Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. Направленное движение электрических зарядов в проводнике под действием сил электрического поля называют током проводимости . Для появления и существова- ния тока проводимости необходимы два условия:
1. Наличие в данной среде электрических зарядов. В металлах ими являются электроны проводимости; в жидких проводниках (электролитах) – положительные и отрицатель- ные ионы; в газах – положительные ионы и электроны.
2. Наличие электрического поля, энергия которого затрачивалась бы на перемещение электрических зарядов.
За направление электрического тока условно принима- ют направление движения положительных зарядов. Количест- венной характеристикой электрического тока является сила тока – заряд, протекающий через поперечное сечение проводника в единицу времени:
Силу тока можно связать со средней скоростью υ упорядоченного движения зарядов. За время dt через попереч- ное сечение проводника площадью dS протечет заряд dq , заключенный в объеме проводника длиной dl= υ . dt , (рис.5.1)
dq=q 0 . n . dS . dl,
где q 0 – заряд каждой частицы, n – концентрация частиц.
Тогда сила тока
. (5.2)
Плотность тока j – векторная физическая величина, численно равная силе тока, проходящего через единицу площади сечения проводника, проведенного перпендикулярно к направлению тока, и совпадающая с направлением тока
Для того, чтобы ток был длительным, необходимо устройство, в котором какой-либо вид энергии непрерывно преобразовывался бы в энергию электрического поля. Такое устройство называется источником тока . В источнике тока перемещение носителей происходит против сил поля, а это возможно лишь благодаря силам неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами.
Величина, равная работе сторонних сил по перемеще- нию единичного положительного заряда по замкнутой цепи называется электродвижущей силой (ЭДС) x ,
Стороннюю силу, действующую на заряд, можно предста- вить через напряжённость поля сторонних сил
тогда ЭДС для замкнутой цепи определяется выражением
Следовательно, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, равна циркуляции вектора напряжённости поля сторонних сил.
Величина, численно равная работе, совершаемой электри- ческими и сторонними силами при перемещении единичного положительногоз аряда на данном участке цепи, называетсянапряжением:
 |
| |
dS tga=1/R
Рис.5.1 Рис.5.2
5.2 Обобщённый закон Ома. Дифференциальная форма закона Ома
Для каждого проводника – твердого, жидкого и газо-образного – существует определенная зависимость силы тока от приложенного напряжения – вольт - амперная характе-ристика (ВАХ). Наиболее простой вид она имеет у металли- ческих проводников и растворов электролитов (рис.5.2) и определяется законом Ома.
Согласно законуОма для однородного (не содержащего сторонних сил) участка цепи, сила тока прямо пропорцио- нальна приложенному напряжению U и обратно пропорцио- нальна сопротивлению проводника R
Единицей сопротивления является Ом ([R ] = 1 Ом ). Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряже- нии 1В течет ток 1А .
Сопротивление зависит от свойств проводника, формы и его геометрических размеров. Для однородного цилиндриче- ского проводника
где l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения,
r - удельное сопротивление (сопротивление проводника длиной 1м и площадью поперечного сечения 1м 2 )зависит от природы проводника и температуры ([r ] = Ом. м ).
Величина, обратная удельному сопротивлению, называет- ся удельной электропроводностью : s = 1/r.
Для неоднородного участка цепи, т.е. участка, содержа- щего ЭДС (рис.5.3), с учётом (5.7) и (5.8) получим
. (5.10)
Данное выражение получило название обобщённого закона Ома в интегральной форме.
Получим закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме. Для этого выделим в окрестности некоторой точки внутри проводника элементарный цилиндри- ческий объем с образующими, параллельными вектору плотности тока j в данной точке (рис. 5.4).
 | |||
 | |||
- + dS
R x 12 J
Рис. 5.3 Рис. 5.4
Через поперечное сечение цилиндра течет ток силой I=jdS . Напряжение, приложенное к цилиндру, равно
где E – напряженность поля в данной точке.
Сопротивление цилиндра . Подставляя I, U и R
в формулу (5.8) и учитывая, что направления векторов совпадают, получим закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме
. (5.11)
Закон Ома для неоднородного участка цепи в дифференциальной форме запишется следующим образом:
, (5.12)
где - напряженность поля сторонних сил.
Проводники и источники тока в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.
Последовательным называется такое соединение проводников, когда конец одного проводника соединяется с началом другого (рис.5.5). При этом выполняются соотноше- ния:
I=const;
U=U 1 +U 2 +…+U n ;
R=R 1 +R 2 +…+R n . (5.13)
Параллельным называется такое соединение, когда одни концы проводников соединяются в один узел, а другие концы - – в другой (рис.5.6). При этом выполняются соотношения:
I=I 1 +I 2 +…+I n ;
U=const;
. (5.14)
U
R 1 I 1
I U 1 U 2 U 3 I R 2 I 2 I
R 1 R 2 R 3
Рис. 5.5 Рис. 5.6
При последовательном соединении нескольких одинако- вых источников тока (рис.5.7) полная ЭДС батареи равна алгебраической сумме ЭДС всех источников, а суммарное сопротивление равно сумме внутренних сопротивлений:
x б = x 1 + x 2 +…+ x n , r б = r 1 + r 2 +…+r n .
При параллельном подключении n источниковс одинаковыми ЭДС - x и внутренними сопротивлениями – r (рис.5.8) ЭДС батареи равна ЭДС одного источника (x б = x), а внутреннее сопротивление батареи r б = r/n .
Если изолированный проводник поместить в электрическое поле \(\overrightarrow{E} \), то на свободные заряды \(q\) в проводнике будет действовать сила \(\overrightarrow{F} = q\overrightarrow{E}\) В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю.
Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда.
Направленное движение заряженных частиц называется электрическим током.
За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока \(I\) - скалярная физическая величина, равная отношению заряда \(\Delta q\), переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени \(\Delta t\), к этому интервалу времени:
$$I = \frac{\Delta q}{\Delta t} $$
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным .
В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в Амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током.
Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи , в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения . Такие устройства называются источниками постоянного тока . Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.
Физическая величина, равная отношению работы \(A_{ст}\) сторонних сил при перемещении заряда \(q\) от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
$$ЭДС=\varepsilon=\frac{A_{ст}}{q}. $$
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в Вольтах (В).
При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.
Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными . Участки, включающие источники тока, называются неоднородными .
При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов \(\Delta \phi_{12} = \phi_{1} - \phi_{2}\) между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе \(\mathcal{E}\), действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна
$$U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2} + \mathcal{E}$$
Величину U 12 принято называть напряжением на участке цепи 1-2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:
$$U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2}$$
Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока \(I\), текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению \(U\) на концах проводника:
$$I = \frac{1}{R} U; \: U = IR$$
где \(R\) = const.
Величину R принято называть электрическим сопротивлением . Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором . Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит Ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными . Графическая зависимость силы тока \(I\) от напряжения \(U\) (такие графики называются вольт-амперными характеристиками , сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:
$$IR = U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2} + \mathcal{E} = \Delta \phi_{12} + \mathcal{E}$$
$$\color{blue}{I = \frac{U}{R}}$$
Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи .
На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd ) является однородным.
|
|
|
Рисунок 1.8.2. Цепь постоянного тока |
По закону Ома
$$IR = \Delta\phi_{cd}$$
Участок (ab ) содержит источник тока с ЭДС, равной \(\mathcal{E}\).
По закону Ома для неоднородного участка,
$$Ir = \Delta \phi_{ab} + \mathcal{E}$$
Сложив оба равенства, получим:
$$I(R+r) = \Delta\phi_{cd} + \Delta \phi_{ab} + \mathcal{E}$$
Но \(\Delta\phi_{cd} = \Delta \phi_{ba} = -\Delta \phi_{ab}\).
$$\color{blue}{I=\frac{\mathcal{E}}{R + r}}$$
Эта формула выражает закон Ома для полной цепи : сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи (внутреннего сопротивления источника).
Сопротивление r неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока . В этом случае участок (ab ) на рис. 1.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (\(R\ \ll r\)), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания
$$I_{кз}=\frac{\mathcal{E}}{r}$$
Сила тока короткого замыкания - максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой \(\mathcal{E}\) и внутренним сопротивлением \(r\). У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление r равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.
Если внешняя цепь разомкнута, то \(\Delta \phi_{ba} = -\Delta \phi_{ab} = \mathcal{E}\), т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.
Если внешнее нагрузочное сопротивление R включено и через батарею протекает ток I , разность потенциалов на ее полюсах становится равной
$$\Delta \phi_{ba} = \mathcal{E} - Ir$$
На рис. 1.8.3 дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной \(\mathcal{E}\) и внутренним сопротивлением r в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность \(\overrightarrow{E}\) электрического поля внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды:\(\overrightarrow{F}_{э}\) - электрическая сила и \(\overrightarrow{F}_{ст}\) - сторонняя сила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы - вольтметры и амперметры .
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением \(R_{В}\). Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:
$$R_{В} \gg R_{1}$$
Это условие означает, что ток \(I_{В} = \Delta \phi_{cd} / R_{В}\), протекающий через вольтметр, много меньше тока \(I = \Delta \phi_{cd} / R_{1}\), который протекает по тестируемому участку цепи.
Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением \(R_{А}\). В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию
$$R_{А} \ll (r + R_{1} + R{2})$$
чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.
Измерительные приборы - вольтметры и амперметры - бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.
В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током . За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q , переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t , к этому интервалу времени:
Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным . Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.
Находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):
Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I 1 до значения I 2 , то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:
Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:
При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:
где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.
Сопротивление проводника зависит и от его температуры:
где: R 0 – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.
Диод в цепи постоянного тока
Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:
Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.
Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников
Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I , текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R , пропорциональна напряжению U на концах проводника:
Величину R принято называть электрическим сопротивлением . Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором . Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи : сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными . Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно . У каждого способа есть свои закономерности.
1. Закономерности последовательного соединения:
Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R , то общее сопротивление R 0 находится по формуле:
2. Закономерности параллельного соединения:
Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R , то общее сопротивление R 0 находится по формуле:
Электроизмерительные приборы
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры .
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R B . Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R A . В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.
ЭДС. Закон Ома для полной цепи
Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока . Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы A ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС) :
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:
Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).
Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника ):
Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.
Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания :
Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r . У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
Несколько источников ЭДС в цепи
Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно , то:
1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:
Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.
2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:
В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.
При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:
В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.
Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца
Работа A электрического тока I , протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R , преобразуется в теплоту Q , выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):
Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца . Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt , за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:
Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).
Энергобаланс замкнутой цепи
Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R . В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:
Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:
Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R 1 и R 2 на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:
Мощность потерь или мощность внутри источника тока:
Полная мощность, развиваемая источником тока:
КПД источника тока:
Электролиз
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.
Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза .
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду ), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду ). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией .
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q , прошедшему через электролит:
Величину k называют электрохимическим эквивалентом . Он может быть рассчитан по формуле:
где: n – валентность вещества, N A – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:
Электрический ток в газах и в вакууме
Электрический ток в газах
В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов - электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов .
Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием - ионизатором . Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α -частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов - электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).
Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.
Электрический ток в вакууме
Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.
Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.
- Назад
- Вперёд
Как успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике?
Для того чтобы успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:
- Изучить все темы и выполнить все тесты и задания приведенные в учебных материалах на этом сайте. Для этого нужно всего ничего, а именно: посвящать подготовке к ЦТ по физике и математике, изучению теории и решению задач по три-четыре часа каждый день. Дело в том, что ЦТ это экзамен где мало просто знать физику или математику, нужно еще уметь быстро и без сбоев решать большое количество задач по разным темам и различной сложности. Последнему научиться можно только решив тысячи задач.
- Выучить все формулы и законы в физике, и формулы и методы в математике . На самом деле, выполнить это тоже очень просто, необходимых формул по физике всего около 200 штук, а по математике даже чуть меньше. В каждом из этих предметов есть около десятка стандартных методов решения задач базового уровня сложности, которые тоже вполне можно выучить, и таким образом, совершенно на автомате и без затруднений решить в нужный момент большую часть ЦТ. После этого Вам останется подумать только над самыми сложными задачами.
- Посетить все три этапа репетиционного тестирования по физике и математике. Каждый РТ можно посещать по два раза, чтобы прорешать оба варианта. Опять же на ЦТ, кроме умения быстро и качественно решать задачи, и знания формул и методов необходимо также уметь правильно спланировать время, распределить силы, а главное правильно заполнить бланк ответов, не перепутав ни номера ответов и задач, ни собственную фамилию. Также в ходе РТ важно привыкнуть к стилю постановки вопросов в задачах, который на ЦТ может показаться неподготовленному человеку очень непривычным.
Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того на что Вы способны.
Нашли ошибку?
Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на почту. Написать об ошибке можно также в социальной сети (). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.
Электрический ток
В первую очередь, стоит выяснить, что представляет собой электрический ток. Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. Чтобы он возник, следует предварительно создать электрическое поле, под действием которого вышеупомянутые заряженные частицы придут в движение.
Первые сведения об электричестве, появившиеся много столетий назад, относились к электрическим «зарядам», полученным посредством трения. Уже в глубокой древности люди знали, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Но только в конце XVI века английский врач Джильберт подробно исследовал это явление и выяснил, что точно такими же свойствами обладают и многие другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, он назвал наэлектризованными. Это слово образовано от греческого электрон - «янтарь». В настоящее время мы говорим, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называются «заряженными».
Электрические заряды всегда возникают при тесном контакте различных веществ. Если тела твердые, то их тесному соприкосновению препятствуют микроскопические выступы и неровности, которые имеются на их поверхности. Сдавливая такие тела и притирая их друг к другу, мы сближаем их поверхности, которые без нажима соприкасались бы только в нескольких точках. В некоторых телах электрические заряды могут свободно перемещаться между различными частями, в других же это невозможно. В первом случае тела называют «проводники», а во втором - «диэлектрики, или изоляторы». Проводниками являются все металлы, водные растворы солей и кислот и др. Примерами изоляторов могут служить янтарь, кварц, эбонит и все газы, находящиеся в нормальных условиях.
Тем не менее нужно отметить, что деление тел на проводники и диэлектрики весьма условно. Все вещества в большей или меньшей степени проводят электричество. Электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Такого рода ток просуществует недолго, потому что в наэлектризованном теле кончится заряд. Для продолжительного существования электрического тока в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле. Для этих целей используются источники электротока. Самый простой случай возникновения электрического тока - это когда один конец провода соединен с наэлектризованным телом, а другой - с землей.
Электрические цепи, подводящие ток к осветительным лампочкам и электромоторам, появились лишь после изобретения батарей, которое датируется примерно 1800 годом. После этого развитие учения об электричестве пошло так быстро, что менее чем за столетие оно стало не просто частью физики, но легло в основу новой электрической цивилизации.
Основные величины электрического тока
Количество электричества и сила тока . Действия электрического тока могут быть сильными или слабыми. Сила действия электрического тока зависит от величины заряда, который протекает по цепи за определенную единицу времени. Чем больше электронов переместилось от одного полюса источника к другому, тем больше общий заряд, перенесенный электронами. Такой общий заряд называется количество электричества, проходящее сквозь проводник.
От количества электричества зависит, в частности, химическое действие электрического тока, т. е. чем больший заряд прошел через раствор электролита, тем больше вещества осядет на катоде и аноде. В связи с этим количество электричества можно подсчитать, взвесив массу отложившегося на электроде вещества и зная массу и заряд одного иона этого вещества.
Силой тока называется величина, которая равна отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к времени его протекания. Единицей измерения заряда является кулон (Кл), время измеряется в секундах (с). В этом случае единица силы тока выражается в Кл/с. Такую единицу называют ампером (А). Для того чтобы измерить силу тока в цепи, применяют электроизмерительный прибор, называемый амперметром. Для включения в цепь амперметр снабжен двумя клеммами. В цепь его включают последовательно.
Электрическое напряжение . Мы уже знаем, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц - электронов. Это движение создается при помощи электрического поля, которое совершает при этом определенную работу. Это явление называется работой электрического тока. Для того чтобы переместить больший заряд по электрической цепи за 1 с, электрическое поле должно выполнить большую работу. Исходя из этого, выясняется, что работа электрического тока должна зависеть от силы тока. Но существует и еще одно значение, от которого зависит работа тока. Эту величину называют напряжением.
Напряжение - это отношение работы тока на определенном участке электрической цепи к заряду, протекающему по этому же участку цепи. Работа тока измеряется в джоулях (Дж), заряд - в кулонах (Кл). В связи с этим единицей измерения напряжения станет 1 Дж/Кл. Данную единицу назвали вольтом (В).
Для того чтобы в электрической цепи возникло напряжение, нужен источник тока. При разомкнутой цепи напряжение имеется только на клеммах источника тока. Если этот источник тока включить в цепь, напряжение возникнет и на отдельных участках цепи. В связи с этим появится и ток в цепи. То есть коротко можно сказать следующее: если в цепи нет напряжения, нет и тока. Для того чтобы измерить напряжение, применяют электроизмерительный прибор, называемый вольтметром. Своим внешним видом он напоминает ранее упоминавшийся амперметр, с той лишь разницей, что на шкале вольтметра стоит буква V (вместо А на амперметре). Вольтметр имеет две клеммы, с помощью которых он параллельно включается в электрическую цепь.
Электрическое сопротивление . После подключения в электрическую цепь всевозможных проводников и амперметра можно заметить, что при использовании разных проводников амперметр выдает разные показания, т. е. в этом случае сила тока, имеющаяся в электрической цепи, разная. Это явление можно объяснить тем, что разные проводники имеют разное электрическое сопротивление, которое представляет собой физическую величину. В честь немецкого физика ее назвали Омом. Как правило, в физике применяются более крупные единицы: килоом, мегаом и пр. Сопротивление проводника обычно обозначается буквой R, длина проводника - L, площадь поперечного сечения - S. В этом случае можно сопротивление записать в виде формулы:
где коэффициент р называется удельным сопротивлением. Данный коэффициент выражает сопротивление проводника длиною в 1 м при площади поперечного сечения, равной 1 м2. Удельное сопротивление выражается в Ом х м. Поскольку провода, как правило, имеют довольно малое сечение, то обычно их площади выражают в квадратных миллиметрах. В этом случае единицей удельного сопротивления станет Ом х мм2/м. В нижеприведенной табл. 1 показаны удельные сопротивления некоторых материалов.
|
Таблица 1. Удельное электрическое сопротивление некоторых материалов |
|||
|
Материал |
р, Ом х м2/м |
Материал |
р, Ом х м2/м |
|
Платино-иридиевый сплав | |||
|
Металл или сплав |
|||
|
Манганин (сплав) | |||
|
Алюминий |
Константан (сплав) | ||
|
Вольфрам | |||
|
Нихром (сплав) | |||
|
Никелин (сплав) |
Фехраль (сплав) | ||
|
Хромель (сплав) | |||
По данным табл. 1 становится понятно, что самое малое удельное электрическое сопротивление имеет медь, самое большое - сплав металлов. Кроме этого, большим удельным сопротивлением обладают диэлектрики (изоляторы).
Электрическая емкость . Мы уже знаем, что два изолированных друг от друга проводника могут накапливать электрические заряды. Это явление характеризуется физической величиной, которую назвали электрической емкостью. Электрическая емкость двух проводников - не что иное, как отношение заряда одного из них к разности потенциалов между этим проводником и соседним. Чем меньше будет напряжение при получении заряда проводниками, тем больше их емкость. За единицу электрической емкости принимают фарад (Ф). На практике используются доли данной единицы: микрофарад (мкФ) и пикофарад (пФ).
Яндекс.ДиректВсе объявления Квартиры посуточно Казань! Квартиры от 1000 руб. посуточно. Мини-гостиницы. Отчетные документы16.forguest.ru Квартиры посуточно в Казани Уютные квартиры во всех районах Казани. Быстрая аренда квартир посуточно.fatyr.ru Новый Яндекс.Браузер! Удобные закладки и надежная защита. Браузер для приятных прогулок по сети!browser.yandex.ru 0+
Если взять два изолированных друг от друга проводника, разместить их на небольшом расстоянии один от другого, то получится конденсатор. Емкость конденсатора зависит от толщины его пластин и толщины диэлектрика и его проницаемости. Уменьшая толщину диэлектрика между пластинами конденсатора, можно намного увеличить емкость последнего. На всех конденсаторах, помимо их емкости, обязательно указывается напряжение, на которое рассчитаны эти устройства.
Работа и мощность электрического тока . Из вышесказанного понятно, что электрический ток совершает определенную работу. При подключении электродвигателей электроток заставляет работать всевозможное оборудование, двигает по рельсам поезда, освещает улицы, обогревает жилище, а также производит химическое воздействие, т. е. позволяет выполнять электролиз и т. д. Можно сказать, что работа тока на определенном участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа. Работа измеряется в джоулях, напряжение - в вольтах, сила тока - амперах, время - в секундах. В связи с этим 1 Дж = 1В х 1А х 1с. Из этого получается, для того чтобы измерить работу электрического тока, следует задействовать сразу три прибора: амперметр, вольтметр и часы. Но это громоздко и малоэффективно. Поэтому, обычно, работу электрического тока замеряют электрическими счетчиками. В устройстве данного прибора имеются все вышеназванные приборы.
Мощность электрического тока равна отношению работы тока к времени, в течение которого она совершалась. Мощность обозначается буквой «Р» и выражается в ваттах (Вт). На практике используют киловатты, мегаватты, гектоватты и пр. Для того чтобы замерить мощность цепи, нужно взять ваттметр. Электротехники работу тока выражают в киловатт-часах (кВтч).
Основные законы электрического тока
Закон Ома . Напряжение и ток считаются наиболее удобными характеристиками электрических цепей. Одной из главных особенностей применения электричества является быстрая транспортировка энергии из одного места в другое и передача ее потребителю в нужной форме. Произведение разности потенциалов на силу тока дает мощность, т. е. количество энергии, отдаваемой в цепи на единицу времени. Как было сказано выше, чтобы замерить мощность в электрической цепи, понадобилось бы 3 прибора. А нельзя ли обойтись одним и вычислить мощность по его показаниям и какой-либо характеристике цепи, вроде ее сопротивления? Многим эта идея понравилась, они посчитали ее плодотворной.
Итак, что же такое сопротивление провода или цепи в целом? Обладает ли проволока, подобно водопроводным трубам или трубам вакуумной системы, постоянным свойством, которое можно было бы назвать сопротивлением? К примеру, в трубах отношение разности давления, создающей поток, деленное на расход, обычно является постоянной характеристикой трубы. Точно так же тепловой поток в проволоке подчиняется простому соотношению, в которое входит разность температур, площадь поперечного сечения проволоки и ее длина. Открытие такого соотношения для электрических цепей стало итогом успешных поисков.
В 1820-х годах немецкий школьный учитель Георг Ом первым приступил к поискам вышеназванного соотношения. В первую очередь, он стремился к славе и известности, которые бы позволили ему преподавать в университете. Только поэтому он выбрал такую область исследований, которая сулила особые преимущества.
Ом был сыном слесаря, поэтому знал, как вытягивать металлическую проволоку разной толщины, нужную ему для опытов. Поскольку в те времена нельзя было купить пригодную проволоку, Ом изготавливал ее собственноручно. Во время опытов он пробовал разные длины, разные толщины, разные металлы и даже разные температуры. Все эти факторы он варьировал поочередно. Во времена Ома батареи были еще слабые, давали ток непостоянной величины. В связи с этим исследователь в качестве генератора применил термопару, горячий спай которой был помещен в пламя. Кроме этого, он использовал грубый магнитный амперметр, а разности потенциалов (Ом называл их «напряжениями») замерял путем изменения температуры или числа термоспаев.
Учение об электрических цепях только-только получило свое развитие. После того как, примерно, в 1800 году изобрели батареи, оно стало развиваться намного быстрее. Проектировались и изготовлялись (довольно часто вручную) различные приборы, открывались новые законы, появлялись понятия и термины и т. д. Все это привело к более глубокому пониманию электрических явлений и факторов.
Обновление знаний об электричестве, с одной стороны, стало причиной появления новой области физики, с другой стороны, явилось основой для бурного развития электротехники, т. е. были изобретены батареи, генераторы, системы электроснабжения для освещения и электрического привода, электропечи, электромоторы и прочее, прочее.
Открытия Ома имели огромное значение как для развития учения об электричестве, так и для развития прикладной электротехники. Они позволили легко предсказывать свойства электрических цепей для постоянного тока, а впоследствии - для переменного. В 1826 году Ом опубликовал книгу, в которой изложил теоретические выводы и экспериментальные результаты. Но его надежды не оправдались, книгу встретили насмешками. Это произошло потому, что метод грубого экспериментирования казался мало привлекательным в эпоху, когда многие увлекались философией.
Ому не оставалось ничего другого, как оставить занимаемую должность преподавателя. Назначения в университет он не добился по этой же причине. В течение 6 лет ученый жил в нищете, без уверенности в будущем, испытывая чувство горького разочарования.
Но постепенно его труды получили известность сначала за пределами Германии. Ома уважали за границей, пользовались его изысканиями. В связи с этим соотечественники вынуждены были признать его на родине. В 1849 году он получил должность профессора Мюнхенского университета.
Ом открыл простой закон, устанавливающий связь между силой тока и напряжением для отрезка проволоки (для части цепи, для всей цепи). Кроме этого, он составил правила, которые позволяют определить, что изменится, если взять проволоку другого размера. Закон Ома формулируется следующим образом: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка.
Закон Джоуля-Ленца . Электрический ток в любом участке цепи выполняет определенную работу. Для примера возьмем какой-либо участок цепи, между концами которого имеется напряжение (U). По определению электрического напряжения, работа, совершаемая при перемещении единицы заряда между двумя точками, равна U. Если сила тока на данном участке цепи равна i, то за время t пройдет заряд it, и поэтому работа электрического тока в этом участке будет:
Это выражение справедливо для постоянного тока в любом случае, для какого угодно участка цепи, который может содержать проводники, электромоторы и пр. Мощность тока, т. е. работа в единицу времени, равна:
Эту формулу применяют в системе СИ для определения единицы напряжения.
Предположим, что участок цепи представляет собой неподвижный проводник. В этом случае вся работа превратится в тепло, которое выделится в этом проводнике. Если проводник однородный и подчиняется закону Ома (сюда относятся все металлы и электролиты), то:
где r - сопротивление проводника. В таком случае:
Этот закон впервые опытным путем вывел Э. Ленц и, независимо от него, Джоуль.
Следует отметить, что нагревание проводников находит многочисленное применение в технике. Самое распространенное и важное среди них - осветительные лампы накаливания.
Закон электромагнитной индукции . В первой половине XIX века английский физик М. Фарадей открыл явление магнитной индукции. Этот факт, став достоянием многих исследователей, дал мощный толчок развитию электро- и радиотехники.
В ходе опытов Фарадей выяснил, что при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в нем возникает электрический ток. Это и является основой, пожалуй, самого важного закона физики - закона электромагнитной индукции. Ток, который возникает в контуре, назвали индукционным. В связи с тем что электроток возникает в цепи только в случае воздействия на свободные заряды сторонних сил, то при изменяющемся магнитном потоке, проходящем по поверхности замкнутого контура, в нем появляются эти самые сторонние силы. Действие сторонних сил в физике называется электродвижущей силой или ЭДС индукции.
Электромагнитная индукция появляется также в незамкнутых проводниках. В том случае когда проводник пересекает магнитные силовые линии, на его концах возникает напряжение. Причиной появления такого напряжения становится ЭДС индукции. Если магнитный поток, проходящий сквозь замкнутый контур, не меняется, индукционный ток не появляется.
При помощи понятия «ЭДС индукции» можно рассказать о законе электромагнитной индукции, т. е. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Правило Ленца . Как мы уже знаем, в проводнике возникает индукционный ток. В зависимости от условий своего появления он имеет разное направление. По этому поводу русский физик Ленц сформулировал следующее правило: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле не дает магнитному потоку изменяться. Все это вызывает возникновение индукционного тока.
Индукционный ток, так же как и любой другой, имеет энергию. Значит, в случае возникновения индукционного тока появляется электрическая энергия. Согласно закону сохранения и превращения энергии, вышеназванная энергия может возникнуть только за счет количества энергии какого-либо другого вида энергии. Таким образом, правило Ленца полностью соответствует закону сохранения и превращения энергии.
Помимо индукции, в катушке может появляться так называемая самоиндукция. Ее суть заключается в следующем. Если в катушке возникает ток или его сила изменяется, то появляется изменяющееся магнитное поле. А если изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, то в ней возникает электродвижущая сила, которая называется ЭДС самоиндукции.
Согласно правилу Ленца, ЭДС самоиндукции при замыкании цепи создает помехи силе тока и не дает ей возрастать. При выключении цепи ЭДС самоиндукции снижает силу тока. В том случае, когда сила тока в катушке достигает определенного значения, магнитное поле перестает изменяться и ЭДС самоиндукции приобретает нулевое значение.
В настоящей статье показано, что в современной физике представление об электрическом токе мифологизировано и не имеет доказательств его современной интерпретации.
С позиций эфиродинамики обосновывается представление электрического тока как потока фотонного газа и условия его существования.
Введение. В истории науки XIX век назвали веком электричества. Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так изменившей мир, начался с гальванического элемента — первой батарейки, химического источника тока (вольтова столба) и открытия электрического тока. Исследования электрического тока, производившиеся в большом масштабе в первые годы XIX в. дали толчок проникновению электричества во все сферы жизнедеятельности человека. Современная жизнь немыслима без радио и телевидения, телефона, смартфона и компьютера, всевозможных осветительных и нагревательных приборов, машин и устройств, в основе которых лежит возможность использования электрического тока.
Однако, широкое использование электричества с первых дней открытия электрического тока находится в глубоком противоречии его теоретическому обоснованию. Ни физика XIX в., ни современная не могут ответить на вопрос: что такое электрический ток? Например, в нижеприведенном утверждении из “Британской энциклопедии” :
“Вопрос: “Что такое электричество?”, как и вопрос: “Что такое материя?”, лежит за пределами сферы физики и принадлежит сфере метафизики”.
Первые, получившие широкую известность, опыты с электрическим током были проведены итальянским физиком Гальвани в конце XVIII в. Другой итальянский физик Вольта создал первое устройство, способное давать длительный электрический ток, – гальванический элемент. Вольта показал, что соприкосновение разнородных металлов приводит их в электрическое состояние и что от присоединения к ним жидкости, проводящей электричество, образуется непосредственное течение электричества. Ток, получающийся в названном случае, называется гальваническим током и само явление гальванизмом. При этом, ток в представлении Вольта это движение электрических жидкостей — флюидов.
Существенный сдвиг в понимании сущности электрического тока был сделан
М. Фарадеем. Им было доказана тождественность отдельных видов электричества, происходящих от различных источников. Наиболее важными работами стали эксперименты по электролизу . Открытие было воспринято как одно из доказательств того что движущееся электричество фактически идентично электричеству, обусловленному трением, т. е. статическому электричеству. Его серия остроумных экспериментов по электролизу послужила убедительным подтверждением идеи, суть которой сводится к следующему: если вещество по своей природе имеет атомную структуру, то в процессе электролиза каждый атом получает определенное количество электричества.
В 1874 году ирландский физик Дж. Стоней (Стони) выступил в Белфасте с докладом, в котором использовал законы электролиза Фарадея как основу для атомарной теории электричества. По величине полного заряда, прошедшего через электролит, и довольно грубой оценке числа выделившихся на катоде атомов водорода Стоней получил для элементарного заряда число порядка 10 -20 Кл (в современных единицах). Этот доклад не был полностью опубликован вплоть до 1881 года, когда немецкий ученый
Г. Гельмгольц в одной из лекций в Лондоне отметил, что если принять гипотезу атомной структуры элементов, нельзя не прийти к выводу, что электричество также разделяется на элементарные порции или «атомы электричества». Этот вывод Гельмгольца, по существу, вытекал из результатов Фарадея по электролизу и напоминал высказывание самого Фарадея. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории.
В 1891 году Стоней, который поддерживал идею, что законы электролиза Фарадея означают существование естественной единицы заряда, ввел термин – «электрон» .
Однако, вскоре термин электрон, введенный Стонеем, теряет свою первоначальную сущность. В 1892 году Х. Лоренц формирует собственную теорию электронов. По его утверждению электричество возникает при движении крохотных заряженных частиц – положительных и отрицательных электронов.
В конце XIX в. начала развиваться электронная теория проводимости. Начала теории дал в 1900 г. немецкий физик Пауль Друде. Теория Друде вошла в учебные курсы физики под именем классической теории электропроводимости металлов. В этой теории электроны уподобляются атомам идеального газа, заполняющего кристаллическую решетку металла, а электрический ток представляется как поток этого электронного газа.
После представления модели атома Резерфорда, серии измерений величины элементарного заряда в 20-х годах ХХ ст. в физике окончательно сформировалось представление об электрическом токе, как потоке свободных электронов, структурных элементов атома вещества.
Однако, модель свободных электронов оказалась несостоятельной при объяснении сущности электрического тока в жидких электролитах, газах и полупроводниках. Для поддержки существующей теории электрического тока были введены новые носители электрического заряда – ионы и дырки.
На основании выше изложенного, в современной физике сформировалось окончательное по современным меркам понятие : электрический ток это направленное движение носителей электрических зарядов (электронов, ионов, дырок и т. п.).
За направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов; если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (напр., электронами), то направление тока считают противоположным движению частиц.
Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени. Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий: — наличие в среде свободных электрических зарядов; — создание в среде электрического поля.
Однако, данное представление электрического тока оказалось несостоятельным при описании явления сверхпроводимости. Кроме того, как выяснилось, существует много противоречий в указанном представлении электрического тока при описании функционирования практически всех типов электронных приборов. Необходимость интерпретации понятия электрический ток в разных условиях и в разных типах электронных приборах с одной стороны, а также непонимание сущности электрического тока с другой, заставило современную физику сделать из электрона – носителя электрического заряда, “фигаро” (“свободный”, “быстрый”, “выбитый”, “испущенный ”, “тормозной ”, “релятивистский”, “фото”, “термо” и т. п.), что окончательно завело вопрос “что такое электрический ток?” в тупик.
Значимость теоретического представления электрического тока в современных условиях значительно выросла не только из-за широкого применения электричества в жизнедеятельности человека, но и из-за высокой стоимости и технической целесообразности, например, научных мегапроектов , реализуемых всеми развитыми странами мира, в которых понятие электрического тока играет существенную роль.
Эфиродинамическая концепция представления электрического тока. Из выше приведенного определения следует, что электрический ток это направленное движение носителей электрических зарядов . Очевидно, что вскрытие физической сущности электрического тока находится в решении проблемы физической сущности электрического заряда и того, что является носителем этого заряда.
Проблема физической сущности электрического заряда это не решенная проблема, как классической физикой, так и современной квантовой на протяжении всей истории развития электричества. Решение этой проблемы оказалось возможным только с использованием методологии эфиродинамики , новой концепции физики XXI в..
Согласно эфиродинамическому определению : электрический заряд это мера движения потока эфира… . Электрический заряд это свойство присущее всем элементарным частицам и только. Электрический заряд это величина знакоопределенная, т. е. всегда положительная.
Из указанной физической сущности электрического заряда следует некорректность выше представленного определения электрического тока в части того, что ионы, дырки и т. п. не могут быть причиной электрического тока в связи с тем, что не являются носителями электрического заряда, так как не являются элементами организационного уровня физической материи – элементарные частицы (согласно определению).
Электроны, как элементарные частицы имеют электрический заряд, однако, согласно определению : являются одной из основных структурных единиц вещества, образуют электронные оболочки атомов , строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических и химических свойств вещества, не могут быть подвижными (свободными) носителями электрического заряда. Свободный электрон это миф, созданный современной физикой для интерпретации понятия электрический ток, не имеющий ни одного практического или теоретического доказательства. Очевидно, что, как только “свободный” электрон покинет атом вещества, образуя электрический ток, непременно должны произойти изменения физико-химических свойств этого вещества (согласно определению), чего в природе не наблюдается. Это предположение было подтверждено опытами немецкого физика Карла Виктора Эдуарда Рикке : “прохождение тока через металлы (проводники первого рода) не сопровождается химическим изменением их.” В настоящее время, зависимость физико-химических свойств вещества от наличия того или иного электрона в атоме вещества хорошо изучена и подтверждена экспериментально, например, в работе .
Также существует ссылка на опыты , выполненные впервые в 1912 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, но не опубликованные ими. Четыре года спустя (1916 г.) Р. Ч. Толмен и Т. Д. Стюарт опубликовали результаты своих опытов, оказавшихся аналогичными опытам Мандельштама и Папалекси. В современной физике эти опыты служат непосредственным подтверждением того, что переносчиками электричества в металле следует считать свободные электроны.
Для того, чтобы понять некорректность этих опытов, достаточно рассмотреть схему и методику опыта , в котором в качестве проводника использовалась катушка индуктивности, которая раскручивалась вокруг своей оси и резко останавливалась. Катушка с помощью скользящих контактов была подключена к гальванометру , который регистрировал возникновение инерционной ЭДС. Фактически можно сказать, что в данном опыте роль сторонних сил, создающих ЭДС, играла сила инерции, т. е. если в металле есть свободные носители заряда, обладающие массой, то они должны подчиняться закону инерции . Утверждение “они должны подчиняться закону инерции ” ошибочно в том плане, что согласно уровневому подходу в организации физической материи , электроны, как элементы уровня “элементарные частицы“ подчиняются только законам электро- и газодинамики, т. е. законы механики (Ньютона) к ним не применимы.
Для убедительности этого предположения рассмотрим известную задачу 3.1: вычислить отношение электростатической (Fэ) и гравитационной (Fгр) сил взаимодействия между двумя электронами, между двумя протонами.
Решение: для электронов Fэ / Fгр = 4·10 42 , для протонов Fэ / Fгр = 1,24·10 36 , т.е. влияние гравитационных сил настолько мало, что принимать их во внимание не приходится. Данное утверждение справедливо и для сил инерции.
Это значит, что выражение для ЭДС (предложенное Р. Ч. Толменом и Т. Д. Стюартом), исходя из ее определения через сторонние силы F стор , действующие на заряды внутри проводника, подвергшегося торможению:
ε = 1/e ∫F стор ∙dl,
некорректно в своей постановке, ввиду того, что F стор → 0.
Тем не менее, в результате опыта наблюдалось кратковременное отклонение стрелки гальванометра, которое требует объяснения. Для понимания этого процесса следует обратить внимание на сам гальванометр, в качестве которого был использован так называемый баллистический гальванометр . Его инструкция по использованию имеет такой вариант.
Баллистический гальванометр может использоваться в качестве веберметра (т.е. измерять магнитный поток через замкнутый проводник, например катушку), для этого к контактам баллистического гальванометра подключают индуктивную катушку , которую помещают в магнитное поле . Если после этого резко убрать катушку из магнитного поля или повернуть так чтобы ось катушки была перпендикулярна силовым линиям поля, то можно измерить заряд прошедший через катушку, вследствие электромагнитной индукции , т.к. изменение магнитного потока пропорционально прошедшему заряду, проградуировав соответствующим образом гальванометр, можно определять изменение потока в веберах .
Из выше изложенного очевидно, что использование баллистического гальванометра в качестве веберметра соответствует методике опыта Р. Ч. Толмена и Т. Д. Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах. Открытым остается вопрос об источнике магнитного поля, которым, например, могло быть магнитное поле Земли. Влияние внешнего магнитного поля Р. Ч. Толменом и Т. Д. Стюартом во внимание не принималось и не исследовалось, что и привело к мифологизации результатов опыта.
Сущность электрического тока. Из выше изложенного следует, что ответом на вопрос, что такое электрический ток? также является решение проблемы носителя электрического заряда. На основании существующих представлений этой проблемы можно сформулировать ряд требований, которым должен удовлетворять носитель электрического заряда. А именно: носитель электрического заряда должен быть элементарной частицей; носитель электрического заряда должен быть свободным и долгоживущим элементом; носитель электрического заряда не должен разрушать структуру атома вещества.
Не сложный анализ существующих фактов позволяет сделать вывод, что выше указанным требованиям удовлетворяет только один элемент уровня “элементарные частицы” физической материи: элементарная частица – фотон .
Совокупность фотонов вместе со средой (эфиром), в которой они существуют, образуют фотонный газ.
Принимая во внимание физическую сущность фотона и выше приведенные сведения можно дать следующее определение:
электрический ток это поток фотонного газа, предназначенный для переноса энергии.
Для понимания механизма движения электрического тока рассмотрим известную модель транспортировки газа метана . Упрощенно она включает в себя магистральный трубопровод, который доставляет газ метан от газового месторождения к месту потребления. Для перемещения газа метана по магистральному трубопроводу необходимо выполнение условия – давление газа метана в начале трубопровода должно быть больше давления газа метана в его конце.
По аналогии с транспортировкой газа метана рассмотрим схему движения электрического тока, состоящую из батареи (источника электрического тока), имеющей два контакта “+” и “-“ и проводника. Если к контактам батареи подсоединить металлический проводник, то получим модель движения электрического тока, подобную транспортировке газа метана.
Условием существования электрического тока в проводнике по аналогии с моделью транспортировки газа метана является наличие: источника (газа) повышенного давления, т. е. источника высокой концентрации носителей электрического заряда; трубопровода – проводника; потребителя газа, т. е. элемента, обеспечивающего снижение давления газа, т. е. элемента (сток), обеспечивающего уменьшение концентрации носителей электрического заряда.
Отличием электрических схем от газо-, гидро- и др. является то, что конструктивно источник и сток исполняются в одном узле (химическом источнике тока-батарее, электрогенераторе и т. п.). Механизм протекания электрического тока заключается в следующем: после подсоединения проводника к батарее, например, химическому источнику тока , в зоне контакта “+” (анод) происходит химическая реакция восстановления, в результате которой осуществляется генерация фотонов, т. е. образуется зона повышенной концентрации носителей электрического заряда. В это же время, в зоне контакта “-“ (катода) под воздействием фотонов, оказавшихся в этой зоне в результате перетока по проводнику, происходит реакция окисления (потребления фотонов), т. е. образуется зона пониженной концентрации носителей электрического заряда. Носители электрического заряда (фотоны) из зоны высокой концентрации (источника) движутся по проводнику в зону низкой концентрации (стоку). Таким образом, сторонней силой или электродвижущей силой (ЭДС), обеспечивающей электрический ток в цепи является разность концентрации (давления) носителей электрического заряда (фотонов), образующейся в результате работы химического источники тока.
Это обстоятельство еще раз подчеркивает справедливость основного вывода энергодинамики , согласно которому силовые поля (и в том числе электрическое поле) создается не массами, зарядами и токами самими по себе, а их неравномерным распределением в пространстве.
Исходя из рассмотренной сущности электрического тока, очевидна абсурдность опыта Р. Ч. Толмена и Т. Д. Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах. Способа генерации фотонов за счет изменения скорости механического движения какого-либо макроскопического тела в природе в настоящее время не существует.
Интересным аспектом выше изложенного представления электрического тока является его сравнение с представлением понятия “свет”, рассмотренного в работе : свет это поток фотонного газа… . Указанное сравнение позволяет сделать вывод: свет это электрический ток. Различие в этих понятиях заключается только в спектральном составе фотонов, образующих свет или электрический ток, например, в металлических проводниках. Для более убедительного понимания этого обстоятельства рассмотрим схему генерации электрического тока с помощью солнечной батареи. Поток солнечного света (фотонов видимого диапазона) от источника (солнце) достигает солнечной батареи, которая преобразует падающий поток света в электрический ток (поток фотонов), который по металлическому проводнику поступает потребителю (сток). В данном случае солнечная батарея выполняет роль преобразователя спектра потока фотонов, излучаемого солнцем в спектр фотонов электрического тока в металлическом проводнике.
Выводы . В современной физике не существует доказательств, что электрический ток это направленное движение электронов или каких-либо других частиц. Напротив, современные представления об электроне, электрическом заряде и опыты Рикке показывают на ошибочность данного понятия электрического тока.
Обоснование совокупности требований к носителю электрического заряда, с учетом его эфиродинамической сущности, позволили установить, что электрический ток это поток фотонного газа, предназначенный для переноса энергии.
Движение электрического тока осуществляется из зоны высокой концентрации фотонов (исток) в зону низкой концентрации (сток).
Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение трех условий: поддержание (генерация) высокой концентрации фотонов в зоне истока, наличие проводника, обеспечивающего переток фотонов и создание зоны потребления фотонов в области стока.
Электричество Электрон.
Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов