можно ли непосредственно наблюдать упорядоченное движение свободных заряженных частиц в проводнике
Можно ли непосредственно наблюдать упорядоченное движение свободных заряженных частиц в проводнике
Что называется электрическим током?
Упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц называется электрическим током. Причем электрический ток, сила которого со временем не меняется, называется постоянным. Если же направление движения тока меняется и изменения. по величине и направлению повторяются в одной и той же последовательности, то такой ток называется переменным.
Что вызывает и поддерживает упорядоченное движение заряженных частиц?
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Вызывает и поддерживает упорядоченное движение заряженных частиц электрическое поле. Имеет ли электрический ток определенное направление?
Имеет. За направление электрического тока принимают движение положительно заряженных частиц.
Можно ли непосредственно наблюдать движение заряженных частиц в проводнике?
Нет. Но о наличии электрического тока можно судить по тем действиям и явлениям, которыми он сопровождается. Например, проводник, по которому движутся заряженные частицы, нагревается, а в пространстве, окружающем проводник, образуется магнитное поле и магнитная стрелка вблизи проводника с электрическим током поворачивается. Кроме того, ток, проходящий через газы, вызывает их свечение, а проходя через растворы солей, щелочей и кислот, разлагает их на соетавнйе части.
Чем определяется сила электрического тока?
Сила электрического тока определяется количеством электричества, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Чтобы определить силу тока в цепи, надо количество протекающего электричества разделить на время, за которое оно протекло.
Что принято за единицу силы тока?
За единицу силы тока принята сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельны прямолинейным проводникам бесконечной длины ни тожно малого сечения, расположенным на рассто нии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы межд этими проводниками силу, равную 2 Ньютона н каждый метр. Эту единицу назвали Ампером в чест французского ученого Ампера.
Что принято за единицу количества электричества?
За единицу количества электричества принят Кулон (Ку), который проходит в одну секунду при силе тока в 1 Ампер (А).
Какими приборами измеряют силу электрического тока?
Силу электрического тока измеряют приборами, называемыми амперметрами. Шкалу амперметра градуируют в амперах и долях ампера по показаниям точных образцовых приборов. Силу тока отсчитывают по показаниям стрелки, которая перемещается вдоль шкалы от нулевого деления. Амперметр в электрическую цепь включают последовательно, с помощью двух клемм или зажимов, имеющихся на приборе. Что такое напряжение электрического тока?
Напряжение электрического тока есть разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Оно равно работе, совершаемой-силами электрического поля при перемещении положительного заряда, равного единице, из одной точки поля в другую.
Основной единицей измерения напряжения является Вольт (В).
Каким прибором измеряют напряжение электрического тока?
Напряжение электрического тока измеряют прибо; ром, который называется вольтметром. В цепь электрического тока вольтметр включают параллельно. Сформулируйте закон Ома на участке цепи.
Что такое сопротивление проводника?
Сопротивление проводника есть физическая величина, характеризующая свойства проводника. Единицей сопротивления является Ом. Причем сопротивление в 1 Ом имеет провод, в котором устанавливается ток 1 А при напряжении на его концах 1 В.
Зависит ли сопротивление в проводниках от величины протекающего по ним электрического тока?
Сопротивление однородного металлического проводника определенной длины и сечения не зависит от величины протекающего по нему тока.
От чего зависит сопротивление в проводниках электрического тока?
Сопротивление в проводниках электрического тока зависит от длины проводника, площади его поперечного сечения и рода материала проводника (удельного сопротивления материала).
Причем сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит, как было сказано выше, от материала проводника.
Зависит ли сопротивление в проводниках от температуры?
Да, зависит. Повышение температуры металлического проводника вызывает увеличение скорости теплового движения частиц. Это приводит к увеличению числа столкновений свободных электронов и, следовательно, к уменьшению времени свободного пробега, вследствие чего уменьшается удельная проводимость и увеличивается удельное сопротивление материала.
Температурный коэффициент сопротивления чистых металлов равен приблизительно 0,004 °С, что означает увеличение их сопротивления на 4% при повышении температуры на 10 °С.
При повышении температуры в электролита угле время свободного пробега тоже уменьшается, при этом увеличивается концентрация носителей з дов, вследствие чего удельное сопротивление их повышении температуры уменьшается.
Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи.
Сила тока в замкнутой цепи равна отноше электродвижущей силы цепи к ее полному сопроти нию.
Эта формула показывает, что сила тока зависит трех величин: электродвижущей силы Е, внешнег сопротивления R и внутреннего сопротивления г Внутреннее сопротивление не оказывает заметног влияния на силу тока, если оно мало по сравнению внешним сопротивлением. При этом напряже ние на зажимах источника тока приблизительно равн электродвижущей силе (ЭДС).
Что представляет собой электродвижущая сила (ЭДС)?
Электродвижущая сила представляет собой отношение работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль цепи к заряду. Как и разность потенциалов, электродвижущую силу измеряют в вольтах.
Какие силы называются сторонними силами?
Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением потенциальных сил электростатического происхождения (т. е. кулонов- ских), называются сторонними силами. Именно за счет работы этих сил заряженные частицы приобретают энергию и отдают ее затем при движении в проводниках электрической цепи.
Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источника тока, генератора, аккумулятора и т. д.
В результате на клеммах источника тока появляются заряды противоположного знака, а между клеммами—определенная разность потенциалов. Далее при замыкании цепи начинает действовать образование поверхностных зарядов, создающих электрическое поле по всей цепи, которое появляется в результате того, что при замыкании цепи почти сразу же на всей поверхности проводника возникает поверхностный заряд. Внутри источника заряды движутся под действием сторонних сил против сил электростатического поля (положительные от минуса, к плюсу), а по всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле.
Рис. 1. Электрическая цепь: 1— источник, электроэнергии (аккумулятор); 2 — амперметр; 3 — преемник энергии (лай па накаливания); 4 — электрические провода; 5 — однополюсные руСидьник; 6 — плавкие предохранители
Упорядоченное движение заряженных частиц: понятие и характеристики
Огромное множество физических явлений как микроскопического, так и макроскопического характера имеют электромагнитную природу. К ним относятся силы трения и упругости, все химические процессы, электричество, магнетизм, оптика.
Одно из таких проявлений электромагнитного взаимодействия – упорядоченное движение заряженных частиц. Оно представляет собой совершенно необходимый элемент практически всех современных технологий, находящих применение в самых различных областях – от организации нашего быта до космических полетов.
Общее понятие о феномене
Упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Такое перемещение зарядов может осуществляться в разных средах посредством тех или иных частиц, иногда – квазичастиц.
Вам будет интересно: Прогнозирование спроса: понятие, виды и функции
При движении какого-либо тела, в целом электрически нейтрального, частицы в составе его атомов и молекул, конечно, движутся направленно, но, поскольку разноименные заряды в нейтральном объекте компенсируют друг друга, никакого переноса заряда нет, и говорить о токе в этом случае также не имеет смысла.
Как возникает ток
Рассмотрим простейший вариант возбуждения постоянного тока. Если к среде, где в общем случае присутствуют носители зарядов, приложить электрическое поле, в ней начнется упорядоченное движение заряженных частиц. Явление называется дрейфом зарядов.
Вкратце его можно описать следующим образом. В различных точках поля возникает разность потенциалов (напряжение), то есть энергия взаимодействия электрических зарядов, расположенных в этих точках, с полем, отнесенная к величине этих зарядов, будет различной. Поскольку всякая физическая система, как известно, стремится к минимуму потенциальной энергии, отвечающему равновесному состоянию, заряженные частицы начнут движение, направленное к выравниванию потенциалов. Иначе говоря, поле совершает некоторую работу по перемещению этих частиц.
Вам будет интересно: Организационная система: определение, основные функции, методы управления, задачи и процессы развития
Когда потенциалы выравниваются, обращается в нуль напряженность электрического поля – оно исчезает. Вместе с тем прекращается и упорядоченное движение заряженных частиц – ток. Для того чтобы получить стационарное, то есть не зависящее от времени, поле, необходимо использовать источник тока, в котором, благодаря выделению энергии в тех или иных процессах (например, химических), заряды непрерывно разделяются и поступают на полюса, поддерживая существование электрического поля.
Ток можно получать различными способами. Так, изменение магнитного поля воздействует на заряды во внесенном в него проводящем контуре и вызывает их направленное движение. Такой ток называется индукционным.
Количественные характеристики тока
Направление тока и направление дрейфа
Вам будет интересно: Решетнев Михаил Федорович: биография, личная жизнь, разработка космических систем и награды
В электрическом поле объекты, переносящие заряд, под действием кулоновских сил будут совершать к противоположному по знаку заряда полюсу источника тока упорядоченное движение. Частицы, заряженные положительно, дрейфуют в сторону отрицательного полюса («минуса») и, наоборот, свободные отрицательные заряды притягиваются к «плюсу» источника. Частицы могут перемещаться и в двух противоположных направлениях сразу, если в проводящей среде присутствуют носители зарядов обоих знаков.
По историческим причинам принято считать, что ток направлен так, как движутся положительные заряды – от «плюса» к «минусу». Чтобы избежать путаницы, следует помнить, что хотя в наиболее знакомом всем нам случае тока в металлических проводниках реальное перемещение частиц – электронов – происходит, конечно, в обратном направлении, указанное условное правило действует всегда.
Распространение тока и дрейфовая скорость
Частицы же совершают свое упорядоченное движение очень медленно (10-4–10-3 м/с). Дрейфовая скорость зависит от напряженности, с которой действует на них приложенное электрическое поле, но во всех случаях она на несколько порядков уступает скорости теплового беспорядочного движения частиц (105–106 м/с). Важно понимать, что под действием поля начинается одновременный дрейф всех свободных зарядов, поэтому ток возникает сразу во всем проводнике.
Виды тока
В первую очередь токи различают по поведению носителей заряда во времени.
Помимо этой важнейшей классификации, различия между токами можно проводить и по такому критерию, как характер движения носителей заряда по отношению к среде, в которой ток распространяется.
Токи проводимости
Наиболее известный пример тока – это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля внутри какого-либо тела (среды). Оно именуется током проводимости.
В твердых телах (металлы, графит, многие сложные материалы) и некоторых жидкостях (ртуть и другие расплавы металлов) электроны являются подвижными заряженными частицами. Упорядоченное движение в проводнике – это их дрейф относительно атомов или молекул вещества. Проводимость такого рода называют электронной. В полупроводниках перенос зарядов также происходит за счет движения электронов, но по ряду причин удобно пользоваться для описания тока понятием дырки – положительной квазичастицы, представляющей собой перемещающуюся электронную вакансию.
В электролитических растворах прохождение тока осуществляется за счет движущихся к разным полюсам – аноду и катоду – отрицательных и положительных ионов, входящих в состав раствора.
Токи переноса
Газ – в обычных условиях диэлектрик – также может стать проводником, если подвергнуть его достаточно сильной ионизации. Газовая электропроводность носит смешанный характер. Ионизированный газ уже представляет собой плазму, в которой перемещаются и электроны, и ионы, то есть все заряженные частицы. Упорядоченное движение их формирует плазменный канал и называется газовым разрядом.
Направленное перемещение зарядов может происходить не только внутри среды. Допустим, в вакууме движется пучок электронов или ионов, испускаемых с положительного или отрицательного электрода. Это явление носит название электронной эмиссии и широко используется, к примеру, в вакуумных приборах. Безусловно, такое движение представляет собой ток.
Еще один случай – перемещение электрически заряженного макроскопического тела. Это – тоже ток, поскольку подобная ситуация удовлетворяет условию направленного переноса зарядов.
Все приведенные примеры необходимо рассматривать как упорядоченное движение заряженных частиц. Называется такой ток конвекционным или током переноса. Его свойства, например, магнитные, совершенно аналогичны таковым у токов проводимости.
Ток смещения
Существует явление, не имеющее отношения к переносу зарядов и возникающее там, где наличествует изменяющееся во времени электрическое поле, которое обладает свойством, присущим «настоящим» токам проводимости или переноса: оно возбуждает переменное магнитное поле. Это происходит, например, в цепях переменного тока между обкладок конденсаторов. Явление сопровождается передачей энергии и называется током смещения.
По сути, данная величина показывает, как быстро изменяется индукция электрического поля на некоторой поверхности, перпендикулярной к направлению ее вектора. Понятие электрической индукции включает в себя векторы напряженности поля и поляризации. В вакууме учитывается только напряженность. Что же касается электромагнитных процессов в веществе, то поляризация молекул или атомов, в которых при воздействии поля имеет место движение связанных (не свободных!) зарядов, вносит некоторый вклад в ток смещения в диэлектрике или проводнике.
Название возникло в XIX веке и носит условный характер, так как действительный электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Ток смещения с дрейфом зарядов никак не связан. Поэтому он, строго говоря, током не является.
Проявления (действия) тока
Упорядоченное движение заряженных частиц всегда сопровождается теми или иными физическими явлениями, по которым, собственно, и можно судить о том, протекает данный процесс или нет. Можно разделить такие явления (действия тока) на три основных группы:
За исключением случаев, когда упорядоченное движение заряженных частиц является предметом научных исследований, оно интересует человека в своих макроскопических проявлениях. Важен для нас не ток сам по себе, а перечисленные выше явления, которое он вызывает, благодаря превращениям электрической энергии в другие виды.
Все действия тока играют двоякую роль в нашей жизни. В одних случаях от них необходимо защищать людей и технику, в других – получение того или иного эффекта, вызываемого направленным переносом электрических зарядов, является прямым назначением самых разнообразных технических устройств.
§ 2.1. Что такое электрический ток?
Неподвижные электрические заряды редко используются на практике. Для того чтобы заставить электрические заряды служить нам, их нужно привести в движение — создать электрический ток. Электрический ток освещает квартиры, приводит в движение станки, создает радиоволны, циркулирует во всех электронно-вычислительных машинах.
Мы начнем с наиболее простого случая движения заряженных частиц — рассмотрим постоянный электрический ток.
Дадим строгое определение тому, что называют электрическим током. Выясним, какие действия вызывает электрический ток.
Упорядоченное движение заряженных частиц
В предыдущей главе мы рассматривали разнообразные явления, связанные с электрически заряженными телами, находящимися в равновесии (в покое). Однако наибольший практический интерес имеет движение заряженных частиц.
Упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц называют электрическим током.
Электрический ток существует лишь тогда, когда происходит перенос электрических зарядов с одного места в другое. Если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в куске металла, то переноса заряда не происходит (рис. 2.1). Электрический заряд перемещается через поперечное сечение проводника в определенную сторону лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении заряженных частиц (рис. 2.2). В этом случае говорят, что в проводнике устанавливается электрический ток.
Электрический ток возникает не только при упорядоченном движении свободных электронов в металле, но и при упорядоченном движении положительных и отрицательных ионов в водных растворах и расплавах электролитов (солей, кислот, щелочей), ионов и электронов в газах, при падении заряженных капель дождя, при движении заряженного эбонитового стержня и т. д.
Однако если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет, так как полный (суммарный) заряд, переносимый через любое сечение, будет равен нулю. Электрический ток существует лишь в том случае, когда имеет место движение нескомпенсированного (избыточного) положительного или отрицательного заряда.
Следует ясно себе представлять, что такое упорядоченное движение заряженных частиц. При упорядоченном движении заряженные частицы могут участвовать и в тепловом движении, т. е. двигаться хаотически. На беспорядочные смещения частиц накладываются перемещения в каком-либо определенном направлении. Грубо упорядоченное движение заряженных частиц можно уподобить облаку беспорядочно толкущейся мошкары, которое перемещается в определенном направлении под действием ветра.
Направление электрического тока
Электрическому току приписывают определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Поэтому если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц. Такой выбор направления тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой движение электронов — отрицательно заряженных частиц. Выбор направления тока был сделан в то время, когда о свободных электронах в металлах еще ничего не знали.
Действия тока
Движение заряженных частиц в проводнике мы не видим. Однако о наличии электрического тока можно судить по различным явлениям, которые вызывает электрический ток. Такие явления называются действиями электрического тока.
Во-первых, проводник, по которому течет ток, нагревается. Это тепловое действие тока. Именно благодаря тепловому действию тока происходит нагрев спирали в электроплитке, утюге, раскаляется добела вольфрамовая нить в электрической лампочке. Однако соединительные провода в электрических цепях почти не нагреваются током. Причина этого будет объяснена в § 2.9.
Во-вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника. Это химическое действие тока. Например, при прохождении тока через раствор медного купороса из раствора выделяется медь, а при прохождении тока через подкисленную воду она разлагается на водород и кислород.
В-третьих, ток оказывает магнитное действие. Расположенная вдоль проводника с током магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику (рис. 2.3) (это впервые было обнаружено датским физиком X. Эрстедом в 1820 г.). Если изолированную проволоку намотать на железный гвоздь, то он становится магнитом и притягивает железные опилки (рис. 2.4). Магнитное действие тока лежит в основе работы электрических двигателей, генераторов, трансформаторов, электрических измерительных приборов и т. д.
Магнитное действие тока в отличие от теплового и химического действия является основным, так как оно сопровождает ток всегда, без каких-либо исключений. Химическое действие имеет место лишь при прохождении тока через растворы или расплавы электролитов, а нагревание током отсутствует при прохождении его через сверхпроводники (см. § 2.6).
32.1. Вставьте в текст пропущенные слова.
Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В металлических проводах электрический ток представляет собой направленное перемещение свободных электронов. В жидких проводниках ток возникает благодаря упорядоченному движению положительных и отрицательных ионов.
а) Стрелками покажите на рисунке направление движения ионов растворенной соли под действием электрического поля, созданного заряженными пластинами.
б) Закончите фразу.
Если рядом с раствором соли поместить заряженные пластины, то в растворе появляется электрический ток, потому что положительные и отрицательные ионы соли будут стремиться к разным пластинам.
32.3. Для каждого источника тока подберите из второго столбца соответствующий вид энергии, превращающийся в электрическую энергию этого источника в процессе его работы.
32.4. Заполните пропуски в тексте, используя слова: кремний, фотоэлемент, гальванометр, электроны, ток, световое излучение.
На рисунке показано устройство, иллюстрирующее принцип действия фотоэлемента. Световое излучение лампы падает на поверхность пластины, изготовленной из кремния. Благодаря энергии излучения происходит потеря электронов с поверхности пластины, и гальванометр фиксирует возникновение электрического тока в цепи. В данном процессе причиной возникновения электрического тока в цепи является световое излучение, а следствием возникновения тока является отклонение стрелки гальванометра.
32.5. Заполните пропуски в тексте, используя слова: спаяны, электрический, нагревание, разные стрелка.
На рисунке показан процесс возникновения электрического тока в проволоках благодаря тому, что эти проволоки, изготовленные из разных материалов, были спаяны, а место спая нагрето. В этом процессе причиной возникновения тока является нагревание места спая, а следствием – отклонение стрелки гальванометра.