Примером электрического тока можно считать движение пыли к монитору

Обновлено: 04.07.2024

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?

Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов.

Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1 ; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма — короткой).

Рис. 1. Направление тока

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:

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:

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,

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:

Приравнивая правые части формул (3) и (4) и сокращая на , получим:

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:

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.

Выберите два верных утверждения. В данной точке комнаты существует постоянное электрическое поле, если в этой точке
1) магнитная стрелка ориентируется определенным образом
2) на заряд действует постоянная сила
3) начинает светиться нить лампы накаливания
4) появляется кислинка на кончике языка
5) металлическое тело поляризуется

Выберите два НЕВЕРНЫХ утверждения. Электрическое поле, созданное заряженным телом,
1) действует только на заряженные частицы
2) не имеет границ
3) убывает с ростом расстояния до источника поля
4) существует только в воздухе
5) не проникает в твердое вещество

При приближении незаряженного металлического шара к отрицательно заряженной пластине на расстояние, равное диаметру шара (см. рис.), электрическое поле пластины заставляет свободные электроны внутри шара перемещаться. Выберите два верных утверждения. Движение заряженных частиц внутри шара будет продолжаться
1) пока все свободные электроны не покинут шар
2) пока все свободные электроны не переместятся к левой границе шара
3) пока некоторая часть свободных электронов не переместится к левой стороне шара
4) пока поле сместившихся электронов и оставшихся на месте протонов не скомпенсирует внешнее поле пластины
5) пока поле пластины не ослабнет со временем за счет перемещения части свободных электронов в шаре

Два одинаковых по знаку заряда располагаются на отрезке прямой, на той ж е прямой располагается третий заряд (см. рис.). На третий заряд с силой 3 Н действует поле, созданное двумя первыми зарядами. Когда первый заряд убирают, то поле второго заряда действует на третий с силой 2 Н. С какой по модулю силой действует на третий заряд поле первого заряда, если убрать второй заряд?

Три маленьких заряженных шарика располагаются на отрезке прямой (см. рис.). Электрические поля зарядов 1 и 2 действуют на третий заряд с силами. Куда направлена равнодействующая сил, приложенных к третьему заряду? Ответ запишите словом (вправо, влево, вверх, вниз).

В каком направлении (вправо, влево, ввер х , вниз) будет действовать поле, созданное двумя маленькими отрицательно заряженными шариками, закрепленными на концах стержня, на положительно заряженный шарик, если его поместить в точке А?

Заряженную бусинку приближают к незаряженному металлическому шару на расстояние, равное его диаметру (см. рис.). Выберите два верных утверждения.
Электрическое поле бусинки
1) пронизывает все пространство, проникая в шар
2) не достигает шара
3) обтекает шар
4) исчезает
5) поляризует шар

Шарики двух электроскопов, один из которых заряжен, в первом опыте соединяют стеклянной палочкой, во втором — металлическим стержнем. Лепестки электроскопа опадают только во втором случае. Поставьте в соответствие результат опыта и его толкование с использованием полевого описания явлений. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в ответ выбранную цифру под соответствующей буквой.

К отрицательно заряженному шарику электрометра подносят незаряженный металлический кубик на изолирующей ручке, не касаясь его. Выберите два верных утверждения.
1) Отклонение стрелки электрометра уменьшается.
2) Отклонение стрелки электрометра увеличивается.
3) На кубик перетекает часть электронов с шарика электрометра.
4) С кубика на шарик электрометра перетекает часть электронов.
5) Кубик поляризуется и оттягивает к шарику часть электронов со стержня и стрелки электрометра.

Электрическое поле создано двумя противоположно заряженными пластинами (см. рис.). В пространство между ними вносят два соприкасающихся стальных шарика. Выберите два верных утверждения, описывающих дальнейшие изменения в системе.
1) После того как шарики извлекут из пространства между пластинами и затем разъединят, они окажутся поляризованными.
2) После того как шарики извлекут из пространства между пластинами и затем разъединят, они окажутся заряжены зарядами разного знака.
3) После того как шарики разъединят и затем извлекут из пространства между пластинами, они окажутся заряжены зарядами разного знака.
4) После того как шарики разъединят и затем извлекут из пространства между пластинами, они окажутся заряжены зарядами одного знака.
5) После того как шарики извлекут из пространства между пластинами и затем разъединят, они окажутся незаряженными.

В вакууме маленькая капля массой m медленно движется вертикально вниз в электрическом поле двух пластин с постоянной скоростью (см. рис.). После кратковременного облучения пространства между пластинами ультрафиолетовой лампой капля движется вверх с ускорением. Установите соответствие между этапами эксперимента и зарядом капли.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в ответ выбранную цифру под соответствующей буквой.

Выберите два верных утверждения. Электрическим током является
1) хаотическое движение электронов в металлическом проводнике
2) направленное движение электронов в металлическом проводнике
3) направленное движение навстречу друг другу ионов в растворе соли
4) диффузия ионов соли при ее растворении в воде
5) направленное движение молекул в молекулярном пучке в вакууме

Выберите два верных утверждения.
Примером электрического тока можно считать движение
1) пыли к монитору компьютера
2) протонов в ускорителе
3) стрелки электронных часов
4) полет молекулы водорода между двумя заряженными шариками
5) электронов и ионов в канале молнии

Положительно и отрицательно заряженные шарики соединяют один раз проволокой из никеля, второй раз — из хрома. При этом возникает электрический ток, представляющий собой направленное движение заряженных частиц.
Установите соответствие между материалом проводника и природой заряженных частиц, обеспечивающих ток в них.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в ответ выбранную цифру под соответствующей буквой.

В электронной пушке электроны в вакуумированной трубке летят от катода, расположенного слева, к аноду, расположенному справа. В ванной для электролиза положительные ионы движутся от анода, расположеного справа, к катоду, расположенному слева, а отрицательные ионы — в противоположном направлении. Установите соответствие между техническими устройствами, в которых течет ток, и направлением тока.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в ответ выбранную цифру под соответствующей буквой.

Выберите два верных утверждения.
Примером электрического тока в газах является
1) молния
2) распространение звука
3) распространение радиоволн
4) ток в светодиодных елочных гирляндах
5) ток в экономной газоразрядной ртутной лампе

Выберите два утверждения, правильно описывающих роль электрического поля и процессы, приводящие к нагреванию металлического проводника при протекании по нему электрического тока.
1) Электрическое поле разгоняет электроны в проводнике.
2) Электрическое поле разгоняет ионы в узлах кристаллической решетки проводника.
3) Электрическое поле раскачивает ионы кристаллической решетки проводника.
4) Электроны при ударах с ионами кристаллической решетки передают им часть кинетической энергии, полученной за счет работы электрического поля.
5) Электроны поглощают энергию из окружающего проводник воздуха.

Заряд Q создает электрическое поле. На большом расстоянии от него находится заряд q, на который поле воздействует с силой F. Выберите два верных утверждения, описывающих изменение модуля или направления силы F , которые произойдут при быстром смещении заряда Q от заряда q по прямой, соединяющей оба заряда.
1) Направление силы не изменится.
2) Модуль силы мгновенно увеличится.
3) Модуль силы возрастет через некоторое время.
4) Модуль силы не изменится.
5) Модуль силы уменьшится через некоторое время.

При замыкании рубильника около источника тока в Москве ток через лампочку во Владивостоке начинает течь через 0,03 с. Выберите два верных утверждения, объясняющих такое запаздывание. За это время от Москвы до Владивостока по проводам
1) перемещаются электроны от Москвы до Владивостока
2) перемещаются протоны
3) перемещаются ионы металла
4) распространяется электрическое поле
5) доходит электромагнитная волна

Прочтите фрагмент текста.

"Диод представляет из себя кристалл, в котором существуют соприкасающиеся зоны двух полупроводниковых материалов с разным типом проводимости. Полупроводник n-типа представляет из себя кристалл кремния, в решетку которого внедрены в небольшом количестве примесные атомы фосфора, не все электроны которого задействованы в образовании межатомных связей и поэтому являются свободными носителями тока.
Полупроводники р-типа — это кристаллы кремния, в которых в качестве примеси присутствует индий, имеющий на своей внешней оболочке электронов меньше, чем кремний.
Выберите среди перечисленных две категории научной информации, которые содержатся в тексте.
1) Постановка проблемы.
2) Описание прибора (устройства).
3) Выдвижение гипотезы.
4) Экспериментальная проверка гипотезы.
5) Определение физических понятий.

Поставьте в соответствие описания явлений и их причины и следствия. К каждому элементу первого столбца подберите утверждение из второго столбца и впишите в таблицу под заданием цифры, обозначающие номера выбранных утверждений.

В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.

1. Что такое электрический ток.
"Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам" (с)

1.1 Пара общих слов по физике вопроса
Электрический ток - это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы - это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд. Так-то атом электрически нейтрален - заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки. Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню, данная статья - это объяснение физики на пальцах! Подробнее искать по "электронная теория проводимости").

Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.

1.2 Создание электрического тока.
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно. Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно. Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить. Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.

Бывают два типа генераторов - генератор напряжения и генератор тока.
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание! См. рисунок ниже

рис 1. Генератор напряжения величиной U

рис 2. Генератор тока величиной I

На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней - генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток. Верхняя цепь разомкнута, и нижняя - замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения. Представим следующую цепь

рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1

В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 - это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 - это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть - сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше - сопротивление уменьшится, поток воды увеличится. Вроде все интуитивно понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной модели, когда мощность генератора бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.

Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.

рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2

Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью - ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью - ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники - Закон Ома. ( "С красной строки. Подчеркни" (с))

2. Закон Ома.

Сначала c точки зрения генератора напряжения

Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R Теперь с точки зрения генератора тока

Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R

Вот как-то надо этот момент осознать. Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается. Можно конечно еще записать R=U/I. Что-то вроде - если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R. Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота. Это чисто технические моменты. Что-то вроде

рис 5. Последовательное включение резисторов

Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I. Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?
Используйте закон Ома и все!
Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока.
Еще - говорят "падение напряжения на резисторе", потому что "производит" напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.

Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.

1. Самая важная схема.
Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни - это делитель напряжения.
( "С красной строки. Подчеркни" (с))

3. Делитель напряжения
Схема имеет вид.

рис 6. Делитель напряжения

Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.

Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология - сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.

Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).

Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.

Второй важный случай - учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)

рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.

Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.

Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.

Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!

В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.

Электрический ток используется во множестве современных технологий. Чтобы понять, что это такое, можно представить ток воды, бегущий по трубам с определенной скоростью. В этом случае роль воды исполняет электрический заряд, под скоростью понимается его сила, а функцию трубы выполняет проводник — среда, вещество или материал, способные проводить электрический ток.

Самым простым проявлением электрического тока являются:

способность янтаря притягивать мелкие предметы после натирания шелком;
искрящаяся под воздействием расчески кошачья шерсть.

Определение, откуда берется, основные источники

Электрический ток — это упорядоченное передвижение частиц, являющихся носителями электрического заряда.

В металлах и полупроводниках такими частицами выступают электроны, в газах — электроны и ионы, в электролитах — анионы и катионы.

Источники электрического тока бывают:

Механическими. Это генераторы, которые при помощи падающей воды, газового или парового потока преобразуют механическую энергию в электрическую.
Тепловыми. В этом случае ток возникает из-за разности температур двух контактирующих термопар — чем больше разность, тем сильнее ток.
Световыми. Здесь речь идет о превращении энергии света в электричество при помощи солнечных батарей.
Химическими, основанными на особенностях взаимодействия разных элементов.

Во всех случаях для существования постоянного тока необходимо наличие свободных зарядов, электрического поля, обеспечивающего их движение, замкнутой электрической цепи. В каждом источнике происходит работа по разделению отрицательно и положительно заряженных частиц, скапливающихся на его полюсах.

Виды тока, классификация

В физике различают следующие виды тока:

постоянный — не меняющий величину, направление во времени;
переменный — меняющий свои параметры;
периодический — повторяющий свои мгновенные значения через определенные временные промежутки в одинаковой последовательности;
синусоидальный — изменяющий свою величину по синусоидальному закону;
высокой частоты;
пульсирующий.

Если речь идет о движении макроскопических заряженных тел (к примеру, дождевых капель), то ток принято называть конвекционным. Если же имеется в виду движение заряженных частиц внутри макроскопических тел, то говорят о токе проводимости.

У электриков существуют такие понятия, как однофазный, двухфазный и трехфазный ток, а также двухфазная сеть или трехфазная система электроснабжения. Фазой называют провод, находящийся под напряжением переменного тока относительно заземленного или общего провода. От количества фаз зависит название.

Параметры и характеристики электрического тока

Электрическому току свойственны такие характеристики, как сила, плотность, мощность, частота.

Сила — это физическая величина, отображающая отношение прошедшего за некоторое время количества заряда к величине этого временного промежутка.

Плотность — это физическая величина. Отображает отношение силы тока, проходящего через перпендикулярно расположенное сечение, к площади этого сечения.

Мощность — характеристика, показывающая, какая работа была выполнена током за конкретный промежуток времени.

Частота — это свойство переменного тока, скорость, с которой он меняет свое направление.

Также существует понятие напряжения. Обозначение применяется для определения работы, совершаемой единичным положительным зарядом в момент перемещения вдоль цепи.

Важный параметр — сопротивление. Оно отображает способность проводника препятствовать прохождению через него заряженных частиц.

Исторически сложилось представление о том, что направление тока всегда совпадает с направлением передвижения положительных зарядов. Если носителями в проводнике являются только отрицательные заряды, как, к примеру, происходит в металле, то за направление тока принимают направление, противоположное движению отрицательных зарядов.

Поведение электрического тока в различных средах

Ток может проходить через разные вещества: металлы, сплавы, газы. Условием для его возникновения является присутствие заряженных частиц, которые могут быть ионами или электронами.

В металлах

Строение металлов напоминает кристаллическую решетку. В ее «узлах» находятся положительные ионы, в пространстве между ними — свободные электроны. Электрическое поле, созданное в металле, заставляет упорядоченно двигаться свободные электроны. Поэтому принято говорить о том, что ток в металлах являет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Траекторию движения электронов нельзя назвать прямолинейной. Она сложна, зависит от их взаимодействия с другими частицами.

В электролитах

Электролиты — это растворы щелочей, кислот или солей, способные проводить электрический ток.

В процессе растворения в воде молекулы этих веществ разделяются на отрицательные и положительные ионы. Явление распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы называется электролитической диссоциацией.

При отсутствии электрического поля все ионы передвигаются хаотично. При его наличии положительные будут тяготеть к отрицательному полюсу источника тока. Отрицательные — к положительному. Поэтому физики говорят о том, что ток в электролитах представляет собой движение разнозаряженных ионов в противоположных направлениях.

В газах

В обычных условиях газ не способен проводить электричество. Он является диэлектриком или изолятором. Но при изменении условий окружающей среды — под воздействием радиоактивного излучения или при нагреве — газ может стать проводником.

Ток, возникающий в газах в результате ионизации, называют газовым разрядом.

Газовый разряд может быть:

несамостоятельным — существующим только при условии воздействия внешних сил;
самостоятельным — продолжающим существование даже после нейтрализации внешних воздействий.

Самостоятельные разряды делятся на:

тлеющие, формирующие свечение;
тихие, не образующие света и звука;
искровой, генерирующий большое количество электричества за краткий временной промежуток;
дуговой, подразумевающий колебания силы тока от 10 до 100 А;
коронный.

Коронный разряд возникает при резком изменении напряженности поля.

Измерения силы электрического тока, формулы

В международной системе единицей измерения силы тока является ампер, который обозначается буквой А. Для определения точного значения применяют специальный прибор амперметр. Его подключают к разрыву цепи на том участке, где необходимо произвести замер.

Формула нахождения силы тока выглядит так:

Уравнения для определения остальных физических величин:

Единицами измерения напряжения являются вольты (В). Сопротивление измеряется в омах (Ом), работа — в Джоулях (Дж), мощность — в Ваттах (Вт).

Читайте также: