого она совершается, получим

мощность N, развиваемую током на данном участке цепи:  

   N= U·I= I 2R=

В этих формулах R - внешнее сопротивление и, следовательно, N - полезная мощность.

Полная (затраченная) мощность                                                        Nзатр= I 2(R+r)

Поэтому к.п.д. электрогенератора, когда в цепи имеются только сопротивления,                                                                                                                 η =N/ Nзатр

Единицей работы служит                   1 Дж =1В·1А·1с==1В·1Кл=1Вт·1с.

Единицами мощности электрического тока являются

    1Вт=1В·1IА=IДж/с, 1кВт=IкДж/с.

В технике чаще употребляют  внесистемные единицы:

   1 Вт-ч=3600 Дж,  1 кВт.ч=3600 кДж.

Мощность, развиваемая током, может затрачиваться на вращение электромоторов (в этом случае электрическая энергия превращается в механическую):, на поддержание химических реакций и, наконец, на нагревание проводов в специальных нагревательных приборах. В электроосветительных приборах ток либо вызывает разогрев этих устройств до очень высокой температуры, в результате чего они становятся источниками световых волн (лампы накаливания), либо вызывает возбуждение атомов газа, которые, возвращаясь в основное состояние, излучают свет (газосветные лампы).

На участках цепи, на которых нет движущихся частей и не происходит химических реакций, вся мощность тока идет на нагревание этих участков, иначе говоря, выделяется в виде тепла. В этом случае количество выделившейся теплоты равно работе, совершаемой над носителями тока силами электрического поля: Q=А. Заменив А, найдем выражение для количества теплоты, выделившейся в участке цепи за время t:                  Q = I 2Rt= = U·I·t

где I- сила тока в цепи, R- сопротивление данного участка цепи.

Эта формула выражает закон Джоуля— Ленца, установленный опытным путем в середине прошлого столетия: при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяющейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Количество теплоты       Q = I 2Rt= = U·I·t


1. Вступ Будівництво нової соціалістичної культури було невідємною складовою частиною величезної тво
2. Ее общая характеристика До сих пор мы рассматривали наиболее элементарные формы отражения действительно.html
3. 200 г З
4. Как учатся математике во Франции
5. тема- Реформирование бюджетной классификации РФ
6. ВВЕДЕНИЕ Успешное управление финансами предприятия корпоративного типа базируется на проведении анализ
7. Лекция 5 Разработка комплекса маркетинга mrketing mix Remind- товар цена методы распространения и стимули
8. Понятие бытия представлено как с одной стороны непосредственное начало и самый простой предмет мышления а
9. неслучайно Рассмотрение и анализ функций любой системы социальной деятельности важнейший момент ее теори
10. тихоокеанский регион- динамизм определяют новые центры роста
11. Обязанности лизингополучателя по договору финансовой аренды (лизинга)
12. Тема- Складання та відладка циклічнитх програм
13. политическое движение в 6090е гг
14. а и большое количество выполняемых операций
15. тема экономической информации
16. Изучение устройства карданной передачи
17. Тема 1- Философия Древнего Востока
18. Реферат- Психологические особенности личности современного менеджера в период кризиса
19. Исследование рынка бижутерии
20. Автономная эволюция минералов