Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока
- Подробности
- Категория: Электричество и магнетизм
- Опубликовано 18.03.2015 09:11
- Просмотров: 5013
Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц.
В металлах такими частицами являются электроны, в электролитах - положительные и отрицательные ионы (катионы и анионы), в ионизированных газах - ионы и электроны, в полупроводниках - электроны и «дырки».
Направлением тока физики условились считать направление, в котором движутся положительные заряды (от плюса к минусу). Если носителями тока являются только отрицательно заряженные частицы, например, электроны в металлах, то в этом случае направление тока противоположно движению электронов.
Движение электрически заряженных частиц внутри макроскопических тел называют током проводимости, а тело, проводящее ток, - проводником.
Электрическая цепь
Электрическая цепь и схема
Электрические заряды вырабатываются источником тока. А используют ток устройства, которые называются потребителями электрической энергии. В быту это компьютеры, телевизоры, холодильники, электрические лампочки и другие приборы. Для того чтобы доставить к ним ток, их соединяют с источниками тока проводниками. А всё вместе это называется электрической цепью.
Элементы в электрической цепи могут быть соединены последовательно, параллельно или смешанным образом.
При последовательном соединении участок цепи не имеет ни одного узла, а все элементы соединены таким образом, что электрические заряды, двигаясь от источника тока, проходят поочерёдно через каждый из них.
Последовательное соединение
При параллельном соединении электрические заряды разделяются на группы, которые проходят параллельными потоками через элементы цепи.
Параллельное соединение
Графически электрическая цепь изображается схемой.
Различают постоянный, переменный и пульсирующий токи.
Постоянный электрический ток
Направленное движение электрических зарядов
Постоянным током называют такой электрический ток, который с течением времени не меняет ни величину, ни направление.
Чтобы ток был постоянным, электрические заряды должны перемещаться вдоль проводников непрерывным и равномерным потоком. Это возможно в том случае, если проводники образуют замкнутый контур и находятся в стационарном электрическом поле.
Источники постоянного тока
Источник постоянного тока
Работу источника тока можно сравнивать с работой водяного насоса. Подобно тому как насос перекачивает воду в замкнутой гидравлической цепи, источник тока обеспечивает движение электрических зарядов внутри электрической цепи.
Впервые устройство для получения электричества создал в 1800 г. итальянский физик Алессандро Вольта.
Алессандро Вольта
Опустив в банку с кислотой цинковую и медную пластинки и соединив их проволокой, учёный получил непрерывный электрический ток. Это был первый гальванический элемент, химический источник тока, названный «элементом Вольта». Соединив несколько элементов и придав им вертикальное положение, Вольта собрал электрическую батарею, которую впоследствии назвали «вольтовым столбом».
Вольтов столб
Но гальванический элемент не может вырабатывать ток бесконечно. Со временем он разряжается. Поэтому вскоре был придуман источник тока многоразового действия - электрический аккумулятор. Он устроен таким образом, что после того как он разрядится, его заряжают снова, пропустив через него ток, по направлению обратный току разрядки. Первый заряжаемый аккумулятор был создан в 1903 г. немецким учёным Иога́нном Вильге́льмом Ри́ттером.
Соединив несколько аккумуляторов, получают аккумуляторную батарею.
На промышленных предприятиях в качестве источников постоянного тока используются генераторы постоянного тока, преобразующие механическую энергию в энергию постоянного тока.
Параметры тока
Амперметр
Очень важной количественной характеристикой тока является сила тока (величина тока), или просто ток, - скалярная физическая величина, равная величине заряда, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Но термин «сила тока» не следует воспринимать, как проявление силы в буквальном смысле. В проводниках нет силы. Там есть только движение электрических зарядов.
Если за время t через проводник сечением S протекает Q зарядов, то величина тока выражается формулой
I = Q/t
Единица измерения величины тока в системе СИ - ампер (А). Ток в проводнике равен 1 амперу, если за 1 секунду через проводник протекает заряд величиной в 1 кулон. Измеряют силу тока прибором, который называется амперметром. Он включается последовательно в электрическую цепь.
Для постоянного тока в единицу времени через любое поперечное сечение протекает одинаковое количество электрических зарядов.
Величина, равная отношению силы тока I к площади поперечного сечения проводника S, называется плотностью тока. В системе СИ плотность тока измеряется в А/м2. Конечно, практически невозможно найти проводник с диаметром сечения, равным квадратному метру. По этой причине силу тока принято измерять в А/мм2.
j = I/S
Любой проводник противодействует протеканию по нему электрических зарядов. Поэтому величина тока в проводнике зависит от другой важной величины, называемой сопротивлением. Это физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. Она обозначается буквой R и определяется по формуле:
R = U/I,
где U – напряжение, или разность электрических потенциалов, на концах проводника;
I – сила тока, протекающего между концами проводника.
В систем СИ единицей измерения сопротивления является ом.
Разные материалы по-разному сопротивляются движению тока. Поэтому сопротивление проводника зависит от вещества, из которого он сделан, его длины и сечения.
R = ρ ˑ l /S
где ρ – удельное электрическое сопротивление проводника, его способность препятствовать прохождению электрического тока;
l – длина проводника;
S - площадь поперечного сечения проводника.
Каждый источник постоянного электрического тока создаёт стороннее электрическое поле, совершающее работу по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц и перемещению их в электрической цепи. Эту работу производят любые силы не электрического происхождения, которые действуют внутри источника. Они называются сторонними силами. Возникают эти силы по разным причинам. Например, в гальваническом элементе они появляются в результате химических реакций, а в генераторах постоянного тока – при движении проводника в магнитном поле.
Величина, численно равная работе, которую выполняют сторонние силы, перенося единицу положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС).
где Е – ЭДС; А – работа, совершаемая источником по переносу заряда величиной Q.
Единицей измерения ЭДС в системе СИ является вольт (v, V). ЭДС источника тока равна 1 вольту, если при перемещении заряда, равного 1 кулону, совершается работа в 1 джоуль.
Перенося электрический заряд, источник тока совершает работу А0 по внутреннему участку (внутри себя самого) и работу А1 по внешнему участку электрической цепи. Поэтому полная работа А = А0 + А1. Разделив обе части уравнения на Q, получим
Величина A0/Q называется падением напряжения на внутреннем участке цепи (U0), а A1/Q - падением напряжения на внешнем участке цепи (U1).
A = U0 + U1, а U1 = А – U0.
Величина, равная произведению тока на напряжение, называется мощностью. Единица измерения мощности – ватт.
P = IU = I2 R = U2/R
Если в электрической цепи есть источник ЭДС, то P = I ˑ ε, где ε – ЭДС.
Закон Ома
Георг Симон Ом
Между электродвижущей силой источника, током и сопротивлением цепи существует связь, которую устанавливает закон Ома. Этот закон был получен опытным путём знаменитым немецким физиком Георгом Омом в 1826 г. и назван впоследствии его именем.
Чаще всего встречается такая формулировка закона Ома: «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка».
I = U/R
Но это выражение справедливо только для участка электрической цепи. Для полной цепи оно имеет вид:
где ε – ЭДС; R – сопротивление внешнего участка цепи; r – сопротивление внутреннего участка цепи.
Изменяя сопротивление, можно регулировать силу тока. Для этой цели используют реостаты – регулируемые сопротивления.
Признаки тока
Как узнать, есть ли в проводнике ток, не используя специальные приборы? Оказывается, сделать это не очень сложно, так как ток, проходящий по проводнику, всегда совершает какое-то действие: тепловое, магнитное или химическое.
Химическое действие тока мы наблюдаем при электролизе, когда происходит оседание веществ на электродах. Под воздействием электрического тока, пропускаемого через раствор или расплав электролита происходит химическая реакция. В результате одно вещество превращается в другое.
Химическое дествие тока
Магнитное действие тока заключается в том, что любой проводник с током приобретает свойства магнита. Пример – катушка с проводом. Если через провод пропустить электрический ток, то катушка начинает притягивать металлические предметы.
Магнитное действие тока
Проходя по проводнику, электрический ток нагревает его. Так проявляется тепловое действие тока. Электрическая энергия превращается в тепловую. Мы наблюдаем это явление в электрическом камине, где раскаляются нити спирали, или в электрическом утюге.
Тепловое действие тока
Это происходит, потому что любой проводник обладает сопротивлением, преодолевая которое ток совершает работу. Часть этой работы выделяется в виде тепла. И чем больше сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается. Именно поэтому спирали нагревательных элементов создают из материалов с высоким сопротивлением.
Количество выделяемого тепла Q определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.
Закон Джоуля-Ленца
Этот закон вывел экспериментально английский физик Джеймс Пре́скотт Джо́уль в 1841 г. В 1842 г. независимо от него этот же закон установил российский физик Эмилий Христианович Ленц.
Джеймс Прескотт Джоуль
Эмилий Христианович Ленц
Количество теплоты, которое выделяет ток в проводнике, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени.
Q = I2Rt
Применение постоянного тока
Область применения постоянного тока широка. В промышленном производстве его применяют для получения чистых металлов (алюминия, меди, никеля, калия, магния, натрия и др.) на установках промышленного электролиза. В гальванике он используется для создания металлического покрытия на поверхности различных предметов. Постоянным током проводят электрогазосварочные работы.
В медицине широко используется процедура, называемая электрофорезом, где с помощью постоянного тока в организм вводятся лекарственные вещества.
Постоянный ток применяется в микроэлектронике, электрических схемах автомобилей и др.
Электродвигателями постоянного тока оборудованы тепловозы, электропоезда, троллейбусы и трамваи.