Электрический ток
Согласно школьного курса физики – это упорядоченное движение заряженных частиц. Заряженными частицами, в зависимости от среды распространения, считаются электроны или ионы. Для металлов эти частицы – электроны, для некоторых газов или электролитов – ионы. Считается что именно их движение и являются электрическим током.
Как известно, в мире физики, объекты, обладающие разностью зарядов притягиваются, чтобы достигнуть равновесного состояния. Этот факт отлично подтверждает всем известный эксперимент с эбонитовой палочкой. Таким образом, электрический ток — это поток электронов или ионов, стремящихся воссоздать равновесие в мире электрических зарядов.
Не углубляясь в разновидности проводников, рассмотрим обыкновенные электрические провода и электроны, бегущие в них. Электроны заряжены отрицательно, значит их массовое скопление — это отрицательно заряженный объект. В то же время положительно заряженный объект — это место где имеется нехватка этих самых электронов, а значит скопление ионов (атомов с недостающими электронами). Так как природа стремится воссоздать равновесие, образуется поток электронов от минуса к плюсу.
Если природа стремится к равновесию, то отчего же образовались эти недостачи и излишки электронов?
Ответ довольно банален, за исключением некоторых природных явлений вроде молнии или статических разрядов. Люди их создают искусственно, чтобы пользоваться стремлением, или другими словами, силой природы прийти в равновесное состояние, в своих интересах. Как это происходит подробно рассказано в статье про источники тока.
Маленькая особенность: так как само явление электричества было открыто гораздо раньше его природы (упорядоченного движения электронов в металлах), а раньше люди думали, что движутся положительно заряженные частицы), то принято считать, что электрический ток течет от плюса к минусу, хотя сейчас уже ясно, что всё происходит наоборот. В консервативном мире науки решили ничего не менять и продолжают пользоваться веками укоренившейся схемой.
Поняв, как всё это движется, можно попробовать разобраться, что нам даёт этот самый электрический ток. Прохождение электронов по проводнику сопровождается массой удивительных физических явлений, от простого нагревания проводника, до электромагнитного поля вокруг него, но обо всём по порядку.
Как известно, электроны очень маленькие и понаблюдать за ними даже через самый мощный микроскоп не удастся. Поэтому для понимания и визуализации такого действа как электрический ток, придумали очень удобное сравнение — сравнение с водопроводной трубой.
Итак, представим себе водопроводную трубу, она является проводником или просто проводом, очень близко не так ли? В этой трубе течет вода – капли которой очень похожи на электроны, текущие в проводах. Эту воду что-то толкает и ей что-то мешает.
Поток воды можно описать присущими ему свойствами, такими как давление и скорость, а характеристики трубы можно описать такими понятиями как её пропускная способность и сопротивление потоку воды.
По аналогии поток электронов, то есть электрический ток, можно описать такими характеристиками как электрическое напряжение (давление для воды) и сила тока (объём потока воды). Электрический проводник по аналогии с трубой можно описать таким свойством как сопротивление электрическому току (сопротивление потоку воды).
К примеру, тонкая труба может пропустить лишь небольшой поток воды, точно также, тонкий провод способен пропустить поток электронов только с небольшой силой тока. Тонкая струйка, вылетающая из водного пистолета, имеет большую скорость, но очень маленький объем воды, также искра, вылетающая из пьезоэлемента зажигалки, имеет высокое напряжение, но очень маленькую силу тока.
Представим себе огромную трубу диаметром в целый метр и из неё течет, а лучше сказать «вываливается» огромное количество воды, при этом давление в ней довольно низкое (единицы атмосфер), но поток воды просто огромен (сотни литров в секунду). Та же история с толстым проводом точечной электросварки, напряжение там невысокое (несколько вольт), но сила тока просто огромная (сотни ампер), в месте контакта плавится металл. Предположим, что на краю трубы есть кран и он закрыт, вода внутри есть, но она никуда не течёт. Тоже самое с проводником, если цепь от плюса к минусу разорвана, а воздух для электрического тока настолько же труднопроходимая среда, как кран для воды, то ток тоже никуда не течёт. Но электроны из проводника, как и вода из трубы, никуда не делись и напряжение, как и давление в трубе тоже осталось, нет только потока электронов, а значит сила тока равна нулю.
Скорость электрического сигнала
Скорость, с которой электрический сигнал и, следовательно, электрическая энергия, в действительности движется, соответствует скорости распространения электромагнитной волны , а не скорости движения электрических зарядов. Эта волна распространяется очень быстро и зависит от диэлектрической проницаемости (или диэлектрической проницаемости) и проницаемости (или магнитной постоянной) материала.
- В вакууме он распространяется со скоростью света , то есть около 300 000 км / с .
- В воде она составляет около 226 000 км / с в солевом растворе.
- В медной цепи она обычно составляет от 175 000 до 200 000 км / с .
Когда он подключен к генератору, электрическая цепь подвергается воздействию электрического напряжения, которое приводит в движение электрические заряды: например, в электрической батарее электроны «потребляются» на катоде, где происходит реакция восстановления , в то время как на на аноде происходит реакция окисления, которая поставляет электроны. Созданная таким образом электрическая волна распространяется на включенное устройство. Таким образом, в случае электрической лампы накаливания, подключенной к выключателю с помощью медного провода длиной 10 м , на лампу оказывается ненулевое электрическое напряжение 3,66 × 10 -8 секунд после замыкания переключателя (около 40 или даже четыре сотых миллионной секунды), вызывая электрический ток в нити накала, которая после нагрева ( эффект Джоуля ) излучает свет и тепло, то есть за несколько десятых секунды.
Точная скорость зависит от геометрических характеристик цепи (импеданса, емкости). При постоянном токе или на низких частотах мы можем сказать, что ток достигает своей крейсерской скорости «почти мгновенно», а затем больше не ускоряется. Это не то же самое, когда частота сигнала близка к собственной частоте цепи, изменения направления тока происходят, в то время как скорость нагрузок практически не устанавливается.
Мощность
Мощность электрического тока — количество работы, совершаемое током за одну секунду времени. Тем больше будет совершаться работы, чем больше разность потенциалов и чем большее количество электричества ежесекундно проходит через поперечное сечение проводника. За единицу измерения мощности принят один «ватт» (Вт). Такое название единица получила в честь шотландского инженера и изобретателя Джеймса Уатта (1736 — 1819 гг.). На схемах и в формулах мощность обозначается буквой «P» (п). Определение мощности можно записать в виде формулы P = I x U. Если известна мощность электроприбора (обычно указывается на специальной бирочке, прикреплённой к корпусу), то всегда можно узнать протекаемый по цепи ток, к которой будет подключено это устройство. Он рассчитывается по формуле I = P/U.
Электричество вокруг нас
Сопротивление медного провода постоянному току
Сопротивление провода зависит от удельного сопротивления ρ, которое измеряется в Ом·мм²/м. Величина удельного сопротивления определяет сопротивление отрезка провода длиной 1 м и сечением 1 мм².
Сопротивление того же куска медного провода длиной 1 м рассчитывается по формуле:
R = (ρ l) / S, где (3)
R – сопротивление провода, Ом,
ρ – удельное сопротивление провода, Ом·мм²/м,
l – длина провода, м,
S – площадь поперечного сечения, мм².
Сопротивление медного провода равно 0,0175 Ом·мм²/м, это значение будем дальше использовать при расчетах.
Из формулы (3) следует, что для отрезка медного провода сечением 1 мм² и длиной 1 м сопротивление будет 0,0175 Ом. Для длины 1 км – 17,5 Ом. Но это только теория, на практике всё хуже.
Ниже приведу табличку, рассчитанную по формуле (3), в которой приводится сопротивление медного провода для разных площадей сечения.
Таблица 0. Сопротивление медного провода в зависимости от площади сечения
| S, мм² | 0,5 | 0,75 | 1 | 1,5 | 2,5 | 4 | 6 | 10 |
| R для 1м | 0,035 | 0,023333 | 0,0175 | 0,011667 | 0,007 | 0,004375 | 0,002917 | 0,00175 |
| R для 100м | 3,5 | 2,333333 | 1,75 | 1,166667 | 0,7 | 0,4375 | 0,291667 | 0,175 |
Как определить силу тока в розетке 220в?
instrument.guru > Электричество > Как определить силу тока в розетке 220в?
Практически любые помещения, будь то жилые или производственные, оснащены розетками для подключения электрических приборов.
Для стабильной и безопасной работы электроприборов необходимо знать не только напряжение в сети (стандартное 220 вольт), но и силу тока, на которую рассчитана розетка.
Необходимо отметить, что это электротехническое оснащение само по себе не имеет никакой силы тока, оно только выдерживает определённую величину при подключении какой-либо бытовой или промышленной техники.
Методы определения силы тока
Прибором амперметром. Амперметр – измерительное устройство, которое определяет силу тока и показывает её на имеющейся шкале. Для этого необходимо последовательно соединить замкнутую цепь: розетку, единицу бытовой техники, амперметр и опять розетку. Вместо амперметра, можно использовать мультиметр – комбинированный прибор, включающий вольтметр, амперметр и омметр. Погрешность измерений силы тока на конкретном участке цепи будет зависеть от класса точности измерительного устройства.
Расчётным методом
Для применения расчётного метода необходимо знать значение мощности подключаемого прибора.Принимая во внимание, что в нашей стране в основной части помещений подаётся стандартное напряжение в сети 220 вольт, рассчитать силу тока в розетке 220в можно по следующей формуле:
I = P / U, где I – сила тока (ампер); P – мощность электроприбора (ватт); U – напряжение в сети (вольт).
Таким методом определяется, сколько ампер в розетке 220в. Например, по формуле можно рассчитать, какой ток в розетке 220в при подключении обычного электрического чайника мощностью 2,5 киловатт или 2500 ватт. Получится величина 11,36 ампер.
Характеристики тока
Подсчитывая величину силы тока, которую поддерживает розетка, необходимо уточнить характеристику тока. Их существует две: постоянный ток и переменный.
Переменный получил наибольшее распространение в сфере потребления электроэнергии, так как его потери при передаче на большие расстояния существенно меньше.
В случае необходимости производится преобразование с помощью схем приборов-потребителей. Таким образом, розетка поддерживает переменный ток в 220 вольт.
Виды электророзеток
Техника, используемая в быту, имеет различные характеристики по своей мощности, следовательно, и электрофурнитура в помещениях должна быть соответствующая. Сегодняшние бытовые устройства более мощные, чем старые образцы техники.
Ещё 20 лет назад для всех устройств могла подойти розетка с ограничением в 6 ампер. Такой разъём был предназначен для техники, имеющей мощность до 1,5 киловатт или 1500 ватт. Для современного быта это недостаточно.
Сейчас ограничение нагрузки составляет:
- 16 ампер для обычных помещений, что гарантирует безопасное функционирование потребителей мощностью до 3,5 киловатт;
- 25 ампер для квартир или домов, где устанавливаются электрические плиты мощностью до 6 киловатт. Такие розетки называются силовыми;
- 32 ампера при повышенных нагрузках на сеть, например, при подключении в производстве несколько мощных духовых шкафов или плит. В этом случае применяется трёхфазный кабель, который рассчитан на 380 вольт. Соответственно розетки также должны быть трёхфазными. Такое оснащение отличается по своей конструкции. При наличии повышенной нагрузки на сеть в частном доме, кроме установки специального оснащения, требуется ещё и усиленная электрическая проводка.
Необходимость автоматического выключения питания
Автоматический выключатель – важный элемент в системе электроснабжения помещения. На распределительных щитках имеются специальные устройства, на которых отмечено сколько ампер максимально допустимого тока. Обычно для бытовых целей устанавливаются автоматы на 16, 25 или 32 ампера.
Рекомендуется на каждый мощный прибор устанавливать свой автоматический выключатель. Например, электрическая плита имеет мощность 6 киловатт или 6000 ватт, следовательно, сила тока будет 27 ампер при напряжении в 220 вольт.
В этом случае необходим автомат на большую величину, а именно на 32 ампера.
Направление и величина электрического тока. Количество электричества
Мы неоднократно подчеркивали, что электроны в электрическом поле перемещаются от точек с более низким потенциалом к точкам с более высоким потенциалом. Следовательно, и в электрической цепи, показанной на рис. 1, электроны движутся от отрицательного полюса источника электрической энергии к положительному: поэтому следовало бы считать, что электрический ток идет от минуса (—) к плюсу ( + ).
Рисунок 1. Простейшая электрическая цепь
Однако до объяснения электрических явлений с точки зрения электронной теории, т. е. когда природа электрического тока не была достаточно изучена, полагали, что ток идет от положительного полюса источника к отрицательному.
Чтобы не менять этого установившегося и прочно вошедшего в практику положения, решили сохранить такую условность и считать, что ток идет от плюса к минусу, как показано на рис. 2. В действительности же в металлических проводниках ток проходит в обратном направлении.
Рисунок 2. Направление движения электронов в проводнике и направление тока
С ростом напряженности внешнего электрического поля увеличивается сила, действующая на электроны в проводнике. Электроны начинают перемещаться по проводнйку быстрее, а значит, увеличивается количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Для характеристики интенсивности движения электрических зарядов в проводниках вводится понятие о силе тока или токе.
Определение: Силой тока называется количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Сила тока (ток) обозначается буквой I или i.
Если за время t через поперечное сечение проводника прошло количество электричества q, то ток в проводнике можно определить по формуле:
За единицу тока принимается ампер (сокращенно обозначается буквой А). В ГОСТ приведено следующее определение этой основной электрической единицы: «ампер — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямоугольным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2*10-7 единицы силы на каждый метр длины».
Следует подчеркнуть, что ампер — единственная основная электрическая единица. Все остальные единицы, используемые при электрических и магнитных измерениях, определяются через четыре основные единицы Международной системы единиц (метр — килограмм — секунда — ампер).
Единица измерения тока названа по имени французского физика и математика Андре Мари Ампера (1775—1836), открывшего закон взаимодействия электрических токов и предложившего новую гипотезу для объяснения магнитных свойств вещества.
В радиотехнике часто приходится иметь дело с токами, величина которых в тысячи и даже миллионы раз меньше одного ампера. Такие токи измеряются в миллиамперах (сокращенно обозначается мА или mА) или в микроамперах (сокращенно обозначается мкА или μА). Миллиампер одна тысячная доля ампера, т. е.
1 мА = 0,001 А, или 1 А = 1000 мА.
Микроампер — это одна миллионная доля ампера или одна тысячная доля миллиампера, т. е.
1 мкА = 0,001 мА = 0,000001 А.
Полезно запомнить также следующие соотношения:
1 мА= 1000 мкА = 0,001 А; 1 А = 1000 мА = 1 000 000 мкА.
При рассмотрении вопросов взаимодействия зарядов мы сказали, что количество электричества измеряется в кулонах. При этом количество электричества в 1 кулоне соответствует приблизительно общему заряду 6 • 1018 электронов. Сейчас можно дать более строгое определение кулона:
Определение: кулон — это количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в течение 1 секунды при неизменяющемся токе в 1 ампер.
Эта единица количества электричества часто называется ампер-секундой (сокращенное обозначение А-с). На практике количество электричества измеряется в ампер-часах (А-ч).
Если известен ток I в проводнике, то количество электричества q, прошедшее через поперечное сечение проводника за время t, можно определить по формуле:
где q — в кулонах; I— в амперах; t — в секундах.
Для измерения тока в цепи применяются приборы, называемые амперметрами. Амперметр включается в цепь так, чтобы через него проходил весь измеряемый им ток (рис. 3).
Рисунок 3. Схема включения амперметра в электрическую цепь. Б — источник напряжения; PA — амерметр; EL — нагрузка (лампа).
Похожие материалы:
- Протекание тока
- Электрический ток в металлических проводниках
- Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии
- Электрическое сопротивление проводника. Электрическая проводимость
- Электрический ток в электролитах
- Ток смещения в диэлектрике
- Электрический ток в полупроводниках
- Электрический ток в газах
Передача электроэнергии на расстояние с помощью резонансной однопроводной системы:
Одной из наиболее актуальных проблем современной энергетики является передача электроэнергии на расстояние с низкими экономическими затратами и обеспечение энергосбережения.
На практике для передачи электрической энергии на большие расстояния, как правило, используют трехфазные системы, для реализации которых требуется применение не менее 4 проводов, которой присуще следующие существенные недостатки:
– большие потери электрической энергии в проводах, так называемые джоулевые потери,
– необходимость использования промежуточных трансформаторных подстанций, компенсирующие потери энергии в проводах,
– возникновение аварий вследствие короткого замыкания проводов, в том числе из-за опасных погодных явлений (сильный ветер, наледь на проводах и др.),
– большой расход цветных металлов,
– большие экономические затраты на прокладку трехфазных электрических сетей (несколько миллионов рублей на 1 км).
Отмеченные выше недостатки могут быть устранены за счет применения резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии, основанной на идеях Н. Теслы, доработанной с учетом современного развития науки и техники. В настоящее время технология резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии получили свое развитие.
Резонансная однопроводная волноводная система передачи электрической энергии на повышенной частоте 1-100 кГц не использует активный ток проводимости в замкнутой цепи. В резонансной волноводной однопроводниковой линии нет замкнутого контура, нет бегущих волн тока и напряжения, а есть стоячие (стационарные) волны реактивного емкостного тока и напряжения со сдвигом фаз 90°. При этом из-за отсутствия активного тока и наличия узла тока в линии отпадает необходимость и потребность в создании в такой линии режима высокотемпературной проводимости, а джоулевы потери становятся незначительными в связи с отсутствием замкнутых активных токов проводимости в линии и незначительными величинами незамкнутого емкостного тока вблизи узлов стационарных волн тока в линии.
Предлагаемая технология основана на использовании двух резонансных контуров с частотой 0,5-50 кГц и однопроводной линии между контурами (см. Рисунок 1) с напряжением линии 1-100 кВ при работе в режиме резонанса напряжений.
Провод линии является направляющим каналом, вдоль которого движется электромагнитная энергия. Энергия электромагнитного поля распределена вокруг проводника линии.
Рис. 1. Электрическая схема резонансной однопроводной системы передачи электроэнергии
1 – генератор повышенной частоты; 2 – резонансный контур повышающего трансформатора; 3 – однопроводная линия; 4 – резонансный контур понижающего трансформатора; 5 – выпрямитель; 6 – преобразователь.
Как показывают расчеты и проведенные эксперименты при таком способе передачи электрической энергии, потери в проводах практически отсутствуют (в сотни раз меньше, чем при традиционном способе передачи электрической энергии) и данная технология безопасна для окружающей природной среды и человека.
Для согласования обычной системы электроснабжения с предлагаемой системой разработаны согласующие устройства и преобразователи, которые устанавливаются в начале и в конце однопроводной линии и позволяют использовать на входе и выходе стандартное электрооборудование переменного или постоянного тока.
В настоящее время отработана технология передачи электроэнергии мощностью до 100 кВт. Передача электроэнергии большей мощности требует применение электронных приборов (транзисторов, тиристоров, диодов и др.) повышенной мощности и надежности. Необходимо проведение дополнительных исследований для решения задачи энергообеспечения объектов, потребляющих электроэнергию мощностью свыше 100 кВт.
Виды электричества
Для обывателей электричество больше знакомо в виде переменного тока (сетевые розетки, освещение) и постоянного тока (батарейки). Привычный для людей комфорт создает в основном переменное электричество, которое отличается от постоянного тока лучшей трансформацией от источника к потребителю. Работу переменного тока хорошо видно на таком осветительном приборе, как люминесцентная лампа, когда в процессе розжига происходит ее мигание и заметно движение из одной стороны в другую заряженных частиц.
Специалисты в основном рассматривают переменный ток, так как он в большем количестве применяется в бытовых системах. Для расчета тока на участке электроцепи системы переменного напряжения применяется закон Ома, а именно, находится ампер (единица силы) по формуле.
Формула для переменного тока полной цепи
Способы измерения силы тока
Метод определения величины силы тока магнитоэлектрическим способом считается наиболее точным, он чувствителен к процессам в цепи, не берет много энергии, но применяется только для цепей постоянного тока.
Электромагнитный способ измерения значения силы тока применяется для переменного электротока и цепей постоянного тока.
Косвенный метод нахождения силы — это когда применяется измерительный прибор напряжения для нахождения его значения на сопротивлении.
В электротехнике силу тока измеряют специальным устройством – амперметром. Для незначительных величин применяется микроамперметр или миллиамперметр, а также гальванометр.
Микроамперметр, миллиамперметр
Сила тока в цепи измеряется амперметром следующим образом: он включается в цепь последовательно в ее разрыв, ток должен пойти через прибор к потребителю, на амперметре будет показываться значение силы тока в цепи в текущее время. В каком месте делать разрыв для измерения силы тока, значения не имеет, можно до потребителя энергии или же после него.
Место разрыва цепи не имеет значения, когда измеряется величина тока
Амперметры могут иметь на шкале значений разную цену деления, это зависит от назначения измерительного устройства. По шкале можно увидеть возможности измерений прибора, по этой причине не рекомендуется его включать в цепь с током, который больше его измерительных возможностей. Правила включения амперметра в цепь постоянного тока:
- делаем разрыв цепи, последовательно включаем прибор;
- амперметр имеет клемму (+), на нее подключаем провод со стороны источника (+);
- на минусовую клемму подключаем провод со стороны источника (-).
Безопасным током для человека определена сила тока, имеющая значение меньше 1 миллиампера, свыше 100 миллиампер может нанести серьезные травмы человеку, значение в несколько ампер смертельно для организма человека. Работая с электричеством, кроме принятых безопасных значений, надо всегда в учет брать личные качества человека и его особенности по отношению к воздействию на него электротока.
Практический способ измерения силы тока
Для практического измерения значения силы тока в сети специалисты рекомендуют сделать удлинитель, который имеет две розетки, внешне он не отличается от промышленных удлинителей, однако розетки соединяются последовательно, а не параллельно, как показано на фото:
Двурозеточный удлинитель
Верхние клеммы розеток соединяются между собой, а на нижние контакты подается напряжение. В одну розетку включаем любой электрический прибор, во вторую — щупы амперметра. Перед тем как вставить щупы в розетку, надо выставить правильный параметр тока на приборе (постоянный или переменный) и убедиться в максимальном значении выбранного параметра тока, как показано на фото ниже:
Клеммы удлинителя
Проверка работоспособности
Из представленного примера видно, что сила потребляемого тока = 0,25 А, если прибор измерений не позволяет сделать отсчет по шкале, надо выполнить расчет. Установленный предел 0,5 А, цена деления шкалы измерений 0,5. Делим на количество делений шкалы, получается 0,005 А, показания прибора — 50 делений, что равняется 0,25 А.
Амперметр
Расчет мощности устройств по току
Зная величину силы тока, можно простыми расчетами определить мощность подключенного к сети потребителя — лампочки, кондиционера, холодильника или телевизора. Для этой цели используем установленный Джоулем и Ленцом закон:
Формула мощности
Сделаем простой расчет на примере автомобильной лампочки с потребляемым током в 5 А. Питание автомобиля 12 вольт, тогда мощность лампочки = 5*12 = 60 ватт. Для стирального агрегата в квартире: напряжение сети 220 вольт, потребляемый ток 10 А по измерительному прибору, тогда мощность = 10*220 = 2200 ватт, или 2,2 кВт.
Опыт Мандельштама и Папалекси
Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали. Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток. Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.
Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.
Этот эксперимент в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона eэ к значению массы электрона mэ:
$$ {e_э \over m_э } = 1,8*10^{11} Кл/кг $$
Этот фундаментальный результат совпал с полученными данными из других экспериментов, поставленных на основе измерения других параметров. Впервые эту величину в 1897 г. измерил англичанин Джозеф Томсон по отклонению пучка электронов в зависимости от напряженности электрического поля.
Скорость теплового движения свободных электронов
Нам известно, что общий заряд тела состоит из большого количества элементарных зарядов.
К примеру, в положительные заряды – это ядра атомов, или ионы. А отрицательные – это электроны.
А в жидкостях или газах – положительные и отрицательные заряды – это ионы.
Примечание: Ион – атом, у которого присутствует избыток электронов, либо наоборот, электронов меньше, чем в нейтральном атоме.
Рассмотрим твердый проводник, в нем присутствуют свободные заряды. Это такие , которые оторвались от своего атома и свободно путешествуют по всему объему проводника.
Рис. 2. Отличия свободных и связанных электронов в проводнике
Примечание: Проводник – это тело, в котором много свободных электронов.
Как известно из молекулярно-кинетической теории (МКТ), мельчайшие частицы вещества находятся в непрерывном движении. Это движение возникает под действием температуры, поэтому, его часто называют тепловым. Такое движение беспорядочное, то есть — хаотическое.
Рис. 3. Под действием температуры свободные заряды беспорядочно движутся
Рассчитаем, с какой скоростью электроны в проводнике беспорядочно перемещаются под действием температуры.
Для этого воспользуемся формулой среднеквадратичной скорости частиц из молекулярной физики:
\
Подставим в формулу такие числовые значения:
\(\large T = 300 \left( K\right)\) – комнатная температура +27 градусов Цельсия;
\(\large k = 1,38 \cdot 10^{-23} \left( \frac{\text{Дж}}{K}\right) \) – постоянная Больцмана;
\(\large m = 9,1 \cdot 10^{-31} \left(\text{кг}\right) \) – масса электрона;
После расчетов получим скорость, примерно равную
\
Как видите, это очень большая скорость, более 100 километров в секунду.
Рис. 4. Скорость свободных электронов в меди
Примечание: Физики свободные электроны в проводнике рассматривают, как частицы идеального газа. Его так и называют – электронный газ.
Однако, еще раз подчеркну, что тепловое движение – хаотическое. С помощью такого движения электрический ток не создать. Потому, что ток – это направленное движение зарядов.
Закон Джоуля-Ленца
На примере многих бытовых приборов понятно, что если через участок цепи проходит электроток и при этом не совершается какая-либо работа, то происходит нагревание проводника. Иногда оно идет на пользу — например, в лампе накаливания или в аппарате дуговой сварки. Но в других случаях тепловой эффект нежелателен — например, перегрев электрической проводки в здании может вызвать пожар. Поэтому в наших интересах управлять таким эффектом, и правило Джоуля-Ленца определяет, от чего зависит тепловое действие тока.
Правило было сформулировано в результате опытов двух ученых — англичанина Джеймса Прескотта Джоуля и российского физика Эмилия Христиановича Ленца. Поскольку ученые работали независимо друг от друга, новый закон назвали двойным именем.
|
Закон Джоуля-Ленца кратко: нагревание проводника или полупроводника прямо пропорционально его сопротивлению, времени действия тока и квадрату силы тока. |
Поскольку сопротивление проводника определяют такие характеристики, как его длина, площадь и проводимость, верны следующие утверждения:
-
количество теплоты в проводнике снижается при увеличении площади его сечения;
-
тепловой эффект снижается при уменьшении длины проводника.
Это легко проиллюстрировать, подключив к источнику питания две лампы с разным сопротивлением вначале последовательно, а после — параллельно. При последовательном подключении лампа с большим сопротивлением будет светить ярче, а при параллельном — наоборот.
Создаем кратковременный ток и выясняем условия его существования
Можно создать электрический ток с помощью двух заряженных противоположно тел.
Ток – это движение зарядов. Поэтому, нужно обеспечить возможность зарядам двигаться. То есть, нужно создать между телами дорожку, по которой заряды начнут перемещаться из одного места пространства в другое.
Продемонстрировать возникновение тока на небольшой промежуток времени можно с помощью двух электрометров, заряженных противоположно.
Попробуем для начала соединить два заряженных тела куском диэлектрика (рис. 15).
Рис. 15. Если диэлектриком соединить два заряженных тела, электрический ток не возникает
Как видно, после соединения заряд каждого из электрометров не изменился.
Это значит, что ток не возник. Дело в том, что в диэлектрике все электроны связаны со своими атомами и свободных электронов нет.
Именно свободные заряды будут передвигаться и их согласованное направленное движение мы назовем электрическим током.
Поэтому, одним из условий существования тока будет наличие свободных зарядов. То есть, наличие проводника, содержащего такие заряды.
Однако, только лишь наличия проводника недостаточно. Действительно, в проводнике присутствуют свободные заряды. Но для того, чтобы эти заряды начали совместное движение в определенную сторону, нужно, чтобы на них подействовала сила, которая будет их передвигать в этом направлении.
Сила будет действовать на заряженную частицу, если ее поместить в электрическом поле.
Электрическое поле существует в пространстве вокруг заряженных тел.
Если соединить проводником два тела, имеющие противоположные заряды, то на свободные частицы в проводнике будет действовать электрическое поле. Это поле подхватит заставит двигаться электроны в определенном направлении.
Поэтому, еще одно условие для возникновения тока – это электрическое поле.
Рис. 16. После соединения проводником, заряженные противоположными зарядами электрометры разрядились
Рис. 17. Электроны двигаются против направления электрического поля
Ток течет в направлении движения положительных зарядов.
Соединив два заряженных металлических тела проводником, мы получим ток лишь на короткий промежуток времени. Это время будет составлять доли секунды.
Кроме того, в начальный момент времени сила тока будет самой большой. А далее будет убывать по мере того, как тела будут разряжаться и их потенциалы (ссылка) будут выравниваться.
Мы же хотим, чтобы ток протекал постоянно, или, по крайней мере, достаточно длительный промежуток времени, выбранный по нашему усмотрению. И чтобы во время протекания тока его сила не изменялась.
Как этого добиться? Мы вплотную приблизились к третьему условию существования постоянного электрического тока.
Сопротивление
Свойство материала проводника препятствовать прохождению электрического тока, называется электрическим сопротивлением. При движении по проводнику свободные электроны взаимодействуют на своём пути с атомами и другими электронами. Это приводит к потере ими части своей энергии. Можно сказать, что электрон испытывает сопротивление своему движению. Различные материалы имеют различное атомное строение. Соответственно, они оказывают различное сопротивление электрическому току. Сопротивление измеряется омметром. За единицу измерения сопротивления принят один «ом» (Ом). Это очень маленькое сопротивление. Для удобства работы применяются следующие величины измерения: ом (Ом, 1Ом), килоом (кОм, 1000 Ом), мегаом (Мом, 1000000 Ом). На схемах и в формулах сопротивление обозначается буквой «R» (эр).
Сила тока, напряжение и сопротивление – взаимосвязанные величины, которые влияют друг на друга. Такую зависимость хорошо показывает закон Ома для участка цепи. Он гласит: ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Его можно записать в виде формулы I = U/R.
Прямая пропорция показывает, что если увеличить в несколько раз напряжение, то ток увеличится во столько же раз. Обратная пропорция показывает, что если увеличить в несколько раз сопротивление, то ток уменьшится во столько же раз.
Заключение
Мы познали суть электричества, выяснили как это работает, по крайней мере, в общих чертах. Для людей с творческим мышлением, далеким от физики, можно мысленно представить, как очень маленькие частички очень быстро перетекают с одного места на другое по своей электрической цепи. Основой любого вещества является ядро. Если есть разница потенциалов (в одном месте возникло скопление одного вида зарядов, а в другом, противоположного вида), то при появлении пути (соединение цепи) начинается процесс выравнивания этих самых потенциалов. Таким образом вырабатывается электрический ток.
