Что такое электрический ток как он возникает: Электрический ток — это… Что такое Электрический ток? — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

Что такое ток и как он образуется. Электрический ток

Сегодня трудно представить жизнь без такого явления, как электричество, а ведь использовать его в своих целях человечество научилось не так уж и давно. Изучение сущности и характеристик этого особого вида материи заняло несколько столетий, однако и в настоящее время нельзя с уверенностью сказать, что мы знаем о нем абсолютно все.

Понятие и сущность электрического тока

Электрический ток, как известно еще из школьного курса физики, есть не что иное, как упорядоченное движение каких-либо заряженных частиц. В качестве последних могут выступать как отрицательно заряженные электроны, так и ионы. Считается, что данный вид материи может возникнуть только в так называемых проводниках, однако это далеко не так. Все дело в том, что при соприкосновении любых тел всегда возникает определенное количество противоположно заряженных частиц, которые могут начать передвигаться. В диэлектриках свободное передвижение тех же электронов очень сильно затруднено и требует огромных внешних усилий, поэтому и говорят, что они электрический ток не проводят.

Условия существования тока в цепи

Ученые уже достаточно давно заметили, что данное физическое явление не может возникнуть и длительное время удерживаться само по себе. Условия существования электрического тока включают в себя несколько важнейших положений. Во-первых, это явление невозможно без наличия свободных электронов и ионов, которые и исполняют роль передатчиков зарядов. Во-вторых, чтобы эти элементарные частицы начали упорядоченно двигаться, необходимо создать поле, основным признаком которого является разность потенциалов между любыми точками электрика. Наконец, в-третьих, электрический ток не может существовать длительное время только под воздействием кулоновских сил, так как постепенно потенциалы будут выравниваться. Именно поэтому необходимы определенные компоненты, являющиеся преобразователями различных видов механической и тепловой энергии. Их принято называть источниками тока.

Вопрос об источниках тока

Источники электрического тока представляют собой специальные устройства, которые генерируют электрическое поле. К важнейшим из них можно отнести гальванические элементы, солнечные батареи, генераторы, аккумуляторы. характеризуются своей мощностью, производительностью и длительностью работы.

Сила тока, напряжение, сопротивление

Как и любое другое физическое явление, электрический ток имеет целый ряд характеристик. К важнейшим из них относится его сила, напряжение цепи и сопротивление. Первая из них представляет собой количественную характеристику заряда, который проходит через сечение того или иного проводника в единицу времени. Напряжение (называемое также электродвижущей силой) есть не что иное, как величина разности потенциалов, за счет которой проходящий заряд совершает определенную работу. Наконец, сопротивление — это внутренняя характеристика проводника, показывающая, какую силу должен затратить заряд на прохождение по нему.

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.

На сегодняшней встрече мы поведем разговор об электричестве, которое стало неотъемлемой частью современной цивилизации. Электроэнергетика вторглась во все сферы нашей жизни. А присутствие в каждом доме бытовых приборов, использующих электрический ток настолько естественная и неотъемлемая часть быта, что мы принимаем это как должное.

Итак, вниманию наших читателей предлагаются основные сведения об электрическом токе.

Что такое электрический ток

Под электрическим током понимают направленное движение заряженных частиц. Вещества, содержащие достаточное количество свободных зарядов, называют проводниками. А совокупность всех устройств, соединенных между собой помощью проводов называют электрической цепью.

В повседневной жизни мы используем электричество, проходящее по металлическим проводникам. Носителями заряда в них являются свободные электроны.

Обычно они хаотично мечутся между атомами, но электрическое поле вынуждает их двигаться в определенном направлении.

Как это происходит

Поток электронов в цепи можно сравнить с потоком воды, ниспадающей с высокого уровня на низкий. Роль уровня в электрических цепях играет потенциал.

Для Протекания тока в цепи на её концах должна поддерживаться постоянная разность потенциалов, т.е. напряжение.

Его принято обозначать буквой U и измерять в вольтах (B).

Благодаря приложенному напряжению в цепи устанавливается электрическое поле, которое и придаёт электронам направленное движение. Чем больше напряжение, тем сильнее электрическое поле, а значит и интенсивность потока направленно движущихся электронов.

Скорость распространения электрического тока равна скорости установления в цепи электрического поля, т. е. 300 000 км/с, однако скорость электронов едва достигает лишь нескольких мм в секунду.

Принято считать, что ток течёт от точки с большим потенциалом, т. е. от (+) к точке с меньшим потенциалом, т. е. к (−). Напряжение в цепи поддерживается источником тока, например батарейкой. Знак (+) на её конце означает, недостаток электронов, знак (−) их избыток, поскольку электроны — носители именно отрицательного заряда. Как только цепь с источником тока становиться замкнутой, электроны устремляются от места, где их избыток, к положительному полюсу источника тока. Их путь пролегает через провода, потребители, измерительные приборы и другие элементы цепи.

Обратите внимание, направление тока противоположно направлению движения электронов.

Просто направление тока по договоренности учёных определили до того как была установлена природа тока в металлах.

Некоторые величины, характеризующие электрический ток

Сила тока. Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 сек, называют силой тока. Для её обозначения используют букву I, измеряют в амперах (A).

Сопротивление. Следующая величина, о которой необходимо знать — это сопротивление. Оно возникает из-за столкновений направленно движущихся электронов с ионами кристаллической решетки. В результате таких столкновений электроны передают ионам часть своей кинетической энергии. В результате чего проводник нагревается, а сила тока уменьшается. Сопротивление обозначается буквой R и измеряется в омах (Ом).

Сопротивление металлического проводника тем больше, чем длиннее проводник и меньше площадь его поперечного сечения. При одинаковой длине и диаметре провода наименьшим сопротивлением обладают проводники из серебра, меди, золота и алюминия. По вполне понятным причинам на практике используют провода из алюминия и меди.

Мощность. Выполняя расчёты для электрических цепей, иногда требуется определить потребляемую мощность (P).

Для этого следует силу тока, протекающую по цепи умножить на напряжение.

Единицей измерения мощности служит ватт (Вт).

Постоянный и переменный ток

Ток, даваемый разнообразными батарейками и аккумуляторами, является постоянным. Это означает, что силу тока в такой цепи можно изменять лишь по величине, меняя различными способами её сопротивление, а его направление при этом сохраняется неизменным.

Но большинство электробытовых приборов потребляют переменный ток, т. е. ток величина и направление которого непрерывно изменяются по определенному закону.

Он вырабатывается на электростанциях, а затем через линии высоковольтных передач попадает в наши дома и на предприятия.

В большинстве стран частота изменения направления тока равна 50 Гц, т. е происходит 50 раз в секунду. При этом каждый раз сила тока постепенно нарастает, достигает максимума, затем убывает до 0. Затем этот процесс повторяется, но уже при противоположном направлении тока.

В США все приборы работают на частоте 60 Гц. Интересная ситуация сложилась в Японии. Там на одной трети страны используют переменный ток с частотой в 60 Гц, а на остальной части — 50 Гц.

Осторожно — электричество

Поражения электрическим током можно получить при использовании электробытовых приборов и от ударов молнии, поскольку человеческий организм хороший проводник тока. Нередко электротравмы получают, наступив на лежащий на земле провод или отодвинув руками отвисшие электрические провода.

Напряжение свыше 36 В считается опасным для человека. Если через тело человека пройдет ток всего лишь в 0,05 А, он может вызвать непроизвольное сокращение мышц, которое не позволит человеку самостоятельно оторваться от источника поражения. Ток в 0,1 А смертелен.

Ещё опаснее переменный ток, поскольку оказывает более сильное воздействие на человека. Этот наш друг и помощник в ряде случаев превращается в беспощадного врага, вызывая нарушение дыхания и работу сердца, вплоть до его полной остановки. Он оставляет страшные метки на теле в виде сильнейших ожогов.

Как помочь пострадавшему? Прежде всего, отключить источник поражения. А затем уже позаботиться об оказании первой медицинской помощи.

Наше знакомство с электричеством подходит к концу. Добавим лишь несколько слов о морских обитателях, обладающих «электрическим оружием». Это некоторые виды рыб, морской угорь и скат. Самым опасным из них является морской угорь.

Не стоит подплывать к нему на расстояние менее 3 метров. Удар его не смертелен, но сознание можно потерять.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

Заряд в движении. Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как, например, молния. Или это может быть контролируемый процесс в генераторах, батареях, солнечных или топливных элементах. Сегодня мы рассмотрим само понятие «электрический ток» и условия существования электрического тока.

Электрическая энергия

Большая часть электроэнергии, которую мы используем, поступает в виде переменного тока из электрической сети. Он создается генераторами, работающими по закону индукции Фарадея, благодаря которому изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике.

Генераторы имеют вращающиеся катушки провода, которые проходят через магнитные поля по мере их вращения. Когда катушки вращаются, они открываются и закрываются относительно магнитного поля и создают электрический ток, меняющий направление на каждом повороте. Ток проходит через полный цикл вперед и назад 60 раз в секунду.

Генераторы могут питаться от паровых турбин, нагретых углем, природным газом, нефтью или ядерным реактором. Из генератора ток проходит через ряд трансформаторов, где растет его напряжение. Диаметр проводов определяет величину и силу тока, которую они могут переносить без перегрева и потери энергии, а напряжение ограничено только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли.

Интересно отметить, что ток переносится только одним проводом, а не двумя. Две его стороны обозначаются как положительная и отрицательная. Однако, поскольку полярность переменного тока изменяется 60 раз в секунду, они имеют и другие названия — горячие (магистральные линии электропередач) и заземленные (проходящие под землей для замыкания цепи).

Зачем нужен электрический ток?

Существует масса возможностей применения электротока: он может осветить ваш дом, вымыть и высушить одежду, поднять дверь вашего гаража, заставить вскипеть воду в чайнике и дать возможность работать другим бытовым предметам, которые значительно облегчают нам жизнь. Тем не менее все более важным становится способность тока передавать информацию.

При подключении к Интернету компьютером используется лишь небольшая часть электрического тока, но это то, без чего современный человек не представляет своей жизни.

Понятие об электрическом токе

Подобно речному течению, потоку молекул воды, электрический ток — это поток заряженных частиц. Что это такое, что его вызывает, и почему он не всегда идет в одном направлении? Когда вы слышите слово «течет», о чем вы думаете? Возможно, это будет река. Это хорошая ассоциация, потому что именно по этой причине электрический ток получил свое название. Он очень похож на поток воды, только вместо молекул воды, движущихся по руслу, заряженные частицы движутся по проводнику.

Среди условий, необходимых для существования электрического тока, есть пункт, предусматривающий наличие электронов. Атомы в проводящем материале имеют много этих свободных заряженных частиц, которые плавают вокруг и между атомами. Их движение является случайным, поэтому поток в каком-либо заданном направлении отсутствует. Что же нужно, чтобы существовал электрический ток?

Условия существования электрического тока включают в себя наличие напряжения. Когда оно применяется к проводнику, все свободные электроны будут двигаться в одном направлении, создавая ток.

Любопытно об электрическом токе

Интересно то, что когда электрическая энергия передается через проводник со скоростью света, сами электроны движутся намного медленнее. На самом деле, если бы вы не спеша прошли рядом с токопроводящей проволокой, ваша скорость была бы в 100 раз быстрее, чем двигаются электроны. Это обусловлено тем, что им не нужно преодолевать огромные расстояния, чтобы передавать энергию друг другу.

Прямой и переменный ток

Сегодня широко используются два разных типа тока — постоянный и переменный. В первом электроны движутся в одном направлении, с «отрицательной» стороны на «положительную». Переменный ток толкает электроны назад и вперед, изменяя направление потока несколько раз в секунду.

Генераторы, используемые на электростанциях для производства электроэнергии, предназначены для производства переменного тока. Вы, наверное, никогда не обращали внимание на то, что свет в вашем доме на самом деле мерцает, поскольку текущее направление меняется, но это происходит слишком быстро, чтобы глаза смогли это распознать.

Каковы условия существования постоянного электрического тока? Зачем нам нужны оба типа и какой из них лучше? Это хорошие вопросы. Тот факт, что мы все еще используем оба типа тока, говорит о том, что они оба служат определенным целям. Еще в XIX веке было понятно, что эффективная передача мощности на большие расстояния между электростанцией и домом была возможна лишь при очень высоком напряжении. Но проблема заключалась в том, что отправка действительно высокого напряжения была чрезвычайно опасной для людей.

Решение этой проблемы состояло в том, чтобы уменьшить напряжение вне дома, прежде чем отправлять его внутрь. И по сей день постоянный электрический ток используется для передачи на большие расстояния, в основном из-за его способности легко преобразовываться в другие напряжения.

Как работает электрический ток

Условия существования электрического тока включают в себя наличие заряженных частиц, проводника и напряжения. Многие ученые изучали электричество и обнаружили, что существует два его типа: статическое и текущее.

Именно второе играет огромную роль в повседневной жизни любого человека, так как представляет собой электрический ток, который проходит через цепь. Мы ежедневно используем его для питания наших домов и многого другого.

Что такое электрический ток?

Когда в цепи циркулируют электрические заряды из одного места в другое, возникает электрический ток. Условия существования электрического тока включают в себя, помимо заряженных частиц, наличие проводника. Чаще всего это провод. Схема его представляет собой замкнутый контур, в котором ток проходит от источника питания. Когда же цепь разомкнута, он не может закончить путь. Например, когда свет в вашей комнате выключен, цепь разомкнута, но когда цепь замкнута, свет горит.

Мощность тока

На условия существования электрического тока в проводнике большое влияние оказывает такая характеристика напряжения, как мощность. Это показатель того, сколько энергии используется в течение определенного периода времени.

Существует много разных единиц, которые могут использоваться для выражения данной характеристики. Однако электрическая мощность почти измеряется в ваттах. Один ватт равен одному джоулю в секунду.

Электрический заряд в движении

Каковы условия существования электрического тока? Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как молния или искра от трения с шерстяной тканью. Однако чаще, когда мы говорим об электрическом токе, мы имеем в виду более контролируемую форму электричества, благодаря которой горит свет и работают приборы. Большая часть электрического заряда переносится отрицательными электронами и положительными протонами внутри атома. Однако вторые в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому работа по переносу заряда из одного места в другое проделывается электронами.

Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени свободны для перехода от одного атома к другому вдоль их зон проводимости, которые являются высшими электронными орбитами. Достаточная электродвижущая сила или напряжение создает дисбаланс заряда, который может вызвать движение электронов через проводник в виде электрического тока.

Если провести аналогию с водой, то возьмем, к примеру, трубу. Когда мы открываем клапан на одном конце, чтобы вода попала в трубу, то нам не нужно ждать, пока эта вода проложит весь путь до ее конца. Мы получаем воду на другом конце почти мгновенно, потому что входящая вода толкает воду, которая уже находится в трубе. Это то, что происходит в случае электрического тока в проводе.

Электрический ток: условия существования электрического тока

Электрический ток обычно рассматривается как поток электронов. Когда два конца батареи соединены друг с другом с помощью металлической проволоки, эта заряженная масса через провод попадает из одного конца (электрода или полюса) батареи на противоположный. Итак, назовем условия существования электрического тока:

Заряженные частицы.
Проводник.
Источник напряжения.

Однако не все так просто. Какие условия необходимы для существования электрического тока? На этот вопрос можно ответить более подробно, рассмотрев следующие характеристики:

Разность потенциалов (напряжение). Это одно из обязательных условий. Между 2 точками должна быть разница потенциалов, означающая, что отталкивающая сила, которая создается заряженными частицами в одном месте, должна быть больше, чем их сила в другой точке. Источники напряжения, как правило, не встречаются в природе, и электроны распределяются в окружающей среде достаточно равномерно. Все же ученым удалось изобрести определенные типы приборов, где эти заряженные частицы могут накапливаться, тем самым создавая то самое необходимое напряжение (например, в батарейках).
Электрическое сопротивление (проводник). Это второе важное условие, которое необходимо для существования электротока. Это путь, по которому перемещаются заряженные частицы. В качестве проводников выступают только те материалы, которые дают возможность электронам свободно перемещаться. Те же, у которых этой способности нет, называются изоляторами. Например, проволока из металла будет отличным проводником, в то время как ее резиновая оболочка будет превосходным изолятором.

Тщательно изучив условия возникновения и существования электрического тока, люди смогли приручить эту мощную и опасную стихию и направить ее на благо человечества.

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

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.

Электрический ток в проводнике — Основы электроники

Если в точке А (рис. 1.3) — избыток электронов в сравнении с точкой В, то говорят, что между точками А и В существует разность потенциалов, или напряжение, а источник создающий этот избыток, характеризуется потенциалом. В свою очередь потенциал это величина, которая показывает работу источника по перемещению заряда. Если соединить точки А и В каким-либо проводником, например простой проволокой, то избыточные электроны из точки А начнут перетекать в точку В, тем самым возникнет электрический ток в проводнике. То есть этот поток электронов и есть электрический ток.Разность потенциалов связана с напряжением или электродвижущей силой. То есть напряжение это и есть та самая сила, которая перемещает электроны в цепи.

Количественно ток можно выразить как сумму зарядов тех электронов, которые прошли через заданную точку. Но электрон имеет очень маленький заряд, поэтому для оценки заряда ввели единицу измерения – кулон (Кл). Один кулон равен сумме зарядов 6,25*1018 или 6250000000000000000 электронов.
Говорят, что если заряд в один кулон проходит через данную точку за 1секунду, то это значит, что через эту точку в проводнике течет электрический ток в один ампер (А). Таким образом, сила тока, как вы уже догадались, измеряется в амперах.

Точка А по причине избытка электронов имеет отрицательный потенциал, а точка В — положительный.
Поток электронов подобен потоку воды, текущему из бака А в бак В, как показано на рис. 1.4. Труба между баками является эквивалентом электрического проводника, а разность уровней воды — эквивалентом разности потенциалов между точками А и В.

Хотя электроны перетекают от отрицательного полюса к положительному, принято говорить, что электрический ток в проводнике течет от положительного полюса к отрицательному. Эта договоренность восходит к тому времени, когда о природе электрического тока было ничего не известно.
Разность потенциалов, или напряжение, измеряется в вольтах иобозначается буквой U. Величина электрического тока, как уже было сказано, измеряется в амперах и обозначается буквой I.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Скорость электрического тока

Жизнь современного человека полна комфорта. Сегодня мы имеем все блага цивилизации в свободном доступе. Главным достижением, которое совершенствовалось в течение долгого времени, является электрическая энергия, доступная практически в любой части мира. Мы привыкли к тому, что электроэнергия повсюду и задумываемся о ней лишь в тот момент, когда она внезапно пропадает. На самом деле явление электричества таит в себе много интересного, что желательно было бы знать каждому человеку.

Например, одним из вопросов, которым нужно задаться, является скорость электрического тока. Мало кто думал о том, как быстро зажжется лампочка, находящаяся в сотне километров от источника энергии. Этот вопрос актуален для населенных пунктов, которые находятся вдали от цивилизации.

Опытным путем учеными и исследователями было доказано, что электрический сигнал движется по кабелю со скоростью света, а именно 300 тысяч км/сек.

Важно отметить, что электроны и ионы в проводнике при этом движутся совсем не с такой скоростью. Они просто на просто не могут иметь столь высокую скорость в проводящем материале.

Под скоростью света в случае с электрическим током понимается показатель скорости, с которым заряженные частицы приходят в движение друг за другом, а не движутся относительно друг друга. Носители заряда при этом обладают средней скоростью, равной, как правило, нескольким миллиметрам за 1 сек.

Более подробно объясним данную ситуацию примером:

К заряженному конденсатору присоединяются провода большой длины, идущие к лампе, что находится на расстоянии около 100 км. Замыкание цепи происходит вручную. После этого носители зарядов приходят в движение на том отрезке провода, который подключен к конденсатору. При этом начинается покидание электронами минусовой обкладки конденсатора, следовательно, происходит уменьшение электрического поля в конденсаторе параллельно с уменьшением плюсовой обкладки.

Таким образом, между обкладками сокращается разность потенциалов. При этом электроны, пришедшие в движение, приходят на место тех, что ушли. То есть, запущен процесс перераспределения электронов внутри провода за счет влияния электрического поля. Данный процесс растет, как снежный ком, и переходит дальше по всей длине провода, достигая в итоге нити накаливания лампы.

Получается, что перемены в состоянии электрического поля распространяются внутри проводника со скоростью, равной скорости света. При этом происходит активация электронов в электрической цепи с аналогичной скоростью. Хотя сами электроны движутся друг за другом по проводнику с гораздо меньшей скоростью.

Теперь разберемся в явлении гидравлической аналогии. Рассмотрим это понятие на примере движения водного потока из пункта А в пункт Б.

Допустим, что из небольшого населенного пункта по трубе в город поступает вода. Для этого функционирует специальный насос, который повышает давление внутри трубы, и вода под влиянием давления движется гораздо быстрее. Малейшие перемены в давлении по трубе распространяются очень быстро (приблизительно 1400 км/сек). Скорость распространения данных перемен напрямую зависит от показателя плотности жидкости, ее температуры и степени оказываемого давления. Через совсем короткий промежуток времени (доля секунды) вода уже поступила в город. Но это уже совсем другая вода. Ведь молекулы в ее составе провоцируют движение друг друга из-за столкновений между собой. При этом скорость движения данных молекул гораздо меньше, ведь дрейфовая скорость имеет прямую связь с силой напора. То есть, столкновения молекул друг с другом распространяются очень быстро, а скорость одной молекулы при этом не увеличивается.

Абсолютно аналогичный процесс происходит с электрическим током. Проведем параллели: скорость распространения поля есть скорость распространения давления, а скорость движения молекул, следовательно, есть скорость электронов, создающих ток.

Дрейфовая скорость – это скорость последовательного движения заряженных частиц. Электронами данная скорость приобретается за счет действия внешнего электрического поля.

В случае, если внешнее электрическое поле отсутствует, то движение электронов внутри проводника происходит хаотично. Иными словами, конкретного направления у электрического тока нет, а дрейфовая скорость при этом нулевая.

При наличии внешнего электрического поля у проводника носители заряда приходят в движение, скорость которого зависит от ряда факторов (концентрация свободных электронов, площадь сечения провода, величины тока).

Таким образом, электрический ток имеет скорость распространения по проводнику равную скорости света. При этом скорость движения тока в проводнике – очень мала.

Вам будут интересны такие познавательные статьи, как:

2. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы

Электрический ток — направленное, упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.

Обрати внимание!

Условия существования электрического тока:

• наличие свободных электрических зарядов;
• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
• замкнутая электрическая цепь.
Электрическое поле создают источники электрического тока.

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.

Существуют различные виды источников тока:

• Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.

Рис. $1$. Электрофорная машина

Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.

• Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

Рис. $2$. Тепловой источник тока

К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.

• Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию. Сюда относится фотоэлемент.

Рис. $3$. Световой источник тока

При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.

• Химический источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую в результате протекающих химических реакций.
Примером такого источника является гальванический элемент.

Рис. $4$. Химический источник тока

Угольный стержень У (с металлической крышкой М) помещают в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С, а затем в цинковый сосуд Ц. Оставшееся пространство заполняют желеобразным раствором соли Р. При протекании химической реакции цинк заряжается отрицательно (отрицательный электрод), а угольный стержень — положительно (положительный электрод). Между заряженным угольным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле.

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Рис. $5$. Батарея гальванических элементов

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.

Рис. $6$. Аккумуляторы

Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой — отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В металлогидридных аккумуляторах отрицательный электрод состоит из порошкообразного железа, а положительный из гидроокиси никеля с добавками графита и окиси бария. Электролитом служит раствор едкого калия с добавками моногидрата лития.
Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.
Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие.

Элементы электрической цепи:

источник напряжения;
потребители: резисторы, лампы, реостат…
измерительные приборы: вольтметр, амперметр, ваттметр, омметр;
соединительные провода;
ключи для размыкания и переключения цепи.

Для поддержания электрического тока в цепи необходимы источники электрической энергии: источники электрического тока, источники электрического напряжения.

Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, на зажимах которого электродвижущая сила (и напряжение) всегда поддерживается постоянным значением.

Источник электрического тока — двухполюсник, создающий ток постоянного значения, не зависящего от значения сопротивления на подключенной нагрузке. Внутреннее сопротивление такого источника приближается к бесконечности.

Необходимое условие существования тока — замкнутая цепь! Это означает, что все элементы цепи должны быть проводниками электричества и в цепи не должно быть разрывов. В случае размыкания цепи ток прекращает течь. Именно размыкание цепи и лежит в основе работы всех реле, кнопок и выключателей.

Порядок сборки электрической цепи указывается на специальном чертеже, который принято называть схемой.

Рис. $7$. Схема

Приборы на схемах обозначают условными знаками. Вот некоторые из них:

Таблица 1. Некоторые приборы и их обозначения

Источники:

Рис. 2. Тепловой источник тока. © ЯКласс.
Рис. 3. Световой источник тока. © ЯКласс.
Рис. 4. Химический источник тока. © ЯКласс.
Рис. 5. Батарея гальванических элементов. © ЯКласс.

http://www.fizika.ru/kniga/index.php?mode=paragraf&theme=09&id=9010
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba06a-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_8.swf

Что такое электрический ток? | homeofknowledge.ru

Электрическим током называют направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов — пишут в учебнике по физике Пёрышкин А.В. и Краукликс В.В.

Казалось бы, всё просто и понятно, но если постараться осмыслить это определение, то возникнут дополнительные вопросы (как выглядит электрический заряд? куда он направлен? кто направляет? и как бы углядеть этот процесс в целом?), на которые мы сразу внятных ответов не найдём. Более того, в процессе поиска в тех же самых классических учебниках, мы встретим множество оговорок, которые прямо влияют на изменение процесса протекания электрического тока. Ток бывает переменный и постоянный, в металлах и вакууме, в электролите и газе и т.д. Чем дальше мы будем углубляться в этом вопросе, тем больше мы будем “уходить” от первоначально поставленного вопроса (что такое электрический ток?), поэтому давайте не спешить с “погружением” в теоретическую физику электричества и постараемся, не спеша, обрести понимание электрического тока, отталкиваясь от того, что нам уже известно.

А известно нам то, что если засунуть пальцы в розетку, то нас тряханёт так, что запомним на всю жизнь (в случае если выживем). Почему же так происходит? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, нужно вспомнить анатомию, и из чего мы состоим (кратко: мы состоим из органов => тканей => молекул => атомов, где постоянно двигаются (вращаются) электроны, которые и “скрепляют” наши атомы вместе, что б наше физ. тело не развалилось). Далее нужно вспомнить, из чего состоят провода, по которым “направленно движется” электрический ток. А состоят они обычно из алюминия или меди, которые в свою очередь тоже состоят из атомов и электронов, которые также удерживают (скрепляют) металл, чтобы он не развалился. По сути, в этом плане, человеческое тело не отличается от металла, там и там мельчайшей неделимой структурой является электрон. Именно электрон является носителем электрического заряда, о котором говорится в первоначальном определении электрического тока, и одновременно, связующим звеном между атомами. Как именно электрон это делает, можно почитать в статье, как соединены атомы.

Итак, электроны. Как же их привести в “направленное движение”?. Ведь, по сути, они и так двигаются, но только по своим орбитам, а нам нужно, чтоб они двигались вдоль проводника. Нужна какая-то сила или причина, чтобы это произошло. И такая сила есть! Она так и называется – электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС – это сторонний источник (к примеру батарейка или генератор) который подсоединяется к нашему проводнику и создаёт там напряжение, которое заставляет электроны “срываться” со своих орбит, и перескакивать на орбиты других атомов. И так по цепочке вплоть до конечного получателя. Получается, что и в каждом проводе (к примеру от утюга или смартфона) уже есть эл. ток, и в человеческом теле тоже есть эл. ток, но только он не приведён в движение (там и там электроны). И если на человека подать напряжение (пальцы в розетку), то в теле начнётся процесс перемещения электронов с тех мест, где они должны быть, на те места, где они быть не должны. Человека начинает трясти, и если этот процесс не остановить, человеческое тело погибнет. Осталось только разобраться, как именно напряжение заставляет электроны направленно двигаться, пропихивая их вдоль проводника.

Напряжение и разность потенциалов.

По сути, напряжение – это явление, которым косвенно научился пользоваться человек, до конца не понимая его природу. Человек уловил, что каждая материя стремится к устойчивости (гармонии). И если эту гармонию разрушить, то на восстановлении этой гармонии можно “прокатиться” или “нагреть руки” (т.е. использовать с пользой для себя). В напряжении, гармонией будет является кол-во электронов в определённой области. И если в какой-либо области, электронов станет много, то они при первой же возможности “побегут” туда, где их мало. Такую искусственную ситуацию создаёт обычная батарейка:

Батарейка “специально” создаёт избыток электронов в одной своей части, и их дефицит в другой. И электроны вынуждено “бегут” по проводнику, что нам и нужно. И чем выше будет создан этот искусственный дисбаланс (разность потенциалов), тем мощнее побегут электроны. Такова суть напряжения.

Обратите внимание, что на картинке электроны бегут от минуса к плюсу, хотя в классической физике принято считать наоборот =)

Не будем углубляться, что такое Анод и Катод, а вот что такое “плюс” и “минус” надо разобраться т.к. к нашему первоначальному определения эл. тока иногда добавляют соответствующую фразу: Эл. ток – это направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов от плюса к минусу.

Плюс и минус это полюса. А что такое полюс? Полюса бывают же и у нашей Земли, и у магнита, а в батарейке что это? А это просто концы батарейки (клеммы) для условного обозначения. Вот так, казалось бы, просто? Да, просто, если опустить следующий вопрос: Почему электроны бегут от минуса к плюсу, а в некоторых случаях наоборот?. Увы, но классическая физика внятного ответа на этот вопрос дать не может. Ближе к концу, мы попробуем разобраться в этом вопросе самостоятельно…

Постоянный и переменный ток.

Итак, всё, о чём писалось выше, касалось только постоянного тока. Т.е. движение электронов было однонаправленным и не на миг не прерывалось. Переменный же ток имеет всю ту же природу, но только меняет своё направление 50 раз за 1 секунду.

Т.е. электроны бегут то вперёд, то обратно, то вперёд, то обратно. И так 50 раз за 1 секунду, если мы говорим о бытовой розетке. Как же розетке удаётся так ими руководить? А дело в том, что источник (спрятанный за розеткой) меняет полюса местами 50 раз в секунду, соответственно и электроны меняют своё направление 50 раз в секунду. Вот и вся принципиальная разница между постоянным и переменным током.

Ну и что же тогда получается… когда все электроны истратятся, электрический ток кончится как исчерпаемый ресурс? Или они безконечные? Нет, электроны никуда не тратятся и не испаряются. Нужно помнить, что, как и в постоянном, так и в переменном токе эл. цепь всегда замкнута. И у розетки, и у батарейки есть “вход” и “выход”. В случае постоянного тока, электроны бегают по кругу, многократно проходя через свой “родной” первоначальный атом, стремясь устранить дисбаланс, который мы постоянно искусственно создаём. А в случае переменного тока, электроны не успевают далеко убежать и возвращаются на свои “родненькие” атомы т.к. источник меняет полюса местами.

Электроны никто не съедает. Это не бензин, который перерабатывается и превращается в выхлопной газ. Тогда как мы получаем энергию от электричества если мы ничего не тратим?! А нужно вспомнить первоначальное определение эл. тока, что эл. ток – это движение электрических зарядов, а не электронов. А электрон – это носитель заряда. Ну и какой же количественный заряд имеет 1 электрон? 1 электрон имеет отрицательный заряд равный – 1.6 x 10^-19 Кл. (Кл – Кулон). Стоп, как что-то, что имеет определённую энергию, которая тратится на какую-либо полезную работу может иметь отрицательный заряд?! А вот так и может, т.к. это условность, которую ввели физики/теоретики, чтоб хоть как-то обозначить отношения ядра атома и электронов, которые мотаются вокруг него. Помните неведомый закон природы, что все стремится к гармонии (равновесию)? Так физики тут обозначили это равновесие указав, что протоны ядра атома имеют положительный заряд, а электроны, мотающиеся вокруг этого ядра, имеют отрицательный заряд. Баланс? Баланс. Но всё равно, как-то запутанно. Сложно в голове представить, что такое электрон (т.к. он проявляет себя не только как материя, но и как волна), а тут ещё он отрицательно заряженный…

Чувствуете, что чем дальше мы пытаемся вникнуть в суть природы явления эл. тока, тем больше мы сталкиваемся с новыми явлениями, вещами и терминологией, которые всё только усложняют и превращают в бессмыслицу? Это явный показатель того, что внятного и точно понимания природы эл. тока у современного научного мира нет. Человек методом проб и ошибок нашёл способ поставить это явление себе на службу, но как внятно это объяснить…загвоздочка…

Поэтому я предлагаю взглянуть на этот вопрос с другой позиции, более современной, внятной и я б даже сказал революционной.

Принципиально новый взгляд.

Как нынешняя физика требует большого труда, чтоб разобраться что такое эл. ток, так и принципиально новый взгляд потребует отбросить “шоры”, навешанные современной наукой, чтобы суметь “увидеть” протекающие процессы, на которые мы ранее не обращали внимание.

И в первую очередь, внимание стоит обратить на то, что в некоторых вопросах научный мир всё же вынужденно и открыто сдаётся, т.к. он не может предположить, в чём причина того или иного явления. Например, в вопросе “почему галактики двигаются и вращаются?” научный мир обозначил эту неведомую силу как “тёмная материя”, т.е. неизвестно что (тёмная материя) двигает галактики, что составляет 90% материи большого космоса. Но что именно представляет из себя тёмная материя, современный научный мир не знает даже приблизительно.

Как водится, начнём издалека.

Всё наше пространство неоднородно. Т.е. свойства и качества пространства меняются в зависимости от того, где мы находимся в этом пространстве. Глупо отрицать это. Простой пример с открытием глаз под водой подтверждает это. Те предметы, которые мы увидим под водой, буду отличиться от того, если бы мы их увидели в воздушной среде. Более того, анализ радиоволн от отдалённых галактик, сделанный доктором Джорджем Нодландом и доктором Джоном Ралстоном, подтвердили это в научном мире. Так вот, внутри этих неоднородностей пространства, могут формироваться звёзды и планеты.

Принципиально новый подход говорит, что вся наша Вселенная состоит из 7-ми первичных материй, которые взаимодействуя между собой образуют всё физ. вещество нашей Вселенной. Последовательно сливаясь между собой, каждая новая гибридная материя образует новое вещество внутри предыдущего гибридного вещества:

Так, внутри неоднородности, образовалась наша планета Земля. Это понимание очень важно для последующего понимания, что такое электрон и что такое эл.ток.

Можно сказать, что процессы протекающие на уровне галактик, звёзд и планет – это процессы макропространства, а процессы протекающие на уровне атома – это процессы микропространства.

Теперь представим ситуацию на уровне микропространства, что у нас слилось 6 первичный материй, а 7-ая не может, т.к. ей не хватает совсем чуть-чуть деформации самого микропростнаства. Но само пространство (микро и макро) никогда не находится в статическом положении. Всегда есть (хоть и небольшие) колебания. И как только это колебание достигает нашей деформации, оно кратковременно накладывается на нашу деформацию. На короткое время возникают условия, при которых все семь первичных материй в состоянии слиться и образовать гибридную форму. Начинается процесс синтеза, появляется материальное облако, которое начинает уплотняться, но процесс уплотнения не успевает завершиться. Именно это материальное облако и называют электроном! Получается, что электрон – это крайне неустойчивая материя, которая постоянно балансирует на грани синтеза и распада.

Тогда как же он двигается вокруг атома? А он вообще не двигается в физически плотной среде, и в первую очередь потому, что электрон не является в полном смысле физически плотной материей, а есть, ни что иное, как крайне неустойчивое граничное состояние этой материи. Электрон просто материализуется и распадается в разных участках орбиты атома, следуя “воле” волнам, которые несут так недостающую деформацию для слияния 7-ми первичных материй.

Раз электроны не двигаются вокруг ядра атома, значит они и не бегают вдоль проводника, как мы это указывали в первоначальном определении. Тут нужно вспомнить, что проводник (металл) имеет кристаллическую структуру (атомы жестко и упорядоченно “сцеплены”), и если в проводнике создать горизонтальный перепад мерности (неоднородность), то все материи, формирующие электроны в физ. мире буду “сноситься” в одну сторону, а вторая сторона потребует действий, чтоб как-то компенсировать недостаток материй. Именно процесс восстановления баланса нехватки первичных материй и электронов и будет называться электрическим током.

Тут требуется пояснить, что каждая материя имеет свой собственный уровень мерности т.е. свои свойства и качества, которые она может проявить только в определённых условиях (пространстве). И если она туда не попадёт, то никак себя и не проявит. Материя стремится занять положение, где свойства и качества самой материи, будут тожественны свойствам и качествам пространства. Именно этим объясняется стремление материи к устойчивости, о котором говорилось выше.

Горизонтальный перепад мерности создаёт условия, при которых, положительные ионы должны двигаться против перепада, в то время, как отрицательные ионы—вдоль этого перепада мерности. Положительные ионы вынуждены двигаться «против течения», в то время как отрицательные «по течению». В результате этого скорость движения, а следовательно энергия положительных ионов уменьшается, а отрицательных ионов — увеличивается. Ускоренные подобным образом отрицательные ионы, при столкновении с кристаллической решёткой, теряют избыточные электроны, становясь нейтральными атомами. Кристаллическая решётка, при этом, приобретает дополнительные электроны. И, если теперь, соединить между собой эти две пластины с разными уровнями собственной мерности посредством провода из совместимого с ними материала, то в последнем (проводе) возникнет, так называемый, постоянный электрический ток — направленное движение электронов от плюса к минусу, где плюс—пластина, имеющая больший уровень собственной мерности, а минус — пластина имеющая меньший уровень собственной мерности. И если продолжить данный анализ, то перепад потенциалов между пластинами есть ни что иное, как перепад уровней собственной мерности кристаллических решёток этих пластин.

Сложно “въехать” в понятие эл.тока. А уж принципиально новый взгляд освоить и того сложнее. Чем больше изучаешь новую позицию, тем больше накапливается вопросов. Поэтому, если ваше любопытство ещё не остыло, отправляю вас к источнику столь замечательного и полезного труда “Неоднородная Вселенная” Н.В. Левашова, который распространяется в интернете абсолютно безплатно. Сам автор гораздо более детальнее и яснее изложит свою позицию.

Что это — электрический ток? Условия существования электрического тока: характеристики и действия

Электрический ток — это электрический заряд в движении. Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как, например, молния. Или это может быть контролируемый процесс в генераторах, батареях, солнечных или топливных элементах. Сегодня мы рассмотрим само понятие «электрический ток» и условия существования электрического тока.

Электрическая энергия

Зачем нужен электрический ток?

Понятие об электрическом токе

Любопытно об электрическом токе

Прямой и переменный ток

Как работает электрический ток

Что такое электрический ток

Мощность тока

Электрический заряд в движении

Электрический ток: условия существования электрического тока

Заряженные частицы.
Проводник.
Источник напряжения.

Разность потенциалов (напряжение). Это одно из обязательных условий. Между 2 точками должна быть разница потенциалов, означающая, что отталкивающая сила, которая создается заряженными частицами в одном месте, должна быть больше, чем их сила в другой точке. Источники напряжения, как правило, не встречаются в природе, и электроны распределяются в окружающей среде достаточно равномерно. Все же ученым удалось изобрести определенные типы приборов, где эти заряженные частицы могут накапливаться, тем самым создавая то самое необходимое напряжение (например, в батарейках).
Электрическое сопротивление (проводник). Это второе важное условие, которое необходимо для существования электротока. Это путь, по которому перемещаются заряженные частицы. В качестве проводников выступают только те материалы, которые дают возможность электронам свободно перемещаться. Те же, у которых этой способности нет, называются изоляторами. Например, проволока из металла будет отличным проводником, в то время как ее резиновая оболочка будет превосходным изолятором.

виды и применение электротока, основные понятия, движение носителей заряда, формулы

Применение электрического тока разнообразно, поскольку невозможно представить без него жизнь человечества. Следует понимать его природу возникновения, чтобы направить энергию во благо, а не во вред. Электрический ток подчиняется законам физики, которые используются для изготовления различных устройств. Для его грамотного использования нужно знать основные электрические величины.

Основные понятия

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, благодаря которым может порождаться электромагнитное поле. К заряженным частицам можно отнести следующие: электроны, протоны, нейтроны, дырки и ионы. В научной литературе нейтрон не имеет заряда, однако участвует в образовании электромагнитного поля.

Кроме того, некоторые не знают, почему электроток является векторной величиной. Это утверждение следует из его определения, поскольку он имеет направление. В некоторых источниках можно встретить такое определение: электроток — скорость, с которой происходит изменение зарядов элементарных частиц в определенный момент времени. Ток характеризуется силой и напряжением (разность потенциалов). Свойства, которыми обладает электроток: тепловое, механическое, химическое и создание электромагнитного поля.

Сила и тип тока

Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через проводник за единицу времени, равную одной секунде. Материалы по проводимости делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники — вещества, которые способны проводить ток, поскольку в них есть свободные электроны. Их наличие можно выяснить по таблице Д. И. Менделеева, воспользовавшись электронной конфигурацией химического элемента.

Полупроводники могут проводить поток заряженных частиц при определенных условиях.(-7) Н.

Упрощенный вариант формулировки следующий: сила электротока, при которой через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени t проходит количество электричества Q, называется ампером. Определение записывается в виде формулы и имеет следующий вид: I = Q / t.

Бывают вспомогательные единицы измерения, к которым относят мА (0,001 А), кА (1000 А) и т. д.

Значение силы тока измеряется при помощи амперметра, который подключается в цепь последовательно. Видов электрического тока всего два: постоянный и переменный. Если ток остается постоянным или изменяется по величине, не меняя направления, то он называется постоянным.

Переменный ток изменяется по амплитудному значению и направлению протекания по какому-либо закону. Его основной характеристикой является частота. По закону изменения амплитуды их можно разделить на следующие виды: синусоидальные и несинусоидальные. Первые изменяются по гармоническому закону и его графиком является синусоида. Формула синусоидального тока включает в себя максимальное значение силовой характеристики Iм, время t и угловую частоту w = 2 * 3,1416 * f (частота тока источника питания): i = Iм * sin (w * t). Еще одной величиной, характеризующей электроток, является напряжение или разность потенциалов.

Разность потенциалов

Любое вещество состоит из атомов, состоящих из элементарных частиц. Ядро обладает положительным зарядом, а вокруг него по своим орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Атомы являются нейтральными, поскольку число электронов равно количеству протонов в ядре.

При потерях электронов атомами образуется электромагнитное поле, создаваемое протонами, поскольку они стремятся вернуть недостающие отрицательно заряженные частицы. Если по какой-то причине произошел избыток электронов, то формируется электромагнитное поле с отрицательной составляющей. В первом и во втором случаях формируются положительные и отрицательные потенциалы соответственно. Различие между ними называется напряжением или разностью потенциалов.

Величина различия прямо пропорциональна значению напряжения: при увеличении разницы возрастает значение напряжения. При соединении потенциалов с различными знаками возникает электроток, который стремится устранить причину разности и вернуть атом в исходное состояние.

Электрическое напряжение — работа, совершаемая электромагнитным полем по перемещению точечного заряда. Единица измерения напряжения является вольт (В), а его значение можно измерять с помощью вольтметра. Он подключается параллельно участку или электроприбору, на котором необходимо измерить разность потенциалов. 1 В является разностью потенциалов между двумя точками с зарядом 1 Кл, при котором сила электромагнитного поля совершает работу, равную 1 Дж.

Условия получения и законы

Электроток возникает при воздействии электромагнитного поля на проводник. Но также справедливо и обратное утверждение, доказывающее возникновение электрического поля в результате протекания тока. Важными условиями его получения являются такие факторы: наличие свободных электронов и источника напряжения. Наличие носителей заряда влияет на проводимость, а напряжение является внешней силой, которая способствует «вырыванию» из кристаллической решетки этих частиц.

Проводимость веществ

Носителями заряда в металлах являются электроны. При высокой температуре проводника возникает движение атомов, некоторые из них распадаются и образуются новые свободные электроны. Заряженные частицы взаимодействует с атомами и узлами кристаллической решетки, и часть энергии превращается в тепловую. Этот процесс называется электрическим сопротивлением проводника. Оно зависит от следующих составляющих:

Температуры.
Типа вещества.
Длины проводника.
Площади поперечного сечения.

При уменьшении температуры вещества происходит снижение его сопротивления. Зависимость от типа вещества объясняется тем, что каждое вещество состоит из атомов. Они образуют между собой кристаллическую решетку, причем у каждого вещества она разная. Каждый атом имеет определенную электронную конфигурацию, а следовательно, отличается от других наличием носителей заряда.

Кроме того, потоку заряженных частиц сложнее пройти через длинный проводник с маленьким значением его площади поперечного сечения.

Проводником является и электролит или жидкость, проводящая электрический ток. Носителями заряда в жидкостях являются ионы, которые бывают положительно (анионы) и отрицательно (катионы) заряжены. Электрод с положительным потенциалом называется анодом, а с отрицательным — катодом. Перемещение происходит при подаче напряжения на электроды. Катионы перемещаются к аноду, а анионы — к катоду.

При протекании тока через электролит происходит его нагревание, в результате которого увеличивается сопротивление жидкости. Некоторые газы способны проводить электроток тоже. Носителями заряда в них являются ионы и электроны, а сам «заряженный газ» называется плазмой.

Электричество в полупроводниках подчиняется тем же законам, что и в проводниках, но есть некоторые отличия. Представлять носители заряда в них могут электроны и дырки. При уменьшении температуры сопротивление его возрастает. При внешнем воздействии на полупроводник связи в кристаллической решетке ослабевают и появляются свободные электроны, а в месте, где они были, происходит образование дырки. Однако она притягивает другой электрон, который находится рядом. Так и происходит движение дырок. Следовательно, сумма дырочного и электронного электромагнитных полей образует электроток.

Основные соотношения

Все явления подчиняются физическим законам, и электричество не является исключением. Основные соотношения зависимости одной величины от других описаны в законах, которые применяются для расчета различных схем для простых и сложных устройств. Кроме того, правила помогают избежать различных аварийных ситуаций, поскольку электричество может служить и во вред человечеству, вызывая пожары, травмы и даже смерть.

Основным законом, используемым в электротехнике, является закон Ома для участка и полной цепи. Для участка цепи он показывает зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R и его формулировка следующая: ток, протекающий на участке цепи, прямо пропорционален значению напряжения и обратно пропорционален сопротивлению этого участка (I = U / R).

Для полной цепи, в которой существует электродвижущая сила (e) и внутреннее сопротивление источника питания: формулировка выглядит следующим образом: ток, протекающий в полной цепи, прямо пропорционален электродвижущей силе (ЭДС) и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи с учетом внутреннего сопротивления источника питания (i = e / (R + Rвн)).

Из этих законов можно получить следствия, которые нужны для нахождения величин напряжения, ЭДС и сопротивлений. Следствия из законов Ома:

R = U / I.
U = I * R.
e = i * (R + Rвн).
R = (e / i) — Rвн.
Rвн = (e / i) — R.

Электроток, при прохождении через проводник или полупроводник, совершает работу, при которой выделяется тепловая энергия. Это одно из его свойств. Ее численное значение определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.

Закон показывает зависимость количества теплоты от величин напряжения и силы тока, а также времени протекания электротока.

Его формулировка следующая: количество теплоты Q, выделяемое током при протекании через проводник за единицу времени, прямо пропорционально зависит от напряжения и силы тока (Q = U * I * t). Следствия из этого закона следующие:

- Q = sqr (I) * R * t.
- Q = (sqr (U) * t) / R.
- I = Q / (U * t).
- I = sqrt ((Q / (R * t)).
- U = Q / (I * t).
- U = sqrt (Q * R * t).
- t = Q / (U * I).
- t = Q / (sqr (I) * R).

Q = P * t.
P = Q / t.
t = Q / P.

Величина Р является мощностью и вычисляется по формуле: Р = U * I. Если электрический ток в цепи не совершает механическую работу и не производит никакого действия, то все электрическая энергия преобразуется в тепловую, т. е. A = Q.

Опытным путем было установлено, что при пересечении линий электромагнитной индукции проводником замкнутого типа в нем появляется электроток. Закон о влиянии электромагнитного поля на возникновение тока называется законом Фарадея. Он гласит: отрицательное значение ЭДС электромагнитной индукции в контуре, который является замкнутым, равно изменению магнитного потока с течением времени. Из закона Фарадея следует, что при движении проводника в постоянном магнитном поле на концах первого возникает разность потенциалов. Этот принцип используется для изготовления генераторов, трансформаторов и т. д.

Таким образом, электрический ток, как все явления и процессы, подчиняется определенным законам, которые позволяют не только контролировать, но и избегать негативных последствий, связанных с его работой. Производить расчеты нужно и для экономии времени, поскольку подбор номинала какого-либо элемента схемы может привести к выходу из строя устройства.

Электрический ток | Encyclopedia.com

Электрический ток обычно рассматривается как поток электронов. Когда два конца батареи соединяются друг с другом с помощью металлического провода, электроны выходят из одного конца (электрода или полюса) батареи через провод к противоположному концу батареи.

Электрический ток можно также рассматривать как поток положительных «дырок». «Дыра» в этом смысле — это область пространства, где обычно можно найти электрон, но не существует.Отсутствие отрицательного заряда электрона можно рассматривать как создание положительно заряженной дыры.

В некоторых случаях электрический ток может также состоять из потока положительно заряженных частиц, известных как катионы. Катион — это просто атом или группа атомов, несущих положительный заряд.

Измерение тока

Ампер (ампер) используется для измерения величины протекающего тока. Отделение было названо в честь французского математика и физика Андре Мари Ампера (1775–1836), основавшего современные исследования электрических токов.Ампер определяется как количество электронов, которые проходят через любую заданную точку за определенную единицу времени. Поскольку электрический заряд измеряется в кулонах, точное определение ампера — это количество кулонов, которые проходят через заданную точку каждую секунду.

Характеристики электрического тока

Разность потенциалов. Для протекания электрического тока необходимо выполнение ряда условий. Во-первых, между двумя точками должна существовать разность потенциалов. Термин разность потенциалов (или напряжение) означает, что сила, создаваемая группой электронов в одном месте, больше, чем сила электронов в другом месте.Большая сила отталкивает электроны от первого места ко второму.

Потенциальные различия обычно не встречаются в природе. В большинстве случаев распределение электронов в окружающем нас мире довольно равномерное. Однако ученые изобрели определенные виды устройств, в которых электроны могут накапливаться, создавая разность потенциалов. Например, батарея — это не что иное, как устройство для производства больших масс электронов на одном электроде (точка, из которой отправляется или принимается электрический ток) и недостатка электронов на другом электроде.Эта разница объясняет способность батареи генерировать разность потенциалов или напряжение.

Электрическое сопротивление. Второе условие, необходимое для протекания тока, — это путь, по которому могут перемещаться электроны. Некоторые материалы могут обеспечить такой путь, а другие — нет. Материалы, которые пропускают электрический ток, называются проводниками. Те, которые блокируют прохождение электрического тока, называются непроводниками или изоляторами. Металлический провод, соединяющий два полюса батареи в приведенном ранее примере, обеспечивает путь для движения электронов от одного полюса батареи к другому.

Электропроводность материалов — это внутреннее (или естественное) свойство, основанное на их сопротивлении движению электронов. Электроны в некоторых материалах связаны химическими связями и не могут проводить электрический ток. В других материалах большое количество электронов свободно перемещается, и они легко передают поток электронов.

Электрическое сопротивление (или удельное сопротивление) измеряется в единицах, известных как ом (Ом). Устройство было названо в честь немецкого физика Георга Симона Ома (1789–1854), первого человека, выразившего законы электропроводности.Противоположностью сопротивлению является проводимость, свойство, которое измеряется единицей, называемой mho (ом, записанный наоборот).

Сопротивление куска провода, используемого в электрической цепи, зависит от трех факторов: длины провода, его площади поперечного сечения и удельного сопротивления материала, из которого он сделан. Чтобы понять влияние электрического сопротивления, представьте себе воду, текущую по шлангу.

Количество воды, протекающей по шлангу, аналогично току в проводе.Подобно тому, как через толстый пожарный шланг может пройти больше воды, чем через тонкий садовый шланг, толстая металлическая проволока может пропускать больше тока, чем тонкая металлическая проволока. У провода чем больше площадь поперечного сечения, тем меньше его сопротивление; чем меньше площадь поперечного сечения, тем больше его сопротивление.

Аналогичное сравнение можно провести и по длине. Воду сложнее течь по длинному шлангу просто потому, что она должна течь дальше. Точно так же току труднее пройти по длинному проводу, чем по короткому.

Удельное сопротивление — это свойство материала, из которого изготовлен сам провод, которое различается от материала к материалу. Представьте, что вы наполняете пожарный шланг патокой, а не водой. Меласса будет течь медленнее просто из-за ее вязкости (липкости или сопротивления течению). Точно так же электрический ток проходит через некоторые металлы (например, свинец) с большим трудом, чем через другие металлы (например, серебро).

Электрические цепи

В большинстве случаев путь, по которому проходит электрический ток, известен как электрическая цепь.Как минимум, схема состоит из (1) источника электронов (например, батареи), который будет обеспечивать разность потенциалов, и (2) пути, по которому могут перемещаться электроны (например, металлической проволоки). Вспомните, что разность потенциалов (или напряжение) означает большую силу электронов в одном месте, чем в другом; эта большая сила толкает электроны к месту с меньшей силой.

Для любого практического (или полезного) применения ток также требует (3) устройства, работа которого зависит от протекания электрического тока.К таким приборам относятся электрические часы, тостеры, радио, телевизоры и различные типы электродвигателей. Во многих случаях электрические цепи также содержат (4) какой-то измеритель, который показывает величину электрического тока или разность потенциалов в цепи. Наконец, схема, вероятно, будет включать (5) различные устройства для управления потоком электрического тока, такие как выпрямители, трансформаторы, конденсаторы и автоматические выключатели.

Приборы можно включать в электрическую цепь одним из двух способов.В последовательной цепи ток течет через приборы один за другим. В параллельной цепи входящий ток разделяется и передается через каждую отдельную цепь независимо.

Важным преимуществом параллельных цепей является их устойчивость к повреждениям. Предположим, что какой-либо из приборов в последовательной цепи поврежден, и ток не может течь через него. Этот пробой предотвращает протекание тока в любом из приборов. При параллельной схеме такой проблемы не возникает.Если одно из устройств в параллельной цепи выходит из строя, ток все равно продолжает течь через другие устройства в цепи.

Принципиальная математическая зависимость, управляющая протеканием электрического тока в цепи, была обнаружена Омом в 1827 году. Закон Ома гласит, что величина тока (i) в цепи напрямую связана с разностью потенциалов (V) и обратно пропорциональна сопротивление (r) в цепи. Другими словами, i = V / r. Закон Ома гласит, что увеличение разности потенциалов

или уменьшение сопротивления приводит к увеличению тока.И наоборот, уменьшение разности потенциалов или увеличение сопротивления приводит к уменьшению тока. Чем сложнее становится электрическая цепь, тем труднее становится применить закон Ома.

Поток тока и поток электронов

Область электротехники обременена странной проблемой, которая возникла более 200 лет назад. Когда ученые впервые изучили поток электрического тока из одного места в другое, они считали, что этот поток создается движением крошечных частиц.Поскольку электрон еще не был обнаружен, они предположили, что эти частицы несут положительный заряд.

Сегодня мы знаем иначе. Электрический ток — это поток отрицательно заряженных частиц: электронов. Но обычай отображать электрический ток как положительный существует уже давно и до сих пор широко используется. По этой причине нередко можно увидеть электрический ток в виде потока положительных зарядов, хотя мы уже давно знаем это лучше.

Описанный до сих пор тип электрического тока — постоянный ток (DC).Постоянный ток всегда предполагает движение электронов из области с высоким отрицательным зарядом в область с более низким отрицательным зарядом. Электрический ток, вырабатываемый батареями, — это постоянный ток.

Интересно, что подавляющее большинство электрического тока, используемого в практических целях, — это переменный ток (AC ток). Переменный ток — это ток, который очень быстро меняет направление своего протекания. В Северной Америке, например, коммерческие линии электропередач работают с частотой 60 герц.(Герц — это единица измерения частоты.) В линии с частотой 60 Гц ток меняет свое направление 60 раз каждую секунду.

Также широко используются другие типы переменного тока. За пределами Северной Америки чаще встречается линия электропередачи на 50 герц. А в самолетах переменный ток обычно составляет 400 герц.

[ См. Также Электричество; Электродвигатель ]

Электрический ток — Energy Education

Электрический ток , также называемый амперами, — это количество электрического заряда, протекающего в секунду в проводнике.Это то, что передает электроэнергию от электростанций через систему передачи и распределительную сеть для промышленного и домашнего использования электроэнергии. Это иначе известно как электричество. Сила тока определяется количеством заряда, протекающего в секунду, и измеряется в амперах, сокращенно A или ампер. Когда электрический заряд течет в одном направлении, это называется постоянным током, а когда электрический заряд колеблется взад и вперед в чередующихся направлениях, это называется переменным током.

Величину постоянного тока можно рассчитать по следующей формуле:

[math] I = \ frac {\ Delta Q} {\ Delta t} [/ math]

[math] I [/ math] = ток в амперах,

[math] \ Delta Q [/ math] = заряд в кулонах, проходящий мимо данного места, и

[math] \ Delta t [/ math] = прошедшее время в секундах.

Однако кулоны заряда нельзя измерить напрямую, поэтому для измерения тока обычно используется устройство, известное как мультиметр.Переменный ток использует аналогичное уравнение для определения силы тока, но математика становится немного сложнее, поскольку направление движущегося заряда быстро меняется.

По соглашению термин «ток» (также называемый обычным током) определяется как заряды, перемещающиеся от положительного вывода к отрицательному. Также существует термин «поток электронов», который используется для определения зарядов, движущихся от отрицательного вывода к положительному. Обратите внимание, что это противоположности.Обычный ток более популярен, хотя можно использовать любой термин, если это делается последовательно, чтобы избежать путаницы. Популярный веб-комикс о том, как определяются положительные и отрицательные заряды, можно найти на сайте XKCD.

Всякий раз, когда ток проходит через компонент или цепь, часть энергии теряется на нагрев. Некоторые специальные устройства, например тостеры, используют это тепло. Часто это тепло является неэффективностью системы, например, при передаче электроэнергии. Избыточное тепло может быть настоящей неприятностью в некоторых приложениях, таких как настольные компьютеры, которые имеют тенденцию к перегреву и требуют вентиляторов, которые циркулируют воздух для охлаждения.

Переключатели используются для почти мгновенного отключения (или включения) тока. Как только заряду некуда податься (помните, ток перемещается только при полном замыкании), ток прекращается. Если начинает течь слишком большой ток, специальный переключатель действует как мера безопасности для автоматического отключения тока. Эти меры аварийной безопасности включают предохранители и автоматические выключатели.

Ток и магнитные поля

Электрический ток вызывает магнитные поля, как обнаружил Ганс Эрстед в 1819 году.Вскоре эта идея была развита в работах Андре-Мари Ампера, ^[1] Жан-Батиста Био и Феликса Савара, чтобы сформировать первые законы электромагнетизма. ^[2] Электродвигатели — обычное применение этого явления — использование токов и их магнитных полей для преобразования электрической энергии в механическую.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Чтобы узнать о физике электрического тока, обратитесь к гиперфизике.

Список литературы

Когда я щелкаю выключателем, свет включается очень быстро. Насколько быстро в проводе течет электричество? | Ребята из науки

Когда я щелкаю выключателем, свет включается очень быстро. Насколько быстро в проводе течет электричество?

Ноябрь 2001 г.

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно взглянуть на саму материю на самом базовом уровне. Материя состоит из небольших единиц, называемых атомами. На этом атомном уровне материя обладает двумя основными характеристиками.Материя имеет массу и может иметь электрический заряд, положительный или отрицательный, или может быть нейтральным без заряда. Каждый атом содержит три типа частиц с разными характеристиками; положительные протоны, нейтральные нейтроны и отрицательные электроны.

Электрический ток (электричество) — это поток или движение электрического заряда. Электричество, проводимое в вашем доме по медным проводам, состоит из движущихся электронов. Протоны и нейтроны атомов меди не движутся.Фактическое продвижение отдельных электронов в заданном направлении через проволоку довольно медленное. Электроны должны пройти через миллиарды атомов в проводе, а это занимает значительное время. В случае медного провода калибра 12, по которому проходит ток 10 ампер (типично для домашней электропроводки), отдельные электроны перемещаются только примерно на 0,02 см в секунду или 1,2 дюйма в минуту (в науке это называется дрейфовой скоростью электронов). . Если такова природа, почему свет загорается так быстро? При такой скорости электронам потребовались бы часы, чтобы добраться до огней.

Атомы очень крошечные, менее миллиардной метра в диаметре. Проволока «заполнена» атомами и свободными электронами, и электроны движутся между атомами. В типичном медном проводе каждую секунду будут проходить триллионы электронов через любую заданную точку провода, но они будут проходить через эту точку очень медленно. Подумайте о проволоке в сравнении с трубкой, полной шариков. Если мы протолкнем еще один шарик в заполненную трубу, то один шарик должен будет выйти из другого конца. Электроны похожи на проволоку.Если кто-то двигается, они все должны двигаться. Таким образом, когда вы включаете переключатель, разность электрических потенциалов (создаваемая генератором) немедленно вызывает силу, которая пытается переместить электроны. Если вы заставляете двигаться один электрон при включении переключателя, электроны по всей проволоке перемещаются, даже если длина проволоки составляет много миль. Поэтому, когда вы включаете выключатель, электроны в свете начинают двигаться «мгновенно», насколько нам известно, то есть что-то начинает происходить во всей электрической системе. Хотя на самом деле электроны движутся по проводу медленно, мы говорим, что скорость электричества близка к скорости света (очень быстро).На самом деле мы имеем в виду, что воздействие электричества происходит «мгновенно». Свет загорается в тот момент, когда вы щелкаете выключателем. Вам не нужно ждать, пока электроны потекут от переключателя к свету.

открытых учебников | Сиявула

Математика

Наука

- Читать онлайн
- Учебники
  - Английский
    - Класс 7A
    - Марка 7Б
    - 7 класс (A и B вместе)
  - Африкаанс
    - Граад 7А
    - Граад 7Б
    - Граад 7 (A en B saam)
- Пособия для учителя
- Читать онлайн
- Учебники
  - Английский
    - Марка 8A
    - Сорт 8Б
    - 8 класс (A и B вместе)
  - Африкаанс
    - Граад 8А
    - Граад 8Б
    - Граад 8 (A en B saam)
- Пособия для учителя
- Читать онлайн
- Учебники
  - Английский
    - Марка 9А
    - Марка 9Б
    - 9 класс (A и B вместе)
  - Африкаанс
    - Граад 9А
    - Граад 9Б
    - Граад 9 (A en B saam)
- Пособия для учителя
- Читать онлайн
- Учебники
  - Английский
    - Класс 4A
    - Класс 4Б
    - Класс 4 (вместе A и B)
  - Африкаанс
    - Граад 4А
    - Граад 4Б
    - Граад 4 (A en B saam)
- Пособия для учителя
- Читать онлайн
- Учебники
  - Английский
    - Марка 5А
    - Марка 5Б
    - Оценка 5 (вместе A и B)
  - Африкаанс
    - Граад 5А
    - Граад 5Б
    - Граад 5 (A en B saam)
- Пособия для учителя
- Читать онлайн
- Учебники
  - Английский
    - Марка 6А
    - Марка 6Б
    - 6 класс (A и B вместе)
  - Африкаанс
    - Граад 6А
    - Граад 6Б
    - Граад 6 (A en B saam)
- Пособия для учителя

Наша книга лицензионная

Эти книги не просто бесплатные, они также имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (брендированные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий.Вы можете делать ксерокопии, распечатывать и распространять их сколько угодно раз. Вы можете скачать их на свой мобильный телефон, iPad, ПК или флешку. Вы можете записать их на компакт-диск, отправить по электронной почте или загрузить на свой веб-сайт. Единственным ограничением является то, что вы не можете адаптировать или изменять эти версии учебников, их содержание или обложки, поскольку они содержат соответствующие бренды Siyavula, спонсорские логотипы и одобрены Департаментом базового образования. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Непортированный.

Узнайте больше о спонсорстве и партнерстве с другими, которые сделали возможным выпуск каждого из открытых учебников.

CC-BY (версии без марочного знака)

Эти небрендированные версии одного и того же контента доступны для вас, чтобы вы могли делиться ими, адаптировать, трансформировать, модифицировать или дополнять их любым способом, с единственным требованием — дать соответствующую оценку Siyavula. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

Как работает аккумулятор — Любопытно

Представьте себе мир без батарей.Все портативные устройства, от которых мы так зависим, были бы настолько ограничены! Мы сможем доставить наши ноутбуки и телефоны настолько далеко, насколько доступны их кабели, что сделает это новое работающее приложение, которое вы только что загрузили на свой телефон, практически бесполезным.

К счастью, у нас есть батарейки. Еще в 150 г. до н.э. в Месопотамии парфянская культура использовала устройство, известное как багдадская батарея, сделанное из медных и железных электродов с уксусом или лимонной кислотой. Археологи считают, что на самом деле это не были батареи, а использовались в основном для религиозных церемоний.

Изобретение батареи в том виде, в котором мы ее знаем, приписывают итальянскому ученому Алессандро Вольта, который собрал первую батарею, чтобы доказать свою точку зрения другому итальянскому ученому Луиджи Гальвани. В 1780 году Гальвани показал, что лапы лягушек, подвешенных на железных или латунных крючках, подергиваются при прикосновении к зонду из другого металла. Он считал, что это было вызвано электричеством из тканей лягушек, и называл это «животным электричеством».

Луиджи Гальвани обнаружил, что лапы лягушек, подвешенных на латунных крючках, дергались, когда их ткнули зондом из другого металла.Он думал, что эта реакция была вызвана «животным электричеством» внутри лягушки. Источник изображения: Луиджи Гальвани / Wikimedia Commons.

Вольта, первоначально впечатленный открытиями Гальвани, пришел к выводу, что электрический ток исходит от двух разных типов металла (крючки, на которых висели лягушки, и другой металл зонда) и просто передается через них, а не через них. из тканей лягушек. Он экспериментировал со стопками слоев серебра и цинка, перемежаемых слоями ткани или бумаги, пропитанной соленой водой, и обнаружил, что электрический ток действительно течет через провод, приложенный к обоим концам стопки.

Батарея Алессандро Вольта: куча цинковых и серебряных листов, перемеженных тканью или бумагой, пропитанной соленой водой. Представьте, что вы используете это для питания вашего телефона. Источник изображения: Луиджи Кьеза / Wikimedia Commons.

Volta также обнаружил, что, используя различные металлы в свае, можно увеличить количество напряжения. Он описал свои открытия в письме Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Лондонского королевского общества, в 1800 году. Это было довольно большое дело (Наполеон был весьма впечатлен!), И его изобретение принесло ему устойчивое признание в честь «вольта». ‘(мера электрического потенциала), названная в его честь.

Я сам, шутя в сторону, поражен тем, как мои старые и новые открытия … чистого и простого электричества, вызванного контактом металлов, могли вызвать такое волнение. Алессандро Вольта

Так что же именно происходило с этими слоями цинка и серебра и с дрожащими лягушачьими лапами?

Химия батареи

Батарея — это устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электричество.Это известно как электрохимия, а система, лежащая в основе батареи, называется электрохимическим элементом. Батарея может состоять из одного или нескольких (как в оригинальной кучке Вольты) электрохимических ячеек. Каждая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом.

Итак, откуда электрохимический элемент получает электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно знать, что такое электричество. Проще говоря, электричество — это тип энергии, производимый потоком электронов.В электрохимической ячейке электроны образуются в результате химической реакции, которая происходит на одном электроде (подробнее об электродах ниже!), А затем они перетекают на другой электрод, где расходуются. Чтобы понять это правильно, нам нужно внимательнее изучить компоненты клетки и то, как они устроены вместе.

Электроды

Чтобы создать поток электронов, вам нужно где-то, чтобы электроны текли из , а где-то электроны текли с на .Это электроды ячейки. Электроны текут от одного электрода, называемого анодом (или отрицательным электродом), к другому электроду, называемому катодом (положительный электрод). Обычно это разные типы металлов или другие химические соединения.

В котле Вольта анодом служил цинк, от которого электроны текли по проволоке (при подключении) к серебру, которое было катодом батареи. Он сложил много этих ячеек вместе, чтобы получилась общая куча, и поднял напряжение.

Но откуда анод вообще берет все эти электроны? И почему они так счастливы, что их отправили в веселый путь к катоду? Все сводится к химии, происходящей внутри клетки.

Нам нужно понять несколько химических реакций. На аноде электрод вступает в реакцию с электролитом, в результате чего образуются электроны. Эти электроны накапливаются на аноде. Между тем, на катоде одновременно происходит другая химическая реакция, которая позволяет этому электроду принимать электроны.

Технический химический термин, обозначающий реакцию, которая включает обмен электронами, — это реакция окисления-восстановления, обычно называемая окислительно-восстановительной реакцией. Вся реакция может быть разделена на две половинные реакции, и в случае электрохимической ячейки одна полуреакция происходит на аноде, а другая — на катоде. Уменьшение — это усиление электронов, и это то, что происходит на катоде; мы говорим, что катод восстанавливается во время реакции. Окисление — это потеря электронов, поэтому мы говорим, что анод окисляется.

Каждая из этих реакций имеет определенный стандартный потенциал. Думайте об этой характеристике как о способности / эффективности реакции либо производить, либо поглощать электроны — ее силу в электронном перетягивании каната.

Стандартные потенциалы для полуреакций
Ниже приведен список половинных реакций, которые включают высвобождение электронов из чистого элемента или химического соединения. Рядом с реакцией указано число (E ⁰), которое сравнивает силу электрохимического потенциала реакции с силой желания водорода расстаться со своим электроном (если вы посмотрите вниз по списку, вы увидите, что водородный полуреактор имеет нулевое значение E ⁰).E ⁰ измеряется в вольтах.
Причина, по которой этот список настолько интересен, заключается в том, что если вы выберете две реакции из списка и объедините их в электрохимическую ячейку, значения E ⁰ скажут вам, в каком направлении будет протекать общая реакция: реакция с более отрицательной реакцией. Значение E ⁰ отдает свои электроны другой реакции, и это определяет анод и катод вашей ячейки. Разница между двумя значениями E ⁰ говорит вам об электрохимическом потенциале вашей ячейки, который в основном представляет собой напряжение ячейки.
Итак, если вы возьмете литий и фторид и сумеете объединить их, чтобы сделать элемент батареи, у вас будет самое высокое напряжение, теоретически достижимое для электрохимического элемента. Этот список также объясняет, почему в котле Вольта цинк был анодом, а серебро — катодом: полуреакция цинка имеет более низкое (более отрицательное) значение E ⁰ (-0,7618), чем полуреакция серебра (0,7996). .
Источник: UC Davis ChemWiki

Любые два проводящих материала, которые вступают в реакцию с разными стандартными потенциалами, могут образовывать электрохимическую ячейку, потому что более сильный из них сможет забирать электроны у более слабого.Но идеальным выбором для анода был бы материал, который вызывает реакцию со значительно более низким (более отрицательным) стандартным потенциалом, чем материал, который вы выбираете для своего катода. В итоге мы получаем электроны, притягивающиеся к катоду от анода (и анод не очень сильно пытается сопротивляться), и когда у нас есть легкий путь туда — проводящий провод — мы можем использовать их энергию для обеспечения электрического питание нашего фонарика, телефона или чего-то еще.

Разница в стандартном потенциале между электродами как бы равна силе, с которой электроны перемещаются между двумя электродами.Это известно как общий электрохимический потенциал ячейки, и он определяет напряжение ячейки. Чем больше разница, тем больше электрохимический потенциал и выше напряжение.

Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, у нас есть два варианта. Мы могли бы выбрать для наших электродов другие материалы, которые придадут ячейке больший электрохимический потенциал. Или мы можем сложить несколько ячеек вместе. Когда элементы объединяются определенным образом (последовательно), это оказывает аддитивное влияние на напряжение батареи.По сути, силу, с которой электроны движутся через батарею, можно рассматривать как общую силу, когда они движутся от анода первого элемента на всем пути, сколько бы ячеек ни содержала батарея, к катоду последнего элемента.

Когда элементы объединяются другим способом (параллельно), это увеличивает возможный ток батареи, который можно рассматривать как общее количество электронов, протекающих через элементы, но не ее напряжение.

Электролит

Но электроды — это всего лишь часть батареи.Помните обрывки бумаги Вольты, пропитанные соленой водой? Соленая вода была электролитом, еще одной важной частью картины. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым веществом, но он должен обеспечивать движение заряженных ионов.

Электронов имеют отрицательный заряд, и поскольку мы посылаем поток отрицательных электронов по нашей цепи, нам нужен способ уравновесить это движение заряда. Электролит обеспечивает среду, через которую могут протекать положительные ионы, уравновешивающие заряд.

Поскольку химическая реакция на аноде производит электроны, для поддержания баланса нейтрального заряда на электроде также производится соответствующее количество положительно заряженных ионов. Они не проходят по внешнему проводу (только для электронов!), А попадают в электролит.

В то же время катод должен также уравновешивать отрицательный заряд электронов, которые он принимает, поэтому реакция, которая здесь происходит, должна втягивать положительно заряженные ионы из электролита (альтернативно, он также может высвобождать отрицательно заряженные ионы из электрода в электролит. электролит).

Итак, в то время как внешний провод обеспечивает путь для потока отрицательно заряженных электронов, электролит обеспечивает путь для переноса положительно заряженных ионов, чтобы уравновесить отрицательный поток. Этот поток положительно заряженных ионов так же важен, как и электроны, обеспечивающие электрический ток во внешней цепи, которую мы используем для питания наших устройств. Роль балансировки заряда, которую они выполняют, необходима для поддержания протекания всей реакции.

Так вот, если бы все ионы, высвобожденные в электролит, могли полностью свободно перемещаться через электролит, они в конечном итоге покрыли бы поверхности электродов и забили бы всю систему.Таким образом, в клетке обычно есть какой-то барьер, чтобы этого не произошло.

Когда аккумулятор используется, мы имеем дело с непрерывным потоком электронов (через внешнюю цепь) и положительно заряженных ионов (через электролит). Если этот непрерывный поток остановлен — если цепь разомкнута, например, когда ваш фонарик выключен — поток электронов остановлен. Заряды будут накапливаться, и химические реакции, приводящие в движение аккумулятор, прекратятся.

По мере использования батареи и протекания реакций на обоих электродах возникают новые химические продукты.Эти продукты реакции могут создавать своего рода сопротивление, которое может помешать продолжению реакции с такой же эффективностью. Когда это сопротивление становится слишком большим, реакция замедляется. Электронное перетягивание каната между катодом и анодом также теряет свою силу, и электроны перестают течь. Аккумулятор медленно разряжается.

Зарядка аккумулятора

Некоторые распространенные батареи предназначены только для одноразового использования (так называемые первичные или одноразовые батареи).Электроны перемещаются от анода к катоду в одну сторону. Либо их электроды истощаются по мере того, как они выделяют свои положительные или отрицательные ионы в электролит, либо накопление продуктов реакции на электродах препятствует продолжению реакции, и это делается и вытирается пыль. Батарея оказывается в мусорном ведре (или, надеюсь, на переработку, но это уже другая тема Nova).

Но. Изящная вещь в этом потоке ионов и электронов, который имеет место в некоторых типах батарей с соответствующими материалами электродов, заключается в том, что он также может двигаться в обратном направлении, возвращая нашу батарею в исходную точку и давая ей совершенно новую жизнь. .Подобно тому, как батареи изменили способ использования различных электрических устройств, аккумуляторные батареи еще больше изменили полезность этих устройств и их продолжительность жизни.

Когда мы подключаем почти разряженную батарею к внешнему источнику электричества и отправляем энергию обратно в батарею, происходит обратная химическая реакция, которая произошла во время разряда. Это отправляет положительные ионы, выпущенные из анода, в электролит, обратно к аноду, а электроны, которые катод принимает, также обратно к аноду.Возврат как положительных ионов, так и электронов обратно в анод подготавливает систему, так что она снова готова к работе: ваша батарея перезаряжается.

Однако процесс не идеален. Замена отрицательных и положительных ионов электролита обратно на соответствующий электрод при перезарядке батареи не такая аккуратная и не такая хорошо структурированная, как электрод вначале. Каждый цикл зарядки приводит к еще большему ухудшению состояния электродов, а это означает, что аккумулятор со временем теряет производительность, поэтому даже аккумуляторные батареи не работают вечно.

В течение нескольких циклов зарядки и разрядки форма кристаллов аккумулятора становится менее упорядоченной. Это усугубляется, когда аккумулятор разряжается / заряжается с высокой скоростью — например, если вы едете на электромобиле с большой скоростью, а не с постоянной скоростью. Высокоскоростное переключение приводит к тому, что кристаллическая структура становится более неупорядоченной, что приводит к менее эффективной батарее.

Эффект памяти и саморазряд

Почти, но не полностью обратимые реакции разряда и перезарядки также способствуют так называемому «эффекту памяти».Когда вы заряжаете некоторые типы аккумуляторных батарей, не разрядив их сначала, они «запоминают», где находились в предыдущих циклах разрядки, и не перезаряжаются должным образом.

В некоторых элементах это вызвано тем, как металл и электролит реагируют с образованием соли (и тем, как эта соль затем снова растворяется и металл заменяется на электродах при перезарядке). Мы хотим, чтобы наши клетки имели красивые, однородные, маленькие кристаллы соли, покрывающие идеальную металлическую поверхность, но это не то, что мы получаем в реальном мире! Некоторые кристаллы образуются очень сложно, а некоторые металлы откладываются во время перезарядки, поэтому некоторые типы батарей имеют больший эффект памяти, чем другие.Дефекты в основном зависят от первоначального состояния заряда батареи, температуры, напряжения заряда и тока зарядки. Со временем недостатки в одном цикле зарядки могут вызвать то же самое в следующем цикле зарядки и так далее, и наша батарея накапливает некоторые плохие воспоминания. Эффект памяти силен для некоторых типов элементов, таких как батареи на никелевой основе. Другие типы, такие как литий-ионные, не страдают этой проблемой.

Другой аспект аккумуляторных батарей заключается в том, что химический состав, делающий их перезаряжаемыми, также означает, что они имеют более высокую тенденцию к саморазряду.Это когда внутренние реакции происходят внутри аккумуляторного элемента, даже когда электроды не подключены через внешнюю цепь. Это приводит к тому, что клетка со временем теряет часть своей химической энергии. Высокая скорость саморазряда серьезно ограничивает срок службы аккумуляторов — и приводит к их разрядке во время хранения.

Литий-ионные аккумуляторы в наших мобильных телефонах имеют довольно хорошую скорость саморазряда около 2–3 процентов в месяц, и наши свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы также довольно разумны — они, как правило, теряют 4–6 процентов. месяц.Никелевые батареи теряют около 10–15 процентов своего заряда в месяц, что не очень хорошо, если вы планируете хранить фонарик в течение всего сезона, когда он вам не нужен! Неперезаряжаемая щелочная батарея теряет около 2–3% своего заряда в год.

Напряжение, ток, мощность, емкость… в чем разница?

Все эти слова в основном описывают мощность батареи, не так ли? Ну вроде как.Но все они несколько разные.

Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в движение аккумулятор, проталкивает электроны через элемент. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разницы потенциалов между реакциями, которые происходят на каждом из электродов, то есть от того, насколько сильно катод оттянет электроны (через цепь) от анода. Чем выше напряжение, тем больше работы может совершить то же количество электронов.

Ток = количество электронов, которые проходят через любую точку цепи в данный момент времени.Чем выше ток, тем больше работы он может выполнять при том же напряжении. Внутри ячейки ток можно также рассматривать как количество ионов, проходящих через электролит, умноженное на заряд этих ионов.

Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем быстрее батарея может работать — это соотношение показывает, как напряжение и ток важны для определения того, для чего подходит батарея.

Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания продолжительности времени, в течение которого батарея может обеспечивать питание устройства.Аккумулятор большой емкости сможет проработать более длительный период, прежде чем разрядится / разрядится. У некоторых батарей есть небольшая печальная особенность: если вы слишком быстро попытаетесь извлечь из них слишком много энергии, химические реакции не успеют поспеть, и емкость станет меньше! Итак, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости батареи, и помнить, для чего она будет использоваться.

Еще один популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, сколько энергии вы получите за свои деньги с точки зрения мощности по сравнению сразмер. С батареей, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, так как это означает, что батарея может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда вам нужно заряжать то, что вы хотите держать в кармане. Для электромобилей это даже плюс — аккумулятор должен как-то влезать в машину!

Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемых электростанциях, таких как ветряная или солнечная ферма, высокая плотность энергии не является большой проблемой, поскольку в них, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей.Основная цель такого использования — просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.

Почему так много типов?

Ряд материалов (раньше это были просто металлы) можно использовать в качестве электродов в батарее. За прошедшие годы было опробовано много-много различных комбинаций, но лишь немногие из них действительно прошли дистанцию.Но зачем вообще использовать разные комбинации металлов? Если у вас есть пара металлов, которые хорошо работают вместе в качестве электродов, зачем возиться с другими?

Различные материалы имеют разные электрохимические свойства, поэтому они дают разные результаты, когда вы соединяете их в аккумуляторном элементе. Например, некоторые комбинации будут производить высокое напряжение очень быстро, но затем быстро падают, не в состоянии поддерживать это напряжение в течение длительного времени. Это хорошо, если вам нужно произвести, скажем, внезапную вспышку света, такую как вспышка фотоаппарата.

Другие комбинации будут производить только тонкую струйку тока, но они будут поддерживать эту струю целую вечность. Например, нам не нужен большой ток для питания детектора дыма, но мы хотим, чтобы наши детекторы дыма работали долгое время.

Еще одна причина для использования различных комбинаций металлов заключается в том, что часто два или более аккумуляторных элемента необходимо уложить в стопку для получения необходимого напряжения, и оказывается, что некоторые комбинации электродов складываются вместе намного удобнее, чем другие комбинации.Например, литий-железо-фосфатные батареи (тип литий-ионных аккумуляторов), используемые в электромобилях, складываются вместе для создания систем высокого напряжения (100 или даже более вольт), но вы никогда не сделаете этого с теми батареями NiCad Walkman, которые имеют горячий!

Наши различные потребности с течением времени привели к разработке огромного количества типов батарей. Чтобы узнать больше о них и о том, что ждет аккумулятор в будущем, ознакомьтесь с другими нашими темами о Nova.

Эта тема является частью нашей серии из четырех статей об аккумуляторах.Для дальнейшего чтения ознакомьтесь с типами аккумуляторов, литий-ионных аккумуляторов и аккумуляторов будущего.

Исследователи обнаружили неожиданный электрический ток

изображение: Художественная визуализация электрического тока, протекающего через термоядерную установку токамака посмотреть еще

Кредит: Эль Старкман / Управление связи PPPL

Электрический ток присутствует повсюду, от питания домов до управления плазмой, которая питает термоядерные реакции, до возможного возникновения огромных космических магнитных полей.Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) обнаружили, что электрические токи могут образовываться неизвестными ранее способами. Новые открытия могут дать исследователям больше возможностей доставлять на Землю термоядерную энергию, которая движет Солнцем и звездами.

«Очень важно понимать, какие процессы вызывают электрические токи в плазме и какие явления могут им мешать», — сказал Ян Очс, аспирант Программы Принстонского университета по физике плазмы и ведущий автор статьи, выбранной в качестве избранной статьи в журнале Physics. Плазм .«Они являются основным инструментом, который мы используем для управления плазмой в исследованиях магнитного термоядерного синтеза».

Синтез — это процесс столкновения легких элементов в форме плазмы — горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — генерирующего огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез для получения практически неисчерпаемого источника энергии для выработки электроэнергии.

Неожиданные токи возникают в плазме в термоядерных установках в форме пончика, известных как токамаки.Токи возникают, когда самопроизвольно формируются электромагнитные волны определенного типа, например, излучаемые радиоприемниками и микроволновыми печами. Эти волны толкают некоторые из уже движущихся электронов, «которые катаются на волне, как серфингисты на доске для серфинга», — сказал Охс.

Но частота этих волн имеет значение. Когда частота высока, волна заставляет одни электроны двигаться вперед, а другие — назад. Два движения нейтрализуют друг друга, и ток не возникает.

Однако, когда частота низкая, волны толкают электроны вперед и назад на ядра атомов или ионы, в конце концов создавая чистый электрический ток.Охс обнаружил, что исследователи могли неожиданно создавать эти токи, когда низкочастотная волна была особого типа, называемого «ионно-акустической волной», которая напоминает звуковые волны в воздухе.

Значение этого открытия простирается от относительно небольших размеров лаборатории до огромных масштабов космоса. «Во Вселенной существуют магнитные поля разных масштабов, включая размер галактик, и мы действительно не знаем, как они туда попали», — сказал Охс. «Обнаруженный нами механизм мог бы помочь зародить космические магнитные поля, и любые новые механизмы, которые могут создавать магнитные поля, представляют интерес для сообщества астрофизиков.«

Результаты вычислений карандашом и бумагой состоят из математических выражений, которые дают ученым возможность вычислить, как эти токи, которые возникают без прямого взаимодействия электронов, развиваются и растут. «Формулировка этих выражений была непростой, — сказал Охс. «Нам пришлось сжать результаты, чтобы они были достаточно ясными и использовали простые выражения, чтобы уловить основную физику».

Результаты углубили понимание основного физического явления и были неожиданными.Похоже, что они противоречат общепринятому представлению о том, что современные двигатели требуют столкновений электронов, сказал Охс.

«Вопрос о том, могут ли волны управлять током в плазме, на самом деле очень глубок и касается фундаментальных взаимодействий волн в плазме», — сказал Натаниэль Фиш, соавтор статьи, профессор и доцент кафедры астрофизических наук. и директор Программы по физике плазмы. «То, что Очс мастерски, дидактически и строго математически извлекло, заключалось не только в том, как эти эффекты иногда уравновешиваются, но и в том, как эти эффекты иногда сговариваются, позволяя образовывать чистые электрические токи.«

Эти результаты закладывают основу для будущих исследований. «Что меня особенно волнует, — сказал Фиш, — так это то, что математический формализм, который построил Охс, вместе с физической интуицией и пониманием, которые он приобрел, теперь дает ему возможность бросить вызов или даже заложить прочный фундамент. более любопытное поведение при взаимодействии волн с резонансными частицами в плазме ».

###

PPPL, в Кампусе Форрестол Принстонского университета в Плейнсборо, штат Нью-Йорк.J. посвящена созданию новых знаний о физике плазмы — сверхгорячих заряженных газов — и разработке практических решений для создания термоядерной энергии. Лабораторией управляет Управление науки Университета Министерства энергетики США, которое является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем современности. Для получения дополнительной информации посетите https://energy.gov/science.

Журнал

Физика плазмы

Заявление об отказе от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Неожиданный электрический ток, который может стабилизировать термоядерные реакции — ScienceDaily

Электрический ток присутствует повсюду, от питания домов до управления плазмой, которая питает термоядерные реакции, и, возможно, порождает огромные космические магнитные поля. Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) обнаружили, что электрические токи могут образовываться неизвестными ранее способами. Новые открытия могут дать исследователям больше возможностей доставлять на Землю термоядерную энергию, которая движет Солнцем и звездами.

«Очень важно понимать, какие процессы вызывают электрические токи в плазме и какие явления могут им мешать», — сказал Ян Очс, аспирант Программы Принстонского университета по физике плазмы и ведущий автор статьи, выбранной в качестве избранной статьи в журнале Physics. Плазм . «Они являются основным инструментом, который мы используем для управления плазмой в исследованиях магнитного термоядерного синтеза».

Синтез — это процесс столкновения легких элементов в форме плазмы — горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — генерирующего огромное количество энергии.Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез для получения практически неисчерпаемого источника энергии для выработки электроэнергии.

Неожиданные токи возникают в плазме в термоядерных установках в форме пончика, известных как токамаки. Токи возникают, когда самопроизвольно формируются электромагнитные волны определенного типа, например, излучаемые радиоприемниками и микроволновыми печами. Эти волны толкают некоторые из уже движущихся электронов, «которые катаются на волне, как серфингисты на доске для серфинга», — сказал Охс.

Но частота этих волн имеет значение.Когда частота высока, волна заставляет одни электроны двигаться вперед, а другие — назад. Два движения нейтрализуют друг друга, и ток не возникает.

Однако, когда частота низкая, волны толкают электроны вперед и назад на ядра атомов или ионы, в конце концов создавая чистый электрический ток. Охс обнаружил, что исследователи могли неожиданно создавать эти токи, когда низкочастотная волна была особого типа, называемого «ионно-акустической волной», которая напоминает звуковые волны в воздухе.

Результаты вычислений карандашом и бумагой состоят из математических выражений, которые дают ученым возможность вычислить, как эти токи, которые возникают без прямого взаимодействия электронов, развиваются и растут.«Формулировка этих выражений была непростой, — сказал Охс. «Нам пришлось сжать результаты, чтобы они были достаточно ясными и использовали простые выражения, чтобы уловить основную физику».

Результаты углубили понимание основного физического явления и были неожиданными. Похоже, что они противоречат общепринятому представлению о том, что современные двигатели требуют столкновений электронов, сказал Охс.

«Вопрос о том, могут ли волны управлять током в плазме, на самом деле очень глубок и касается фундаментальных взаимодействий волн в плазме», — сказал Натаниэль Фиш, соавтор статьи, профессор и доцент кафедры астрофизических наук. и директор Программы по физике плазмы.«То, что Очс мастерски, дидактически и строго математически извлекло, заключалось не только в том, как эти эффекты иногда уравновешиваются, но и в том, как эти эффекты иногда сговариваются, позволяя образовывать чистые электрические токи».

Эти результаты закладывают основу для будущих исследований. «Что меня особенно волнует, — сказал Фиш, — так это то, что математический формализм, который построил Охс, вместе с физической интуицией и пониманием, которые он приобрел, теперь дает ему возможность бросить вызов или даже заложить прочный фундамент. Более любопытное поведение при взаимодействии волн с резонансными частицами в плазме.«

История Источник:

Материалы предоставлены DOE / Princeton Plasma Physics Laboratory . Оригинал написан Рафаэлем Розеном. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Что такое электрический ток как он возникает: Электрический ток — это… Что такое Электрический ток?

Что такое ток и как он образуется. Электрический ток

Понятие и сущность электрического тока

Условия существования тока в цепи

Вопрос об источниках тока

Сила тока, напряжение, сопротивление

Что такое электрический ток

Как это происходит

Некоторые величины, характеризующие электрический ток

Постоянный и переменный ток

Осторожно — электричество

Электрическая энергия

Зачем нужен электрический ток?

Понятие об электрическом токе

Любопытно об электрическом токе

Прямой и переменный ток

Как работает электрический ток

Что такое электрический ток?

Мощность тока

Электрический заряд в движении

Электрический ток: условия существования электрического тока

2. При каких условиях возникает электрический ток?

3. Почему движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие внешнего электрического поля является хаотическим?

4. Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие и при наличии внешнего электрического поля?

5. Как выбирается направление электрического тока? В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?

Электрический ток в проводнике — Основы электроники

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Скорость электрического тока

2. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы

Что такое электрический ток? | homeofknowledge.ru

Что это — электрический ток? Условия существования электрического тока: характеристики и действия

Электрическая энергия

Зачем нужен электрический ток?

Понятие об электрическом токе

Любопытно об электрическом токе

Прямой и переменный ток

Как работает электрический ток

Что такое электрический ток

Мощность тока

Электрический заряд в движении

Электрический ток: условия существования электрического тока

виды и применение электротока, основные понятия, движение носителей заряда, формулы

Основные понятия

Сила и тип тока

Разность потенциалов

Условия получения и законы

Проводимость веществ

Основные соотношения

Электрический ток | Encyclopedia.com

Измерение тока

Характеристики электрического тока

Электрические цепи

Поток тока и поток электронов

Электрический ток — Energy Education

Ток и магнитные поля

Для дальнейшего чтения

Список литературы

Когда я щелкаю выключателем, свет включается очень быстро. Насколько быстро в проводе течет электричество? | Ребята из науки

Когда я щелкаю выключателем, свет включается очень быстро. Насколько быстро в проводе течет электричество?

Ноябрь 2001 г.

открытых учебников | Сиявула

Математика

Наука

Наша книга лицензионная

CC-BY-ND (фирменные версии)

CC-BY (версии без марочного знака)

Как работает аккумулятор — Любопытно

Химия батареи

Электроды

Электролит

Зарядка аккумулятора

Эффект памяти и саморазряд

Напряжение, ток, мощность, емкость… в чем разница?

Почему так много типов?

Исследователи обнаружили неожиданный электрический ток

Журнал

Неожиданный электрический ток, который может стабилизировать термоядерные реакции — ScienceDaily

Добавить комментарий Отменить ответ