2. При каких условиях возникает электрический ток?
Электрический ток возникает, если имеются свободные заряды, а так же в результате действия внешнего электрического поля. Для получения электрического поля достаточно создать разность потенциалов между какими-то двумя точками проводника.3. Почему движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие внешнего электрического поля является хаотическим?
Если отсутствует внешнее электрическое поле, то отсутствует и дополнительная составляющая скорости направленная вдоль напряженности электрического поля, а значит, все направления движения частиц равноправны.4. Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие и при наличии внешнего электрического поля?
В отсутствии электрического поля движение заряженных частиц хаотично, а при его наличии - движение частиц это результат хаотичного и поступательного движений.5. Как выбирается направление электрического тока? В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?
За направление электрического тока принято направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике электроны движутся в сторону, противоположную направлению тока.Что мы действительно знаем на сегодняшний день об электричестве? Согласно современным взглядам многое, но если более детально углубиться в суть данного вопроса, то окажется, что человечество широко использует электричество, не понимая истинной природы этого важного физического явления.
Целью данной статьи не является опровержение достигнутых научно-технических прикладных результатов исследований в области электрических явлений, которые находят широкое применение в быту и промышленности современного общества. Но человечество непрерывно сталкивается с рядом феноменов и парадоксов, которые не укладываются в рамки современных теоретических представлений относительно электрических явлений ‒ это указывает на отсутствие всецелого понимания физики данного явления.
Также на сегодняшний день науке известны факты, когда, казалось бы, изученные вещества и материалы проявляют аномальные свойства проводимости () .
Такое явление как сверхпроводимость материалов также не имеет полностью удовлетворительной теории в настоящее время. Существует лишь предположение, что сверхпроводимость является квантовым явлением , которое изучается квантовой механикой. При внимательном изучении основных уравнений квантовой механики: уравнения Шрёдингера, уравнения фон Неймана, уравнения Линдблада, уравнения Гейзенберга и уравнения Паули, то станет очевидной их несостоятельность. Дело в том, что уравнение Шрёдингера не выводится, а постулируется методом аналогии с классической оптикой, на основе обобщения экспериментальных данных. Уравнение Паули описывает движение заряженной частицы со спином 1/2 (например, электрона) во внешнем электромагнитном поле, но понятие спина не связано с реальным вращением элементарной частицы, а также относительно спина постулируется то, что существует пространство состояний, никак не связанных с перемещением элементарной частицы в обычном пространстве.
В книге Анастасии Новых «Эзоосмос» есть упоминание относительно несостоятельности квантовой теории: «А вот квантомеханическая теория строения атома, которая рассматривает атом как систему микрочастиц, не подчиняющихся законам классической механики, абсолютно не актуальна . На первый взгляд доводы немецкого физика Гейзенберга и австрийского физика Шрёдингера кажутся людям убедительными, но если всё это рассмотреть с другой точки зрения, то их выводы верны лишь отчасти, а в целом, так и вовсе оба не правы. Дело в том, что первый описал электрон, как частицу, а другой как волну. Кстати и принцип корпускулярно-волнового дуализма также неактуален, поскольку не раскрывает перехода частицы в волну и наоборот. То есть куцый какой-то получается у учёных господ. На самом деле всё очень просто. Вообще хочу сказать, что физика будущего очень проста и понятна. Главное дожить до этого будущего. А что касательно электрона, то он становится волной только в двух случаях. Первый — это когда утрачивается внешний заряд, то есть когда электрон не взаимодействует с другими материальными объектами, скажем с тем же атомом. Второй, в предосмическом состоянии, то есть когда снижается его внутренний потенциал» .
Те же электрические импульсы, сгенерированные нейронами нервной системы человека, поддерживают активное сложное многообразное функционирование организма. Интересно отметить, что потенциал действия клетки (волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в виде кратковременного изменения мембранного потенциала на небольшом участке возбудимой клетки) находится в определённом диапазоне (рис. 1).
Нижняя граница потенциала действия нейрона находится на уровне -75 мВ, что очень близко к значению окислительно-восстановительного потенциала крови человека. Если проанализировать максимальное и минимальное значение потенциала действия относительно нуля, то оно очень близко к процентному округлённому значению золотого сечения , т.е. деление интервала в отношении 62% и 38%:
\(\Delta = 75 мВ+40 мВ = 115 мВ\)
115 мВ / 100% = 75 мВ / х 1 или 115 мВ / 100% = 40 мВ / х 2
х 1 = 65,2%, х 2 = 34,8%
Все, известные современной науке, вещества и материалы проводят электричество в той или иной мере, поскольку в их составе присутствуют электроны, состоящие из 13 фантомных частичек По, которые, в свою очередь, являются септонными сгустками («ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА» стр. 61) . Вопрос заключается только в напряжении электрического тока, которое необходимо для преодоления электрического сопротивления.
Поскольку электрические явления тесно связаны с электроном, то в докладе «ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА» приведена следующая информация относительно этой важной элементарной частицы: «Электрон является составной частью атома, одним из основных структурных элементов вещества. Электроны образуют электронные оболочки атомов всех известных на сегодняшний день химических элементов. Они участвуют почти во всех электрических явлениях, о которых ведают ныне учёные. Но что такое электричество на самом деле, официальная наука до сих пор не может объяснить, ограничиваясь общими фразами, что это, например, «совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием заряженных тел или частиц носителей электрических зарядов». Известно, что электричество не является непрерывным потоком, а переносится порциями ‒ дискретно ».
Согласно современным представлениям: «электрический ток - это совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов». Но что такое электрический заряд?
Электрический заряд (количество электричества) — это физическая скалярная величина (величина, каждое значение которой может быть выражено одним действительным числом), определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Электрические заряды разделяют на положительные и отрицательные (данный выбор считается в науке чисто условным и за каждым из зарядов закреплён вполне определённый знак). Тела, заряженные зарядом одного знака, отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются. При движении заряженных тел (как макроскопических тел, так и микроскопических заряженных частиц, переносящих электрический ток в проводниках) возникает магнитное поле и имеют место явления, позволяющие установить родство электричества и магнетизма (электромагнетизм).
Электродинамика изучает электромагнитное поле в наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд. Классическая электродинамика учитывает только непрерывные свойства электромагнитного поля.
Квантовая электродинамика изучает электромагнитные поля, которые обладают прерывными (дискретными) свойствами, носителями которых являются кванты поля — фотоны. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами рассматривается в квантовой электродинамике как поглощение и испускание частицами фотонов.
Стоит задуматься, почему магнитное поле появляется вокруг проводника с током, или же вокруг атома, по орбитам которого перемещаются электроны? Дело в том, что «то, что сегодня называют электричеством ‒ это на самом деле особое состояние септонного поля , в процессах которого электрон в большинстве случаев принимает участие наравне с другими его дополнительными «компонентами» » («ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА» стр. 90) .
А тороидальная форма магнитного поля обусловлена природой его происхождения. Как сказано в статье : «Учитывая фрактальные закономерности во Вселенной, а также тот факт, что септонное поле в материальном мире в пределах 6-ти измерений является тем фундаментальным, единым полем, на котором основаны все известные современной науке взаимодействия, то можно утверждать, что все они также имеют форму тора. И это утверждение может представлять особый научный интерес для современных исследователей» . Поэтому электромагнитное поле всегда будет принимать форму тора, подобно тору септона.
Рассмотрим спираль, через которую протекает электрический ток и как именно формируется её электромагнитное поле (https://www.youtube.com/watch?v=0BgV-ST478M).
Рис. 2. Силовые линии прямоугольного магнита
Рис. 3. Силовые линии спирали с током
Рис. 4. Силовые линии отдельных участков спирали
Рис. 5. Аналогия между силовыми линиями спирали и атомов с орбитальными электронами
Рис. 6. Отдельный фрагмент спирали и атом с силовыми линиями
ВЫВОД : человечеству еще только предстоит узнать тайны загадочного явления электричества.
Пётр Тотов
Ключевые слова: ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА, электрический ток, электричество, природа электричества, электрический заряд, электромагнитное поле, квантовая механика, электрон.
Литература:
Новых. А., Эзоосмос, К.: ЛОТОС, 2013. - 312 с. http://schambala.com.ua/book/ezoosmos
Доклад «ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА» интернациональной группы учёных Международного общественного движения «АЛЛАТРА» под ред. Анастасии Новых, 2015 г. ;
Содержание:
Каждому обывателю знакомы на слух электрические величины - ток, напряжение, - от них зависит работа бытовых приборов, но полное понимание определения электротока есть у немногих людей. Показательно сравнение электрического тока с течением реки, только в нем двигаются частицы, имеющие заряд, а в реке - вода. Надо понимать, что ток движется только в одном направлении, для его существования должны быть созданы условия, рассмотрим эти процессы подробней.
Основные определения
Электричество каждый день окружает нас, но что такое электрический ток и связанные с ним величины - понимает не каждый человек, однако они важны для повседневной жизни. Есть несколько толкований понятия электротока:
- Принятое в школьном учебнике определение, что электрический ток - это движение частиц, имеющих заряд за счет воздействия на них электрического поля. Частицами являются: протоны, дырки, электроны, ионы.
- В электрической литературе высших учебных заведений пишется, что электрический ток это - скорость, с которой заряд изменяется с течением времени. Принимается отрицательный заряд электронов, положительный у протонов и нейтральный у нейтронов.
В электротехнике специалисты отмечают значение такого понятия, как сила тока - это количество частиц, имеющих заряд, которые проходят через сечение проводника с течением времени. Движение тока в проводнике можно описать следующим образом: «…Все токопроводящие материалы имеют внутреннее строение (молекулы, атомы, ядра с вращающимися электронами), когда на материал воздействует химическая реакция, электроны от одного атома перебегают к другому. Создается ситуация, при которой одни атомы испытывают недостаток в электронах, а другие - их избыток, что показывает противоположность заряда. Электроны стремятся к переходу из одного вещества в другое, это движение и есть электрический ток».
Специалисты акцентируют внимание на том, что в этом случае ток течет только до того момента, пока не произойдет уравнивание зарядов в двух веществах.
Для понимания движения тока важно знать определение напряжения - это разность потенциалов, которые берутся в двух точках электрического поля, измеряются в вольтах.
Электрическая энергия
В разных регионах, в частности, и в Украине простой обыватель интересуется: «Що таке електричний струм?», с какой целью он применяется, из чего происходит. Повседневно мы пользуемся электрической энергией, которая представлена переменным током в электрических сетях.
Переменный ток в проводнике - это когда частицы, имеющие заряд за определенный промежуток времени, меняют его по направлению, а также по величине. Графически переменный ток представляется синусоидой. Создается он генераторами, в которых вращаются катушки с проводами и в процессе вращения пересекают магнитное поле. В период вращения катушки могут открываться и закрываться по отношению к магнитному полю, что создает электрический ток, который меняется в проводниках по направлению, а полный цикл проходит за одну минуту.
Вращение генераторов происходит от паровых турбин, имеющих разные источники питания: уголь, газ, атомный реактор, нефть. Далее через систему трансформаторов повышается напряжение тока, через проводники нужного диаметра он переносится без потерь на длительное расстояние. Диаметр провода, по которому проходит ток, определяет его силу и величину, горячими линиями в энергетике называются магистральные линии передачи энергии, есть и заземленные варианты, когда передача электроэнергии происходит под землей.
Где применяется электрический ток?
Именно ток значительно облегчает нам жизнь, создавая комфорт в доме. Он применяется для освещения помещений, улицы, для просушки вещей, в нагревательных элементах электроплиты, в других бытовых приборах и устройствах, выполняет работу подъема гаражных дверей и т.д.
Условия, необходимые для получения электротока
Для существования электротока нужны следующие условия: наличие частиц, имеющих заряд, электропроводный материал, по которому будут двигаться частицы, источник напряжения. Важным условием получения электротока является наличие напряжения, которое определяется разностью потенциалов. Иными словами, сила, создаваемая заряженными частицами отталкивания, в одной точке больше, чем в другой.
Природных источников напряжения не существует, по этой причине вокруг нас равномерно распределяются электроны, но такие изобретения, как батарейки дали возможность накапливать в них электрическую энергию.
Другим важным условием является электрическое сопротивление, или проводник, по которому будут двигаться частицы, имеющие заряд. Материалы, в которых это действие возможно, называются электропроводными, а те, в которых нет свободного движения электронов, - изоляторами. Обыкновенный провод имеет проводящую металлическую жилу и изолирующую оболочку.
Электроток в проводниках
В любом проводнике есть носители электрического заряда, которые приходят в движение под воздействием силы поля, создаваемого электрической машиной.
Металлические проводники переносят заряд при помощи электронов. Чем выше температура проводника и нагрев провода, тем хуже протекает ток, так как в нем начинается хаотическое движение атомов от теплового воздействия, увеличивается сопротивление проводящего материала. Чем ниже температура проводника (в идеале - стремление к нулю), тем меньше его сопротивление.
Жидкости могут проводить электроток при помощи ионов (электролиты). Перемещение происходит к электроду, имеющему противоположный с ионом знак, и, оседая на нем, ионы осуществляют процесс электролиза. Анионы - положительно заряженные ионы, двигающиеся к катоду. Катионы - ионы, имеющие отрицательный заряд, двигаются к аноду. В процессе нагревания электролита уменьшается его сопротивление.
Газ также имеет проводимость, электроток в нем - плазма. Движение происходит при помощи заряженных ионов или свободных электронов, которые получаются в процессе излучения.
Электронно-лучевая трубка - это пример электротока в вакууме от стержня катода к стержню анода.
Электроток в полупроводниках
Для понимания прохождения тока в этом материале дадим ему определение. Полупроводник - промежуточный материал между проводником и изолятором, зависит от удельной проводимости, наличия в нем примесей, температурного состояния и воздействующего на него излучения. Чем ниже температура, тем больше сопротивление полупроводника, свойства его влияют на измерения характеристик. Электроток в полупроводнике - это сумма электронного и дырочного тока.
Когда повышается температура полупроводника, происходит разрыв ковалентных связей от действия тепловой энергии на валентные электроны, образуются свободные электроны, в точке разрыва получается дырка. Она занимается валентным электроном другой пары, а сама перемещается далее в кристалле. Когда свободный электрон встречается с дыркой, между ними происходит рекомбинация, восстановление электронных связей. Когда на полупроводник воздействуют энергией электромагнитного излучения, появляются в нем электронно-дырочные пары.
Законы электрического тока
В электротехнике применяются основные законы, которые дают определение электрического тока. Один из главнейших - закон Ома, особенностью которого является быстрота передачи энергии без изменения ее формы из одной точки в другую.
Этот закон показывает связь между напряжением и силой тока, а также сопротивлением проводника или участка цепи. Сопротивление измеряется в омах.
Работу электротока определяют законом Джоуля-Ленца, который говорит о том, что в любой точке цепи ток выполняет работу.
Фарадей открыл магнитную индукцию, а также опытным способом установил, что при пересечении линии магнитной индукции поверхностью замкнутого проводника в нем появляется электроток. Он вывел закон электромагнитной индукции:
Не замкнутые проводники, пересекающие линии магнитного поля, получают на концах напряжение, что говорит о появлении ЭДС индукции. Если магнитный поток неизменен и пересекает замкнутый контур, то в нем не возникает электротока. ЭДС индукции замкнутого контура, когда меняется магнитный поток, равен модулю его скорости изменения.
Вывод
Когда по проводнику протекает электрический ток, он его нагревает, по этой причине необходимо соблюдать меры безопасности, работая с электрическими приборами и устройствами. Нельзя допускать перегрузки линии передачи энергии, она может нагреться, и возникнет пожар. Электроток всегда движется по пути наименьшего сопротивления.
В момент появления КЗ (короткого замыкания) ток в разы возрастает, происходит моментальное выделение огромного теплового значения, которое плавит металл. Электрический ток может вызвать ожоги на теле человека или животного, но применяется в реанимационных установках, для депрессивных решений и лечения заболеваний.
По правилам электробезопасности ощутимый человеком ток наступает с величины один миллиампер, а опасным для здоровья считается ток с 0,01 ампера, смертельной величиной определена сила тока в 0,1 ампера. Безопасное напряжение для человека - 12-24-32-42 вольта.
Темы кодификатора ЕГЭ : постоянный электрический ток, сила тока, напряжение.
Электрический ток обеспечивает комфортом жизнь современного человека. Технологические достижения цивилизации - энергетика, транспорт, радио, телевидение, компьютеры, мобильная связь - основаны на использовании электрического тока.
Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие.
Электрический ток может возникать в самых различных средах: твёрдых телах, жидкостях, газах. Порой и среды никакой не нужно - ток может существовать даже в вакууме! Мы поговорим об этом в своё время, а пока приведём лишь некоторые примеры.
Замкнём полюса батарейки металлическим проводом. Свободные электроны провода начнут направленное движение от «минуса» батарейки к «плюсу».
Это - пример тока в металлах.
Бросим в стакан воды щепотку поваренной соли . Молекулы соли диссоциируют на ионы, так что в растворе появятся свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы . Теперь засунем в воду два электрода, соединённые с полюсами батарейки. Ионы начнут направленное движение к отрицательному электроду, а ионы - к положительному.
Это - пример прохождения тока через раствор электролита.
Грозовые тучи создают столь мощные электрические поля, что оказывается возможным пробой воздушного промежутка длиной в несколько километров. В результате сквозь воздух проходит гигантский разряд - молния.
Это - пример электрического тока в газе.
Во всех трёх рассмотренных примерах электрический ток обусловлен движением заряженных частиц внутри тела и называется током проводимости .
Вот несколько иной пример. Будем перемещать в пространстве заряженное тело. Такая ситуация согласуется с определением тока! Направленное движение зарядов - есть, перенос заряда в пространстве - присутствует. Ток, созданный движением макроскопического заряженного тела, называется конвекционным .
Заметим, что не всякое движение заряженных частиц образует ток. Например, хаотическое тепловое движение зарядов проводника - не направленное (оно совершается в каких угодно направлениях), и потому током не является (при возникновении тока свободные заряды продолжают совершать тепловое движение! Просто в этом случае к хаотическим перемещениям заряженных частиц добавляется их упорядоченный дрейф в определённом
направлении).
Не будет током и поступательное движение электрически нейтрального тела: хотя заряженные частицы в его атомах и совершают направленное движение, не происходит переноса заряда из одних участков пространства в другие.
Направление электрического тока
Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные - наоборот, от «минуса» к «плюсу». В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях. Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?
Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1 ; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма - короткой).
Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.
Тут, однако, ничего не поделаешь - придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось. Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.
Действия электрического тока
Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.
1. Тепловое действие тока . Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.
2. Магнитное действие тока . Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу. Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня - получится электромагнит. На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.
3. Химическое действие тока . При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе положительные ионы двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.
Электрический ток называется постоянным , если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.
Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.
Сила и плотность тока
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока . В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:
(1)
Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.
Подчеркнём, что формула (1)
определяет абсолютную величину, или модуль силы тока.
Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).
В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.
Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока :
(2)
где - сила тока, - площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:
Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2) , плотность тока измеряется в А/м2.
Скорость направленного движения зарядов
Когда мы включаем в комнате свет, нам кажется, что лампочка загорается мгновенно. Скорость распространения тока по проводам очень велика: она близка к км/с (скорости света в вакууме). Если бы лампочка находилась на Луне, она зажглась бы через секунду с небольшим.
Однако не следует думать, что с такой грандиозной скоростью двигаются свободные заряды, образующие ток. Оказывается, их скорость составляет всего-навсего доли миллиметра в секунду.
Почему же ток распространяется по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют друг с другом и, находясь под действием электрического поля источника тока, при замыкании цепи приходят в движение почти одновременно вдоль всего проводника. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами, и она близка к скорости света в вакууме. Скорость же, с которой сами заряды перемещаются внутри проводника, может быть на много порядков меньше.
Итак, подчеркнём ещё раз, что мы различаем две скорости.
1. Скорость распространения тока . Это - скорость передачи электрического сигнала по цепи. Близка к км/с.
2. Скорость направленного движения свободных зарядов . Это - средняя скорость перемещения зарядов, образующих ток. Называется ещё скоростью дрейфа .
Мы сейчас выведем формулу, выражающую силу тока через скорость направленного движения зарядов проводника.
Пусть проводник имеет площадь поперечного сечения (рис. 2). Свободные заряды проводника будем считать положительными; величину свободного заряда обозначим (в наиболее важном для практики случая металлического проводника это есть заряд электрона). Концентрация свободных зарядов (т. е. их число в единице объёма) равна .
Рис. 2. К выводу формулы
Какой заряд пройдёт через поперечное сечение нашего проводника за время ?
С одной стороны, разумеется,
(3)
С другой стороны, сечение пересекут все те свободные заряды, которые спустя время окажутся внутри цилиндра с высотой . Их число равно:
Следовательно, их общий заряд будет равен:
(4)
Приравнивая правые части формул (3) и (4) и сокращая на , получим:
(5)
Соответственно, плотность тока оказывается равна:
Давайте в качестве примера посчитаем, какова скорость движения свободных электронов в медном проводе при силе тока A.
Заряд электрона известен: Кл.
Чему равна концентрация свободных электронов? Она совпадает с концентрацией атомов меди, поскольку от каждого атома отщепляется по одному валентному электрону. Ну а концентрацию атомов мы находить умеем:
Положим мм . Из формулы (5) получим:
М/с.
Это порядка одной десятой миллиметра в секунду.
Стационарное электрическое поле
Мы всё время говорим о направленном движении зарядов, но ещё не касались вопроса о том, почему свободные заряды совершают такое движение. Почему, собственно, возникает электрический ток?
Для упорядоченного перемещения зарядов внутри проводника необходима сила, действующая на заряды в определённом направлении. Откуда берётся эта сила? Со стороны электрического поля!
Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, внутри проводника должно существовать стационарное (то есть - постоянное, не зависящее от времени) электрическое поле. Иными словами, между концами проводника нужно поддерживать постоянную разность потенциалов.
Стационарное электрическое поле должно создаваться зарядами проводников, входящих в электрическую цепь. Однако заряженные проводники сами по себе не смогут обеспечить протекание постоянного тока.
Рассмотрим, к примеру, два проводящих шара, заряженных разноимённо. Соединим их проводом. Между концами провода возникнет разность потенциалов, а внутри провода - электрическое поле. По проводу потечёт ток. Но по мере прохождения тока разность потенциалов между шарами будет уменьшаться, вслед за ней станет убывать и напряжённость поля в проводе. В конце концов потенциалы шаров станут равны друг другу, поле в проводе обратится в нуль, и ток исчезнет. Мы оказались в электростатике: шары плюс провод образуют единый проводник, в каждой точке которого потенциал принимает одно и то же значение; напряжённость
поля внутри проводника равна нулю, никакого тока нет.
То, что электростатическое поле само по себе не годится на роль стационарного поля, создающего ток, ясно и из более общих соображений. Ведь электростатическое поле потенциально, его работа при перемещении заряда по замкнутому пути равна нулю. Следовательно, оно не может вызывать циркулирование зарядов по замкнутой электрической цепи - для этого требуется совершать ненулевую работу.
Кто же будет совершать эту ненулевую работу? Кто будет поддерживать в цепи разность потенциалов и обеспечивать стационарное электрическое поле, создающее ток в проводниках?
Ответ - источник тока, важнейший элемент электрической цепи.
Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, концы проводника должны быть присоединены к клеммам источника тока (батарейки, аккумулятора и т. д.).
Клеммы источника - это заряженные проводники. Если цепь замкнута, то заряды с клемм перемещаются по цепи - как в рассмотренном выше примере с шарами. Но теперь разность потенциалов между клеммами не уменьшается: источник тока непрерывно восполняет заряды на клеммах, поддерживая разность потенциалов между концами цепи на неизменном уровне.
В этом и состоит предназначение источника постоянного тока. Внутри него протекают процессы неэлектрического (чаще всего - химического) происхождения, которые обеспечивают непрерывное разделение зарядов. Эти заряды поставляются на клеммы источника в необходимом количестве.
Количественную характеристику неэлектрических процессов разделения зарядов внутри источника - так называемую ЭДС - мы изучим позже, в соответствующем листке.
А сейчас вернёмся к стационарному электрическому полю. Каким же образом оно возникает в проводниках цепи при наличии источника тока?
Заряженные клеммы источника создают на концах проводника электрическое поле. Свободные заряды проводника, находящиеся вблизи клемм, приходят в движение и действуют своим электрическим полем на соседние заряды. Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передаётся вдоль всей цепи, и в цепи устанавливается постоянный электрический ток. Стабилизируется и электрическое поле, создаваемое движущимися зарядами.
Стационарное электрическое поле - это поле свободных зарядов проводника, совершающих направленное движение.
Стационарное электрическое поле не меняется со временем потому, что при постоянном токе не меняется картина распределения зарядов в проводнике: на место заряда, покинувшего данный участок проводника, в следующий момент времени поступает точно такой же заряд. По этой причине стационарное поле во многом (но не во всём) аналогично полю электростатическому.
А именно, справедливы следующие два утверждения, которые понадобятся нам в дальнейшем (их доказательство даётся в вузовском курсе физики).
1. Как и электростатическое поле, стационарное электрическое поле потенциально. Это позволяет говорить о разности потенциалов (т. е. напряжении) на любом участке цепи (именно эту разность потенциалов мы измеряем вольтметром).
Потенциальность, напомним, означает, что работа стационарного поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории. Именно поэтому при параллельном соединении проводников напряжение на каждом из них одинаково: оно равно разности потенциалов стационарного поля между теми двумя точками, к которым подключены проводники.
2. В отличие от электростатического поля, стационарное поле движущихся зарядов проникает внутрь проводника (дело в том, что свободные заряды, участвуя в направленном движении, не успевают должным образом перестраиваться и принимать «электростатические» конфигурации).
Линии напряжённости стационарного поля внутри проводника параллельны его поверхности, как бы ни изгибался проводник. Поэтому, как и в однородном электростатическом поле, справедлива формула , где - напряжение на концах проводника, - напряжённость стационарного поля в проводнике, - длина проводника.
Все мы хорошо знаем, что электричество представляет собой направленный поток заряженных частиц в результате воздействия электрического поля. Это вам скажет любой школьник. А вот вопрос о том, каково направление тока и куда деваются эти самые частицы, многих может поставить в тупик.
Суть вопроса
Как известно, в проводнике электричество переносят электроны, в электролитах - катионы и анионы (или попросту ионы), в полупроводниках электроны работают с так называемыми «дырками», в газах - ионы с электронами. От наличия свободных в том или ином материале и зависит его электропроводность. При отсутствии электрического поля в металлическом проводнике ток идти не будет. Но как только на двух его участках возникнет т.е. появится напряжение, в движении электронов прекратится хаос и наступит порядок: они начнут отталкиваться от минуса и направятся в сторону плюса. Казалось бы, вот и ответ на вопрос «Каково направление тока?». Но не тут-то было. Достаточно заглянуть в энциклопедический словарь или просто в любой учебник по физике, как сразу станет заметно некое противоречие. Там говорится, что условно словосочетание «направление тока» обозначает направленное движение положительных зарядов, другими словами: от плюса к минусу. Как быть с этим утверждением? Ведь здесь невооруженным глазом заметно противоречие!
Сила привычки
Когда люди научились составлять цепь они еще не знали о существовании электрона. Тем более, в то время не подозревали что он движется от минуса к плюсу. Когда Ампер предложил в первой половине 19-го столетия направление тока от плюса к минусу, все восприняли это как должное и это решение никто не стал оспаривать. Прошло 70 лет, пока люди не выяснили, что ток в металлах происходит благодаря движениям электронов. А когда они это поняли (это случилось в 1916 году), все настолько привыкли к сделанному Ампером выбору, что уже не стали ничего менять.
«Золотая середина»
В электролитах отрицательно заряженные частицы движутся к катоду, а положительные - к аноду. То же самое происходит и в газах. Если подумать, какое направление тока будет в этом случае, в голову приходит только один вариант: перемещение разнополярных в замкнутой цепи происходит навстречу друг другу. Если утверждение за основу, то оно снимет существующее ныне противоречие. Возможно, это вызовет удивление, но еще более 70 лет назад ученые получили документальные подтверждения того, что противоположные по знаку электрические заряды в проводящей среде действительно движутся друг другу навстречу. Данное утверждение будет справедливо для любого проводника вне зависимости от его типа: металла, газа, электролита, полупроводника. Как бы там ни было, остается надеяться, что со временем физики устранят путаницу в терминологии и примут однозначное определение того, что же все-таки такое направление движения тока. Привычку, конечно, менять сложно, но ведь нужно же наконец поставить все на свои места.
Загрузка...