Постоянный электрический ток

Электрический ток

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда с одного места в другое. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит. Электрический заряд перемещается через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении. В этом случае говорят, что в проводнике устанавливается электрический ток.
Электрическим токомназывают упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов.
Полный заряд, переносимый через любое сечение проводника равен нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.
Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.
Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока говорят следующие действиям или явлениям, которые его сопровождают:
1. проводник, по которому течет ток, нагревается,
2. электрический ток может изменять химический состав проводника,
3. ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела.
Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемойсилой тока. Если через поперечное сечение проводника за времяΔt переносится заряд Δq , то сила тока равна:

Сила тока равна отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени. Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.
Сила тока — величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принять за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I < 0.
Сила тока зависит от:
1. заряда, переносимого каждой частицей (q₀);
2. концентрации частиц (n);
3. скорости направленного движения частиц (v);
4. площади поперечного сечения проводника (S).

В Международной системе единиц силу тока выражают в амперах (А). Измеряют силу тока амперметрами.
Условия возникновения и существования постоянного электрического тока:
1. наличие свободных заряженных частиц;
2. на заряженные частицы должны действовать силы, обеспечивающие их упорядоченное перемещение в течение конечного промежутка времени.
Для того чтобы в проводнике мог существовать 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.).

Закон Ома для участка цепи

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна, сопротивлению проводника:

Сопротивление проводника R — величина, характеризующая противодействие проводника установлению в нем электрического тока. Сопротивление измеряется в омах (Ом). Если при напряжении в 1 В в проводнике устанавливается ток в 1 А, то сопротивление такого проводника равно 1 Ом.
Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади его поперечного сечения S:

где коэффициент пропорциональности ρ называется удельным сопротивлением. Удельное сопротивление зависит от рода вещества и от температуры (с повышением температуры удельное сопротивление большинства металлов увеличивается), численно оно равно сопротивлению проводника единичной длины с единичной площадью поперечного сечения.

Электродвижущая сила

Физическая величина, равная отношению работы стороннего поля по перемещению заряда к величине этого заряда, называетсяэлектродвижущей силой:

Электродвижущую силу выражают в вольтах.
Сторонним называется поле неэлектростатического происхождения, работа которого по любой замкнутой цепи не равна нулю. Такое поле наряду с кулоновским создается в источниках тока: аккумуляторах, гальванических элементах, генераторах и др. Именно стороннее поле компенсирует энергетические потери в электрической цепи.

Закон Ома для полной цепи

Сопротивление источника часто называют внутренним сопротивлением r в отличие от внешнего сопротивления R цепи. В генераторе r - это сопротивление обмоток, а в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.
Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление R+r цепи.

Произведение силы тока и сопротивления участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи.
Закон Омадля замкнутой цепи записывают в форме

Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.
Сила тока зависит от трех величин; ЭДС, сопротивлений R и r внешнего и внутреннего участков цепи. Полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных элементов.

Последовательное и параллельное соединение проводников

Последовательное соединение проводников. При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений. Все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

сила тока	напряжение	сопротивление	связь напряжения с сопротивлением

Параллельное соединение проводников

сила тока	напряжение	сопротивление	связь силы тока с сопротивлением

Параллельное соединение – самый распространенный способ соединения различных потребителей. В этом случае выход из строя одного прибора не отражается на работе остальных, тогда как при последовательном соединении выход из строя одного прибора размыкает цепь.

Правила Кирхгофа

1. В каждой точке разветвления проводов алгебраическая сумма сил токов равна нулю. Токи, идущие к точке разветвления, и токи, исходящие из нее, следует считать величинами разных знаков.

2. В любом замкнутом контуре цепи алгебраическая сумма произведений сил токов в отдельных участках на их сопротивление равна алгебраической сумме ЭДС источников в этом контуре.

1. Направления токов выбираются произвольно. Если после вычислений I>0, то направление выбрано верно, если I<0, то направление противоположно.
2. Произвольный замкнутый контур обходится в одном направлении. Если это направление совпадает с направлением стрелки, то IR>0, если противоположно, то IR<0. Если при обходе контура источник тока проходит от "-" к "+", то его ξ>0.
3. Все ЭДС и все R должны входить в систему уравнений.

Работа и мощность тока

Кулоновские и сторонние электрические силы совершают работу А при перемещении зарядов вдоль электрической цепи. Если электрический ток постоянен, а образующие цепь проводники неподвижны, то энергия W , которая необратимо преобразуется за время t в объеме проводник, равна совершенной работе:
W = А = IUΔt,

где I - сила тока, U - падение напряжения в проводнике.
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.
Необратимые преобразования энергии в проводнике с током обусловливаются взаимодействием электронов проводимости с узлами кристаллической решетки металла. В результате столкновения электронов с положительными ионами, находящимися в узлах решетки, электроны передают ионам энергию. Эта энергия идет на нагревание проводника.
Мощность электрического тока равна отношению работы тока за время к этому интервалу времени:

где А - работа, которая совершается током за время - сила тока, U - падение напряжения на данном участке цепи. Единица мощности электрического тока - ватт, [Р] = .

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время :

Последняя формула выражает закон Джоуля-Ленца: количество теплоты, которое выделяется током в проводнике, прямо пропорционально силе тока, времени его прохождения по проводнику и падению напряжения на нем.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Ток в полупроводниках — это упорядоченное движение электронов и дырок, возникающее под действием электрического поля. Сопротивление полупроводников резко убывает с ростом температуры в отличие от металлов.
Собственная проводимость полупроводников обычно невелика. При наличии примесей в полупроводниках наряду с собственной проводимостью дополнительно возникает примесная.
Если в качестве примеси используется элемент, валентность которого на единицу меньше, чем валентность данного полупроводника (акцепторная примесь), то для образования нормальных парно-электронных связей с соседними атомами атому примеси недостает одного электрона: в результате образуется дырка. Такие полупроводники называют полупроводниками р-типа (основные носители заряда в них — дырки, неосновные — электроны). Если же валентность примеси на единицу больше, чем у полупроводника (донорная примесь), то один из электронов в атоме примеси, не участвуя в химической связи, легко покидает атом и становится свободным. Получается полупроводникn-типа (основные носители — электроны, неосновные — дырки).
Область контакта полупроводников двух типов называютр-n-переходом. При образовании такого контакта электроны начинают диффундировать из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, а дырки — им навстречу. В результате этого n-область заряжается положительно, а р-область — отрицательно, и появляется электрическое поле, которое прекращает диффузию электронов и дырок. Если включить полупроводник с р- n -переходом в электрическую цепь, присоединив р-область к положительному полюсу, а n -область — к отрицательному (прямое включение), сопротивление перехода будет незначительным. При обратном включении р-n - переход практически не пропускает тока. Это свойство используется в полупроводниковых диодах.
Полупроводниковые диоды используются в электронной технике для выпрямления электрического тока наряду с вакуумными двухэлектродными лампами. Причем при производстве бытовой электроники лампы уже практически не используются, поскольку полупроводниковые диоды обладают целым рядом преимуществ.
Например, для работы двухэлектродной лампы необходим специальный источник энергии для накаливания нити катода (иначе не будет происходить термоэлектронная эмиссия, и в лампе не появятся носители зарядов — термоэлектроны). Для полупроводниковых диодов подобного источника энергии не требуется, и при их использовании в достаточно больших и сложных схемах получается значительная экономия энергии. Кроме того, при тех же значениях выпрямленного тока полупроводниковые диоды значительно более миниатюрны, чем электронные лампы.

Электрический ток в электролитах

Опыты показывают, что жидкости могут быть диэлектриками, полупроводниками или проводниками. Самой известной жидкостью - диэлектриком является вода. В том, что вода — диэлектрик, легко убедиться, если опустить в банку с водой два электрода, подключив их к источнику тока. В такой цепи тока практически не будет.
Совсем по-другому будет обстоять дело, если воду заменить на какой-либо проводящий раствор. Подобные растворы, обладающие электрической проводимостью, называют электролитами. При создании в электролитах электрического поля в них возникает ток, вследствие чего положительные ионы начинают двигаться к катоду, а отрицательные ионы (и электроны) — к аноду.
Ионная проводимость в таких электролитах, каковыми являются растворы кислот, щелочей и солей, объясняется электролитической диссоциацией. Диссоциация — это распад молекул на ионы под действием электрического поля полярных молекул растворителя. Разноименно заряженные ионы при столкновении могут снова объединиться в нейтральные молекулы — рекомбинировать. В отсутствие электрического поля в растворе устанавливается динамическое равновесие, когда процессы диссоциации и рекомбинации уравновешивают друг друга.
При прохождении через электролит тока наблюдается процесс электролиза — выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита.

Электрический ток в газах

Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях не содержат свободных носителей тока (электронов и ионов). Газы в нормальных условиях являются диэлектриками. Носители электрического тока в газах могут возникнуть только при ионизации газов — отрыве от их атомов или молекул электронов. При этом атомы (молекулы) газов превращаются в положительные ионы. Отрицательные ионы в газах могут возникнуть, если атомы (молекулы) присоединят к себе электроны.
Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Для осуществления газового разряда к трубке, где имеется ионизованный газ (газоразрядная трубка), должно быть приложено электрическое или магнитное поле.

Плазма.

Вещество, содержащее смесь нейтральных атомов, свободных электронов и положительных ионов, называют плазмой. Плазма, возникающая в результате сравнительно слаботочных электрических разрядов (напр. в трубках “дневного света”) характеризуется весьма малыми концентрациями заряженных частиц по сравнению с нейтральными ( ). Обычно ее называют низкотемпературной, поскольку температура атомов и ионов близка к комнатной. Средняя же энергия гораздо более легких электронов оказывается гораздо большей. Т.о. низкотемпературная плазма является существенно неравновесной, открытой средой. Как отмечалось, в подобных средах возможны процессы самоорганизации. Хорошо известным примером является генерация в плазме газовых лазеров высоко упорядоченного когерентного излучения.
Плазма может так же может быть термодинамически равновесной. Для ее существования необходима очень высокая температура (при которой энергия теплового движения сравнима с энергией ионизации). Такие температуры существуют на поверхности Солнца, могут возникать при очень мощных электрических разрядах (молнии), при ядерных взрывах. Такую плазму называют горячей.

Закон Джоуля—Ленца

В электрической цепи при прохождении тока происходит ряд превращений энергии. Во внешнем участке цепи работу по перемещению заряда совершают силы стационарного электрического поля и энергия этого поля превращается в другие виды: механическую, тепловую, химическую, в энергию электромагнитного излучения. Следовательно, полная работа тока на внешнем участке цепи

A0=Wmeh+Ahim+Wizl+Q.

Если же на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника.

В этом случае количество выделившейся теплоты равно работе, совершаемой током.

Количество теплоты Q, выделяемой током I за время t на участке цепи сопротивлением R, равно Q=I2Rt.

Эта формула выражает закон Джоуля—Ленца, установленный опытным путем в XIX в. двумя учеными (английским — Дж. Джоулем и русским Э. X. Ленцем).

При прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяющейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

На законе Джоуля Ленца основано действие многих электронагревательных приборов. Это утюги, электроплиты, электрочайники, кипятильники, паяльники, электрокамины и т.д.

Основной частью любого электронагревательного прибора является нагревательный элемент (проводник с большим удельным сопротивлением наматывается на пластинку из жаростойкого материала: слюды, керамики).

Вышеприведенную формулу закона Джоуля—Ленца удобно применять при последовательном соединении резисторов, так как сила тока во всех участках последовательно соединенной цепи одинакова. Если последовательно соединены два резистора с сопротивлениями R₁ и R₂, то Q1=I2R1t, Q2=I2R2t , откуда Q1Q2=R1R2 , т.е. количество теплоты, выделяемой током в участках последовательно соединенной цепи, пропорционально сопротивлениям этих участков.

Согласно закону Ома, для однородного участка цепи постоянного тока I=UR. Тогда Q=U2Rt .

Эту формулу удобно использовать при параллельном соединении резисторов, так как напряжение на каждой ветви такой цепи одинаково. Если параллельно соединены два резистора с сопротивлениями R₁ и R₂, то Q1=U2R1t , Q2=U2R2t, откуда

Q1Q2=R2R1,

т.е. количество теплоты, выделяемой током в ветвях параллельно соединенной цепи, обратно пропорционально сопротивлениям резисторов, включенных в эти ветви.