Электрический ток. Сила тока

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Электрический ток. Сила тока»

Термин «электрический ток» и определение направления тока были введены Адре Мари Ампером в далёком 1820 году. Электрическим током он назвал упорядоченное движение заряженных частиц.

Обратите внимание на очень важное слово в этом определении: «упорядоченное». Иначе говоря, не всякое движение заряженных частиц является электрическим током. Например, вы знаете, что в металлах свободными носителями зарядов являются электроны. При нормальных условиях эти электроны участвуют в хаотическом тепловом движении. А вот для того чтобы в этом кусочке металла возник электрический ток, электроны должны начать движение в каком-то одном определённом направлении. Чтобы это произошло в проводнике необходимо создать электрическое поле. Тогда заряженные частицы под действием сил поля придут в движение в направлении действия сил, и, следовательно, в проводнике возникнет электрический ток. И он будет существовать так долго, как долго будет действовать электрическое поле на заряженные частицы.

За направление электрического тока в цепи́ принято направление, в котором движутся (или могли бы двигаться) в проводнике положительные заряды.

Как мы упоминали в начале урока, определение направления тока было предложено Андре Мари Ампером в 1820 году, когда ещё не до конца была известна природа электрического тока. Ампер, как и многие другие учёные того времени, считали, что перемещаться могут только положительные заряды. Когда же было установлено, что в большинстве случаев носителем тока являются электроны (то есть отрицательно заряженные частицы), стало понятно, что выбор был сделан неудачно. Однако к этому определению настолько привыкли, что старую договорённость менять не стали.

Движение частиц в проводнике мы, конечно же, не можем увидеть в силу их очень маленьких размеров. Но о наличии тока в проводнике мы можем судить по некоторым очень важным физическим явлениям, которые с большой пользой применяются в практической жизни. Эти явления принято называть действиями электрического тока. К числу самых очевидных принадлежат:

· магнитное действие тока.

Тепловое действие тока проявляется в том, что среда, в которой протекает ток, нагревается. Именно это действие тока человек давно и успешно использует в электрических утюгах, электрических чайниках и кофеварках, а также в обычных электролампах с металлической спиралью.

Тепловое действие тока в жидкостях можно пронаблюдать на таком опыте. Возьмём два угольных электрода и опустим их в сосуд с обычной водой. Подключив электроды к источнику тока, дающем небольшое напряжение, уже через 10—15 секунд мы заметим, как термометр начнёт фиксировать повышение температуры воды.

А проявлением теплового действия тока в газах является обычная молния.

Однако нагревание отсутствует у сверхпроводников (это такие вещества, электрическое сопротивление которых при понижении температуры до некоторой величины становится равным нулю).

Химическое действие тока проявляется, как правило, при его протекании через растворы солей, кислот или щелочей. Например, если опустить угольные электроды, в раствор медного купороса и пустить по цепи ток, то через пару минут мы увидим хорошо заметный красный налёт на электроде, соединённом с отрицательным полюсом источника. Это — чистая медь, которая выделяется из сложного соединения.

Химическое действие ток может производить и в газах. Именно благодаря этому нидерландский физик Мартин Ван Марум открыл озон — особую форму кислорода, молекулы которого состоят из трёх атомов.

Но вот в твёрдых телах, (в которых атомы, молекулы и ионы весьма жёстко связаны друг с другом и ограничены в своих движениях), химические изменения обычно не происходят.

Единственное действие тока, которое проявляется у всех без исключения проводников — это магнитное. Открыто оно было датским физиком Хансом Эрстедом совершенно случайно.

На одной из лекций он демонстрировал студентам нагрев проволоки электричеством от вольтова столба. На демонстрационном столе в этот момент находился компас, поверх стеклянной крышки которого, проходил один из проводов цепи. Когда учёный замкнул цепь, кто-то из студентов случайно заметил, что магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону, тем самым фиксируя наличие магнитного поля.

Магнитное действие тока можно пронаблюдать и на таком опыте. Возьмём подковообразный магнит и поместим между его полюсами металлическую рамку, соединённую через ключ с источником тока. Пока цепь не замкнута рамка находится в покое. Однако если по рамке пустить ток, то она начнёт поворачиваться.

В последнее время принято выделять ещё одно действие тока — световое. В простейшем виде световое действие электрического тока можно наблюдать в лампе накаливания, спираль которой разогревается проходящим через неё током до белого каления и излучает свет.

Но для лампы накаливания на световую энергию приходится лишь около 5 % от подведённой электроэнергии. Более эффективно световое действие электрического тока реализуется в люминесцентных лампах (до 20 %) и светодиодах, где КПД доходит до 50 %.

Важнейшей характеристикой электрического тока, от которой зависит эффективность его действий, является сила тока.

Сила тока — это скалярная физическая величина, численно равная электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени:

Напомним, что обозначается сила тока большой латинской буквой I. А единицей её измерения в СИ является ампер:

Один ампер — это сила такого неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии одного метра друг от друга, вызвал бы на каждом метре проводника силу взаимодействия, равную 2 ∙ 10 –7 Н.

Напомним, что если сила тока не изменяется со временем, то ток называют постоянным.

Давайте для примера найдём силу тока в проводнике по графику зависимости перенесённого заряда от времени. А заодно определим и количество электронов, прошедших через поперечное сечение проводника за 4 с секунды?

Теперь давайте посмотрим, зависит ли сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов. Для этого предположим, что у нас есть цилиндрический проводник, площадь поперечного сечения которого равна S. Выделим в этом проводнике небольшой участок, длиной Δl. В выделенном объёме содержится nSΔl частиц, где п — это концентрация носителей тока.

Пусть заряд каждой частицы равен q. Тогда общий заряд всех частиц в выбранном объёме будет определяться выражением, которые вы сейчас видите на экране:

Δq = qnSΔl.

Теперь предположим, что средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов равна υ. Тогда, за промежуток времени t = Δl/υ все частицы, заключённые в рассматриваемом объёме, пройдут через сечение 2. Как мы знаем, сила тока численно равна электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени:

Подставим в это уравнение выражения для общего заряда всех частиц в выбранном объёме и выражение для промежутка времени.

Сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Обратим ваше внимание на то, что скорость направленного движения свободных зарядов очень и очень мала. Для примера, давайте с вами определим среднюю скорость упорядоченного движения свободных электронов в медном проводнике сечением 1 мм 2 , если сила тока в нём равна 1 А. Будем считать, что степень окисления меди равна +2.

Как видим, средняя скорость упорядоченного движения свободных носителей зарядов очень мала. Поэтому запомните: скорость распространения тока и скорость направленного движения свободных зарядов — это не одно и то же. Когда говорят о скорости протекания тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения электрического поля внутри проводника. А оно, как известно, распространяется со скоростью света.

Формула расчета и ее элементы

Тепловое действие тока может быть подтверждено разными опытами, где работа тока переходит во внутреннюю проводниковую энергию. При этом последняя возрастает. Затем проводник отдает ее окружающим телам, то есть осуществляется теплопередача с нагреванием проводника.

Формула для расчета в этом случае следующая: A=U*I*t.

Количество теплоты можно обозначить через Q. Тогда Q=A или Q=U*I*t. Зная, что U=IR, получается Q=I 2 *R*t, что и было сформулировано в законе Джоуля-Ленца.

Использование теплового действия электричества

Тепловое действие электрического тока находит широкое применение, в первую очередь, в нагревательных приборах.

Еще одним важным направлением использования теплового действия являются плавкие предохранители. Если необходимо отключить электрическую цепь при превышение допустимого тока, то в цепь можно включить плавкий предохранитель.

Рис. 3. Устройство плавкого предохранителя.

Это небольшая колба из негорючего материала, внутри которой проходит плавкая проволочка или лента, сопротивление которой рассчитано так, чтобы при превышении предельного тока она расплавилась, тем самым разорвав электрическую цепь.

Электрический ток в вакууме

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum — пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии — испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) — приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток — катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны — анод.

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.

Устройство обогревательных приборов

Обычно в конструкции всех приборов для нагревания есть металлическая спираль, в функцию которой и входит нагрев. Если нагревается вода, то спираль устанавливается изолированно, и в таких приборах предусматривается соблюдение баланса между энергией из сети и тепловым обменом.

Перед учеными постоянно ставится задача по снижению энергетических потерь и поиску лучших путей и наиболее эффективных схем их внедрения, чтобы уменьшить тепловое действие тока. Используется, например, способ повышения напряжения во время передачи энергии, благодаря чему сокращается сила тока. Но такой способ, в то же время, понижает безопасность функционирования линий электропередач.

Другим исследовательским направлением является выбор проводов. Ведь именно от их свойств зависят потери тепла и другие показатели. Кроме того, при работе нагревательных приборов происходит большое выделение энергии. Поэтому спирали изготавливаются из специально предназначенных для этих целей, способных выдержать высокие нагрузки, материалов.

Действие тока

Зная, что принимается за направление тока, стоит выяснить и его действие. О появлении силы электротока можно узнать по показаниям специальных приборов. Однако они не всегда есть под рукой. В такой ситуации о наличии электротока можно судить по следующим явлениям:

• Тепловое. Движение заряженных частиц приводит к нагреву материала проводника. Именно это явление используется в работе ламп освещения либо нагревательных приборов.
• Магнитное. Если в цепи есть ток, то он создаст магнитное поле. Проверить этот факт можно с помощью компаса: если поднести его к проводу, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику. Созданное током магнитное поле можно усилить, обмотав железный стержень проволокой. В результате получится электромагнит.
• Химическое. Если ток протекает в электролитах, то химический состав раствора изменится. Например, в растворе CuSO4 электроток возникает благодаря движению положительных ионов Cu. Они перемещаются к отрицательному электроду, который со временем покроется слоем меди.

Сегодня сложно представить человеческую цивилизацию без электричества. Природу этих явления пытались установить многие ученые еще до открытия электронов. Первым физиком, выдвинувшим гипотезу о наличии двух типов зарядов, стал Бенджамин Франклин.

После открытия электронов не состыковка гипотезы Франклина была обнаружена, но ученые решили, что определяться направление электротока будет по-прежнему.