Действие электрического тока: Действие электрического тока

Содержание

Действие электрического тока


Наличие тока в электроцепи всегда проявляется каким-либо действием. Например, работа при конкретной нагрузке или какое-то сопутствующее явление. Следовательно, именно действие электротока говорит о его присутствии как таковом в той или иной электроцепи. То есть, если работает нагрузка, то ток имеет место быть. 

Известно, что электрический ток вызывает различного рода действия. Например, к таковым относятся тепловые, химические, магнитные, механические или световые. При этом различные действия электрического тока способны проявлять себя одновременно. Более подробно о всех проявлениях мы расскажем Вам в данном материале.

Тепловое явление

Известно, что температура проводника повышается при прохождении через него тока. В качестве таких проводников выступают различные металлы или их расплавы, полуметаллы или полупроводники, а также электролиты и плазма. Например, при пропускании через проволоку из нихрома электрического тока происходит ее сильное нагревание.

Данное явление используют в приборах нагрева, а именно: в электрических чайниках, кипятильниках, обогревателях и т.п. Электродуговая сварка отличается самой большой температурой, а именно нагрев электродуги может достигать до 7 000 градусов по Цельсию. При такой температуре достигается легкое расплавление металла. 

Количество выделяемой теплоты напрямую зависит от того, какое напряжение было приложено к данному участку, а также от электротока и времени его прохождения по цепи. 

Для расчета объемов выделяемой теплоты используется или напряжение, или сила тока. При этом необходимо знание показателя сопротивления в электроцепи, поскольку именно оно провоцирует нагрев из-за ограничения тока. Также количество тепла можно определить при помощи тока и напряжения.

Химическое явление

Химическое действие электротока заключается в электролизе ионов в электролите. Анод при электролизе присоединяет к себе анионы, катод – катионы.  

Иными словами, во время электролиза на электродах источника тока происходит выделение определенных веществ.

Приведем пример: в кислотный, щелочной или же солевой раствор опускаются два электрода. После пропускается по электроцепи ток, что провоцирует создание положительного заряда на одном из электродов, на другом – отрицательного. Ионы, которые находятся в растворе, откладываются на электроде с иным зарядом. 

Химическое действие электротока применяется в промышленности. Так, используя данное явление, осуществляют разложение воды на кислород и водород. Кроме того, при помощи электролиза получают металлы в их чистом виде, а также осуществляют гальваническое покрытие поверхности. 

Магнитное явление

Электрический ток в проводнике любого агрегатного состояния создает магнитное поле. Иными словами, проводник при электрическом токе наделяется магнитными свойствами.

Таким образом, если к проводнику, в котором протекает электроток, приблизить магнитную стрелку компаса, то та начнет поворачиваться и займет к проводнику перпендикулярное положение. Если же на сердечник из железа намотать данный проводник и пропустить сквозь него постоянный ток, то данный сердечник примет свойства электромагнита. 

Природа магнитного поля всегда заключается в наличии электрического тока. Объясним: движущиеся заряды (заряженные частицы) образуют магнитное поле. При этом токи противоположного направления отталкиваются, а одинакового направления – притягиваются. Данное взаимодействие обосновано магнитным и механическим взаимодействием магнитных полей электротоков. Выходит, что магнитное взаимодействие токов первостепенно. 

Магнитное действие применяется в трансформаторах и электромагнитах. 

Световое явление

Самый простой пример светового действия – лампа накаливания. В данном источнике света спираль достигает нужной температурной величины посредством проходящего сквозь нее тока до состояния белого каления. Тем самым и излучается свет. В традиционной лампочке накаливания всего лишь пять процентов всей электроэнергии расходуется на свет, остальная же львиная доля преобразуется в тепло.

 

Более современные аналоги, например, люминесцентные лампы наиболее эффективно преобразуют электроэнергию в свет. То есть, около двадцати процентов всей энергии лежит в основе света. Люминофор принимает УФ-излучение, идущее от разряда, что возникает в ртутных парах или в инертных газах. 

Самая эффективная реализация светового действия тока происходит в светодиодных источниках света. Электрический ток, проходя через pn-переход, провоцирует рекомбинацию носителей заряда с излучением фотонов. Лучшими led излучателями света являются прямозонные полупроводники. Изменяя состав данных полупроводников, возможно создание светодиодов для различных световых волн (разной длины и диапазона). Коэффициент полезного действия светодиода достигает 50 процентов. 

Механическое явление

Напомним, что вокруг проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Все магнитные действия преобразуются в движение. Примером служат электрические двигатели, магнитные подъемные установки, реле и др.

В 1820 году Андре Мари Ампер вывел известный всем «Закон Ампера», который как раз описывает механическое действие одного электротока на другой. 

Данный закон гласит, что параллельные проводники с электрическим током одинакового направления испытывают притяжение друг другу, а противоположного направления, наоборот, отталкивание. 

Также закон ампера определяет величину силы, с которой магнитное поле воздействует на небольшой отрезок проводника с электротоком. Именно данная сила лежит в основе функционирования электрического двигателя.

Статьи по теме: 

Физика 8 класс. Действия электрического тока :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Действия электрического тока — это те явления, которые вызывает электрический ток.

По этим явлениям можно судить «есть» или «нет» в электрической цепи ток.

Тепловое действие тока.

— электрический ток вызывает разогревание металлических проводников (вплоть до свечения).

Химическое действие тока.

— при прохождении электрического тока через электролит возможно выделение веществ,
содержащихся в растворе, на электродах..
— наблюдается в жидких проводниках.

Магнитное действие тока.

— проводник с током приобретает магнитные свойства.
— наблюдается при наличии электрического тока в любых проводниках (твердых, жидких, газообразных).

А СМОЖЕШЬ ЛИ ТЫ СООБРАЗИТЬ ?

Открытие физика Араго в 1820 г. заключалось в следующем: когда тонкая медная проволока,
соединенная с источником тока, погружалась в железные опилки, то они приставали к ней.
Объясните это явление.

В коробке перемешаны медные винты и железные шурупы.
Каким образом можно быстро рассортировать их, имея аккумулятор, достаточно длинный
медный изолированный провод и железный стержень?


КНИЖНАЯ ПОЛКА

ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА.

Физиологическое действие тока на ранней стадии развития науки об электричестве было единственным,
о котором было известно ученым, и было основано на собственных ощущениях экспериментаторов.

Одним из первых, кто ощутил на себе действие тока, был голландский физик П.Мушенбрук,
живший в 18 веке. Получив удар током он заявил, что «не согласился бы подвергнуться
ещё раз такому испытанию даже за королевский трон Франции.»

отрицательное действие :

Электрический ток вызывает изменения в нервной системе, выражающиеся в ее раздражении
или параличе. При воздействии электрического тока возникают судорожные спазмы мышц.
Принято говорить, что электрический ток человека «держит»: пострадавший не в состоянии
выпустить из рук предмет — источник электричества.
___

При поражении достаточно сильным электрическим током происходит
судорожный спазм диафрагмы — главной дыхательной мышцы в организме — и сердца.
Это вызывает моментальную остановку дыхания и сердечной деятельности. Действие электрического тока на мозг вызывает потерю сознания. Соприкасаясь с телом человека, электрический ток

оказывает также тепловое действие, причем в месте контакта возникают ожоги III степени.
___

Постоянный ток менее опасен, чем переменный в электросети, который даже под напряжением 220В может вызвать очень тяжелое поражение организма. Действие электрического тока на человека усиливается при наличии промокшей обуви, мокрых рук, которым свойственна
повышенная электропроводность.

Устали? — Отдыхаем!

Действие электрического тока на организм человека

Поражение человеческого организма электрическим током может быть разнообразным. Разряд, проходящий через ткани оказывает на него тепловое, электролитическое, биологическое и динамическое действие.

После теплового действия на поверхность кожи появятся ожоги различной степени тяжести. Электрический ток воздействует на внутренние органы потерпевшего, вызывая серьёзные изменения в их работе.

В результате электролитического поражения происходит разложение органических жидкостей организма, в том числе крови и лимфы. В результате поражения электрическим током состав этих жидкостей существенно изменяется.

В результате динамического (механического) воздействия заряда на человеческое тело происходит расслоение, разрыв или иные повреждения мышц и внутренних органов пострадавшего. В результате проникновения тока осуществляется мгновенное образование пара, вызванного нагреванием биологических жидкостей в пострадавшего. Всё это ведёт к появлению необратимых изменений в тканях.

После биологической травмы электротока на человеческие органы возбуждаются его ткани. После травмы происходят нарушения биологических процессов, нормально протекающих в обычном организме.

Каким бывает поражение

Как видите, воздействие может быть разнообразным. Различают несколько разновидностей электротравм:

  • местные — вызывающие точечное повреждение;

  • общие — в том случае поражается все органы. При этом происходит нарушение жизнедеятельности всего организма.

Под определением электротравмы понимают ранение, вызванное действием электродуги или тока.

Под местной электротравмой понимают видимое действие разряда. При этом, можно увидеть ярко выраженные нарушения целости человеческих тканей. Вызывается такая травма проникновением заряда или дуги. От степени воздействия на мягкие ткани электротоком зависит способ лечения такой травмы. Учитывается их характер и место воздействия разряда. Учитывается реакция организма на произошедшее. Местные травмы легче поддаются излечению. После получения такого повреждения пострадавший полностью или частично сохраняет способность обслуживать себя.

Чаще всего, поражения, вызванные воздействием электроразряда, характеризуются как: ожоги, металлизация, пятна тёмного цвета. Ярко выделяющиеся на коже, внешние повреждения или электроофтальмия.

Чаще всего разделяют дуговые контактные ожоги.

Тёмно-серые пятна на коже ещё называют «электрическими метками». Различают ещё и пятна бледно-жёлтого оттенка. Такие метки появляются у человека, перенёсшего удар электротоком.

Под металлизацией кожного покрова понимается попадание внутрь неё оплавившихся частиц железа. Появляется эта травма после воздействия электродуги.

Под механическим ранением подразумевается резкое и неожиданное сокращение мышц. Проявляется оно после воздействия на человека электрического разряда. После таких непроизвольных сокращений мышечной ткани могут возникнуть разрывы кровеносных сосудов, вывихи конечностей и прочие повреждения пострадавшего. Под определение электротравмы не попадают ранения, полученные после падения с большой высоты или ушибов, полученных в результате столкновения с различными конструкциями.

Под электроофтальмией подразумевается воспалительный процесс глазной оболочки — конъюнктивы и роговицы. Вызывается это повреждение мощным действием лучей ультрафиолета, поглощаемых раненым в момент получения травмы. Облучается организм человека под воздействием электрической дуги. Происходит непроизвольное сжатие мышц человеческого тела. В результате пострадавшего мучают судороги.

Результат поражения человека разрядом может быть самым непредсказуемым. Всё зависит от времени его прохождения человеческого тела или индивидуальных особенностей организма. Влияет на это и сила тока, проходящего через человеческое тело. Даже если повреждения не привели к смерти, то организм человека может получить серьёзные поражения, выражающиеся в дальнейшем нарушении его функций. Последствия могут проявиться не сразу. Иногда проявляются заболевания спустя определённый период. После поражения током у человека проявляются заболевания сердечно-сосудистой системы или поражение нервной системы.

Все несчастные случаи поможет предотвратить обучение по электробезопасности. Пройдя обучающий курс, человек будет иметь элементарные знания о безопасном обращении с электроприборами и не допустит смертельной ошибки.


Действия электрического тока

Есть ли в цепи электрический ток, можно определить по различным его проявлениям, которые называют действиями электрического тока. Электрический ток может вызывать тепловые, световые, и химические явления. Также электрический ток всегда вызывает магнитное явление.

Тепловое действие электрического тока заключается в нагревании проводника при наличии в нем тока. При этом если проводник нагревается до достаточно высокой температуры, он может начать светиться. То есть проявится световое действие тока как следствие теплового.

Например, если через железную проволоку пропустить электрический ток, то она нагреется. Подобное тепловое действие тока в металлах используется в электрических чайниках и некоторых других бытовых приборах.

Вольфрамовая нить в лампах накаливания при сильном нагревании начинает светится. В данном случае находит применение световое действие электрического тока. В энергосберегающих лампах светятся газ при прохождении через него электрического тока.

Химическое действие электрического тока проявляется в следующем. Берут раствор определенной соли, щелочи или кислоты. В него погружают два электрода, при пропускании электрического тока по цепи на одном электроде создается положительный заряд, на другом — отрицательный. Ионы содержащиеся в растворе (обычно положительно заряженные ионы металлов) начинают откладываться на электроде с противоположным зарядом. Этот явление называется электролизом.

Например, в растворе медного купороса (CuSO4) к отрицательно заряженному электроду двигаются ионы меди, имеющие положительный заряд (Cu2+). Получив от электрода недостающие ионы, они превращаются в нейтральные атомы меди и оседают на электроде. При этом группы гидроксильные группы воды (-OH) отдают свои электроны положительно заряженному электроду. В результате из раствора выделяется кислород. В растворе же остаются положительно заряженные ионы водорода (H+) и отрицательно заряженные сульфатные группы (SO42-).

Таким образом, в результате электролиза происходит химическая реакция.

Химическое действие электрического тока используется в промышленности. Электролиз позволяет получать некоторые металлы в чистом виде. Также с помощью него покрывают тонким слоем определенного металла (никеля, хрома) поверхности.

Магнитное действие электрического тока заключается в том, что проводник, по которому течет ток, действует на магнит или намагничивает железо. Например, если расположить проводник параллельно магнитной стрелке компаса, то стрелка повернется на 90°. Если обмотать небольшой железный предмет проводником, то предмет становится магнитом при прохождении электрического тока через проводник.

Магнитное действие тока используется в измерительных приборах электричества.

Действие электрического тока на человека

Чем опасен электрический ток? Как электрический ток действует на человека

Факт действия электрического тока на человека был установлен в последней четверти XVIII века. Опасность этого действия впервые установил изобретатель электрохимического высоковольтного источника напряжения В. В. Петров. Описание первых промышленных электротравм появилось значительно позже: в 1863 г. — от постоянного тока и в 1882 г. — от переменного.

Электрический ток, электротравмы и электротравматизм

Под электротравмой понимают травму, вызванную действием электрического тока или электрической дуги.

Электротравматизм характеризуют такие особенности: защитная реакция организма появляется только после попадания человека под напряжение, т. е. когда электрический ток уже протекает через его организм; электрический ток действует не только в местах контактов с телом человека и на пути прохождения через организм, но и вызывает рефлекторное действие, проявляющееся в нарушении нормальной деятельности сердечно-сосудистой и нервной системы, дыхания и т. д. Электротравму человек может получить как при непосредственном контакте с токоведущими частями, так и при поражении напряжением прикосновения или шага, через электрическую дугу.

Электротравматизм по сравнению с другими видами производственного травматизма составляет небольшой процент, однако по числу травм с тяжелым, и особенно летальным, исходом занимает одно из первых мест. Наибольшее число электротравм (60—70 %) происходит при работе на электроустановках напряжением до 1000 В. Это объясняется широким распространением таких электроустановок и сравнительно низким уровнем электротехнической подготовки лиц, эксплуатирующих их. Электроустановок напряжением свыше 1000 В в эксплуатации значительно меньше, и обслуживает их специально обученный персонал, что и обусловливает меньшее количество электротравм.

Причины поражения человека электрическим током

Причины поражения человека электрическим током следующие: прикосновение к неизолированным токоведущим частям; к металлическим частям оборудования, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения изоляции; к неметаллическим предметам, оказавшимся под напряжением; поражение током напряжения шага и через дугу.

Виды поражений человека электрическим током

Электрический ток, протекающий через организм человека, воздействует на него термически, электролитически и биологически. Термическое действие характеризуется нагревом тканей, вплоть до ожогов; электролитическое — разложением органических жидкостей, в том числе и крови; биологическое действие электрического тока проявляется в нарушении биоэлектрических процессов и сопровождается раздражением и возбуждением живых тканей и сокращением мышц.

Различают два вида поражения организма электрическим током: электрические травмы и электрические удары.

Электрические травмы — это местные поражения тканей и органов: электрические ожоги, электрические знаки и электрометаллизация кожи.

Электрические ожоги возникают в результате нагрева тканей человека протекающим через него электрическим током силой более 1 А. Ожоги могут быть поверхностные, когда поражаются кожные покровы, и внутренние — при поражении глубоколежащих тканей тела. По условиям возникновения различают контактные, дуговые и смешанные ожоги.

Электрические знаки представляют собой пятна серого или бледно-желтого цвета в виде мозоли на поверхности кожи в месте контакта с токоведущими частями. Электрические знаки, как правило, безболезненны и с течением времени сходят. 

 

Электрометаллизация кожи — это пропитывание поверхности кожи частицами металла при его разбрызгивании или испарении под действием электрического тока. Пораженный участок кожи имеет шероховатую поверхность, окраска которой определяется цветом соединений металла, попавшего на кожу. Электрометаллизация кожи не представляет собой опасности и с течением времени исчезает, как и электрические знаки. Большую опасность представляет металлизация глаз.

К электрическим травмам, кроме того, относятся механические повреждения в результате непроизвольных судорожных сокращений мышц при протекании тока (разрывы кожи, кровеносных сосудов и нервов, вывихи суставов, переломы костей), а также электроофтальмия — воспаление глаз в результате действия ультрафиолетовых лучей электрической дуги.

Электрический удар представляет собой возбуждение живых тканей электрическим током, сопровождающееся непроизвольным судорожным сокращением мышц. По исходу электрические удары условно разделяют на пять групп: без потери сознания; с потерей сознания, но без нарушения сердечной деятельности и дыхания; с потерей сознания и нарушением сердечной деятельности или дыхания; клиническая смерть и электрический шок.

Клиническая, или «мнимая», смерть — это переходное состояние от жизни к смерти. В состоянии клинической смерти сердечная деятельность прекращается и дыхание останавливается. Длительность клинической смерти 6…8 мин. По истечении этого времени происходит гибель клеток коры головного мозга, жизнь угасает и наступает необратимая биологическая смерть. Признаки клинической смерти: остановка или фибрилляция сердца (и, как следствие, отсутствие пульса), отсутствие дыхания, кожный покров синеватый, зрачки глаз резко расширены из-за кислородного голодания коры головного мозга и не реагируют на свет.

 

Электрический шок — это тяжелая нервнорефлекторная реакция организма на раздражение электрическим током. При шоке возникают глубокие расстройства дыхания, кровообращения, нервной системы и других систем организма. Сразу после действия тока наступает фаза возбуждения организма: появляется реакция на боль, повышается артериальное давление и др. Затем наступает фаза торможения: истощается нервная система, снижается артериальное давление, ослабевает дыхание, падает и учащается пульс, возникает состояние депрессии. Шоковое состояние может длиться от нескольких десятков минут до суток, а затем может наступить выздоровление или биологическая смерть.

Пороговые значения электрического тока

Электрический ток различной силы оказывает различное действие на человека. Выделены пороговые значения электрического тока: пороговый ощутимый ток — 0,6…1,5 мА при переменном токе частотой 50 Гц и 5… 7 мА при постоянном токе; пороговый неотпускающий ток (ток, вызывающий при прохождении через человека непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, в которой зажат проводник) — 10…15 мА при 50 Гц и 50…80 мА при постоянном токе; пороговый фибрилляционный ток (ток, вызывающий при прохождении через организм фибрилляцию сердца) — 100 мА при 50 Гц и 300 мА при постоянном электрическом токе.

От чего зависит степень действия электрического тока на организм человека

Исход поражения также зависит от длительности протекания тока через человека. С увеличением длительности нахождения человека под напряжением эта опасность увеличивается.

Индивидуальные особенности организма человека значительно влияют на исход поражения при электротравмах. Например, неотпускающий ток для одних людей может быть пороговым ощутимым для других. Характер действия тока одной и той же силы зависит от массы человека и его физического развития. Установлено, что для женщин пороговые значения тока примерно в 1,5 раза ниже, чем для мужчин.

Степень действия тока зависит от состояния нервной системы и всего организма. Так, в состоянии возбуждения нервной системы, депрессии, болезни (особенно болезней кожи, сердечно-сосудистой системы, нервной системы и др.) и опьянения люди более чувствительны к протекающему через них току.

Значительную роль играет и «фактор внимания». Если человек подготовлен к электрическому удару, то степень опасности резко снижается, в то время как неожиданный удар приводит к более тяжелым последствиям.

Существенно влияет на исход поражения путь тока через тело человека. Опасность поражения особенно велика, если ток, проходя через жизненно важные органы — сердце, легкие, головной мозг, — действует непосредственно на эти органы. Если ток не проходит через эти органы, то его действие на них только рефлекторное и вероятность поражения меньше. Установлены наиболее часто встречающиеся пути тока через человека, так называемые «петли тока». В большинстве случаев цепь тока через человека возникает по пути правая рука — ноги. Однако утрату трудоспособности более чем на три рабочих дня вызывает протекание тока по пути рука — рука — 40 %, путь тока правая рука — ноги — 20 %, левая рука — ноги — 17 %, остальные пути встречаются реже.

 

Что опаснее — переменный или постоянный электрический ток?

Опасность переменного тока зависит от частоты этого тока. Исследованиями установлено, что токи в диапазоне от 10 до 500 Гц практически одинаково опасны. С дальнейшим увеличением частоты значения пороговых токов повышаются. Заметное снижение опасности поражения человека электрическим током наблюдается при частотах более 1000 Гц.

Постоянный ток менее опасен и пороговые значения его в 3 — 4 раза выше, чем переменного тока частотой 50 Гц. Однако при разрыве цепи постоянного тока ниже порогового ощутимого возникают резкие болевые ощущения, вызываемые током переходного процесса. Положение о меньшей опасности постоянного тока по сравнению с переменным справедливо при напряжениях до 400 В. В диапазоне 400…600 В опасности постоянного и переменного тока частотой 50 Гц практически одинаковы, а с дальнейшим увеличением напряжения относительная опасность постоянного тока увеличивается. Это объясняется физиологическими процессами действия на живую клетку.

 

Следовательно, действие электрического тока на организм человека многообразно и зависит от многих факторов.

Действие электрического тока в экспериментах

  • Участник: Старухин Даниил Дмитреевич
  • Руководитель: Логинова Наталья Юрьевна
Цель: познакомиться с действием электромагнита на примере работы электрического звонка.

I. Эксперимент: «Электрический звонок»

(Физика.8 кл.:учебник/ А.В.Перышкин. – М.: Дрофа, 2014. §59)

Цель:познакомиться с действием электромагнита на примере работы электрического звонка.

Оборудование: комплект деталей и узлов для сборки электрического звонка, источник питания, ключ, соединительные провода.

Ход эксперимента:

  1. Собираем электромагнит из катушки, сердечника, железной скобки, гаек и болтов.
  2. Звонок собираем из угольников и колокольчика.
  3. Соединяем якорь с пружиной.
  4. Все детали нужно установить на специальной панели.
  5. Подключаем установку к источнику питания, рассчитанную на 42В.
  6. При замыкании цепи якорь притягивается к электромагниту и молоточек ударяет по звонковой чаше, раздается соответствующий звук.

Вывод: продемонстрировали использование магнитного действия тока, используя комплект деталей и узлов для сборки электрического звонка.

Применение: электромагниты находят широкое применение в технике:

  • На заводах эл. магниты используют для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков.
  • Магнитные сепараторы (зерна). Зерно перемешивают с железными опилками, они прилипают к сорнякам, а к гладким зёрнам не прилипают. Зерно высыпают на вращающийся барабан с электромагнитом, к нему притягиваются сорняки.
  • Электромагнитное реле. Если необходимо включить цепь с током 1000 А, то применяют реле. Электромагнитное реле приводят в действие малой силой тока, поэтому оператор оказывается защищённым от контакта с цепью большого тока.

II. Эксперимент: «Лампа из нихромовой проволоки»

(Физика.8 кл.:учебник/ А.В.Перышкин. – М.: Дрофа, 2014. §35)

Цель:познакомиться с тепловым действием тока.

Оборудование: источник питания, ключ, соединительные провода, реостат, нихромовая проволока на подставке.

Ход эксперимента:

  1. Собираем электрическую цепь, состоящую из реостата, нихромовой проволоки на подставке, ключа, источника тока и соединительных проводов.
  2. Замыкаем цепь.
  3. Наблюдаем нагревание проволоки.
  4. Если двигать ползунок реостата в сторону уменьшения витков реостата, проволока раскаляется и начинает светиться.

Вывод: продемонстрировали тепловое действие тока на примере свечения нихромового провода.

Применение: тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и электроустановках:

  • в домашних условиях широко применяются электроплиты, утюги, чайники, плавкие предохранители;
  • в промышленности и сельском хозяйстве применяется электросварка, выплавка специальных сортов стали, инкубаторы, теплицы.

III. Эксперимент: «Батарейка»

(Физика.8 кл.:учебник/ А.В.Перышкин. – М.: Дрофа, 2014. §32)

Цель:изготовить источник питания – батарейку из доступных материалов, используя химическое действие тока.

Оборудование: ксероксная бумага, фольга, 10-ти копеечные монеты, стакан с насыщенным раствором соли в воде, мультиметр, соединительные провода.

Ход эксперимента:

  1. Заранее изготавливаем окружности одного диаметра из бумаги и фольги.
  2. На кружок из фольги помещаем кружок из пропитанной соляным раствором бумаги, следом накладываем монету достоинством 10 копеек.
  3. Повторяем накладывать фольгу, бумагу и монеты 8-10 раз.
  4. Измеряем напряжение полученной батарейки с помощью мультиметра.

Вывод: из подручных материалов получаем маломощную батарейку.

Применение: батарейки – самые распространенные в мире источники энергии постоянного тока, они удобны в использовании и безопасны.

Ссылка на видео: https://yadi.sk/i/gCmexVgp3JggHk

Действие электрического тока, урок физики в 8 классе

Физика – 8 класс

Учитель: Турасова Светлана Юрьевна

Тема: Действие электрического тока.

Цель: Организовать деятельность учащихся, направленную на изучение действий электрического тока и их практического применения, и закрепление полученных знаний.

Задачи урока:

1. Предметные.

Создать условия для формирования понятия действия электрического тока;

Создать условия для изучения проявления и практического применения теплового, химического и магнитного действия тока;

2. Развивающие.

— Создать условия для формирования исследовательских навыков;

— Продолжить развитие умения проводить физический эксперимент;

— Продолжить развитие умения выделять главное при работе с текстом предметного содержания.

3. Личностные.

— Формировать коммуникативные навыки учащихся;

— Развивать терпимость при работе в группах;

— Продолжить развитие мотивации к предмету.

Оборудование: ЛИП, соединительные провода, раствор медного купороса, ключ, гвоздь, металлические опилки, никелевая проволока на панели, спираль никелевая., термометр спиртовой, миллиамперметр.

План урока

№ п/п

Этап урока

Время

1

Организационный момент

1 мин

2

Проверка домашнего задания

8 мин

3

Изучение нового материала

20 мин

Инструктаж по ТБ

Экспериментальное исследование

Физминутка

Сообщения учащихся

5

Закрепление материала

5 мин

6

Контроль знаний (тест)

7 мин

7

Домашнее задание

1 мин

8

Рефлексия

1 мин

Ход урока.

  1. Орг момент

  2. Проверка домашнего задания

Мы продолжаем изучение темы «Электрический ток». Сегодня на уроке вам предстоит побывать в роли физиков — исследователей. Но прежде чем мы начнём изучать тему сегодняшнего урока, я хочу, чтобы вы вспомнили некоторые известные вам факты, которые могут нам пригодиться при изучении новой темы. Перед вами лежат задания, которые оцениваются в 3, 4 или 5 баллов. Вы сами выбираете задание, если затрудняетесь ответить помогает класс и баллы зарабатывает тот, кто ответил правильно. У каждого по три попытки.

Вопросы на 3 балла

(ответ составляет одно слово, или словосочетание)

Вопросы на 4 балла

(ответ составляет законченное предложение)

Вопросы на 5 баллов

(ответ составляет сформированную мысль-рассуждение)

  1. Упорядоченное движение заряженных частиц называется …

  2. Как по другому назвать гальванический элемент …

  3. В состав чего входят протон, нейтрон и электрон …

  4. Каких два рода электрических зарядов существует в природе…

  5. Какой заряд имеет протон…

  6. Вокруг атома кислорода движется восемь электронов; сколько протонов имеет ядро атома?

  7. Разноименные заряды…

  1. Что такое электрический ток?

  2. Какие условия необходимы для существования тока?

  3. Какие источники электрического тока вам известны?

  4. Каково основное назначение источника тока?

  5. Что такое диэлектрики? Приведите примеры.

  6. Может ли одно и тоже тело (например эбонитовая палочка), при трении электризоваться то положительно, то отрицательно?

  7. Поглаживая в темноте кошку сухой ладонью, можно заметить небольшие искорки, возникающие между рукой и шерстью. Что при этом происходит?

  1. Является ли молния электрическим током?

  2. Обязательно ли нужен проводник для того, чтобы существовал электрический ток?

  3. Какая энергия может превращается в источнике тока в электрическую?

  4. Является ли дерево проводником электричества? Поясните почему.

  5. Почему компас дает неправильные показания, если неподалеку от него находится провод с электрическим током?

  6. Почему трудно, а порой невозможно зарядить электроскоп в сырой комнате?

  7. Почему резиновые сапоги предохраняют от действия молнии?

  8. На фабриках в процессе изготовления ткань или бумага сильно пылятся и загрязняются. Почему?

Проверка творческого задания. ( Изготовление батарейки из овощей)

  1. Изучение нового материала

Отгадав ребусы, узнаем тему сегодняшнего урока.

Тема сегодняшнего урока «Действия электрического тока».

Запишите тему урока в тетрадь.

Сформулируйте задачи нашего урока.

Что же называется действиями тока?

Явления, сопровождающие протекание тока по цепи, называются действиями тока.

Выясним, какие действия может совершать электрический ток. Для этого разделимся на пары, каждая из которых получит свою карточку с экспериментальным заданием.

При работе в парах надо не только провести предлагаемый эксперимент, но и сделать определённые выводы из наблюдений и понять, какое действие тока вы наблюдали во время опытов.

После выполнения экспериментального задания один человек от группы расскажет о своих наблюдениях.

(Раздать оборудование и карты эксперимента)

Перед началом работы, вспомним о технике безопасности: нельзя собирать, разбирать, исправлять что-либо в электрическом цепи, не отключив её от источника питания. Поэтому сборку цепи производите только при разомкнутом ключе. Прежде чем замыкать ключ, покажите собранную цепь учителю.

Роспись учащихся в журнале по ТБ.

Инструкции по выполнению практических работ.

1.Соберите установку, как показано на рисунке.

2. Замкните ключ. Опишите, что вы пронаблюдали в сосуде. __________________________________________________________________________________________________________________

3. Пронаблюдайте 2-3 минуты и разомкните ключ. Откройте крышку сосуда и опишите что вы увидели: (на положительной-аноде, или на отрицательном-катоде образовался налет) __________________________________________

Предположите, что это______________________

4. Поменяйте полюса на сосуде с раствором местами. Замкните цепь на 2-3 минуты. Понаблюдайте и опишите, что происходило: ____________________________________________________________________________________

5. Сделайте вывод, о том, что увидели. ____________________________________________________________________________________

Предположите какое действие тока вы увидели.

1.Соберите установку, как показано на рисунке.

2. Замкните ключ, поднесите гвоздь к металлическим предметам. Опишите, что вы пронаблюдали __________________________________________________________________________________________

3. Разомкните цепь. Прибавьте силу тока в электрической цепи. Замкните цепь и снова поднесите к металлическим предметам. Пронаблюдайте что изменилось _________________________________________________

Предположите, что это_____________________________

4. Разомкните цепь. Освободите гвоздь от намотки и снова поднесите к металлическим предметам. Что заметили _________________________________________________

5. Сделайте вывод, о том, что увидели. __________________________________________________________________________________________________

Предположите какое действие тока вы увидели.

1.Соберите установку, как показано на рисунке.

2. Измерьте температуру провода. ______

Замкните ключ и подождите 1 минуту.

3. Разомкните цепь и снова измерьте температуру

______________________________________

5. Сделайте вывод, о том, что увидели. ________________________________________________________________________________________________________________

Предположите какое действие тока вы увидели.

Итак, вы закончили эксперимент. Пожалуйста, каждая группа расскажите, что вы наблюдали, и какой вывод о действиях тока сделали.

Отчет групп.

Минутка отдыха.

Ребята, однажды великого мыслителя Сократа спросили о том, что, по его мнению, легче всего в жизни? Он ответил, что легче всего – поучать других, а труднее – познать самого себя.

На уроках физики мы говорим о познании природы. Но сегодня давайте глянем « в себя».

Как мы воспринимаем окружающий мир?

Как художники или как мыслители?

  1. Встаньте, поднимите руки в верх, потянитесь.

  2. Переплетите пальцы рук.

  3. Посмотрите какой палец левой или правой руки оказался у вас вверху? Результат запишите «Л» или «П»

  4. Скрестите руки на груди. («поза Наполеона») Какая рука сверху?

  5. Поаплодируйте. Какая рука сверху?

Подведем итоги.

Учитывая, что результат «ЛЛЛ» соответствует художественному типу личности, а «ППП» – типу мышления.

Какой же тип мышления преобладает у вашего класса?

Несколько «художников», несколько «мыслителей», а большинство ребят – гармонично развитые личности, которым свойственно, как логическое, так и образное мышление.

А теперь можно переходить к познанию внешнего мира.

Продолжаем работать в парах.

У вас на столах тексты. Изучая их самостоятельно, выделите применение действия тока в промышленности и быту.

Химическое действие

1. Покрытие металлов слоем другого металла при помощи электролиза (гальваностегия).
Для предохранения металлов от окисления, а также для придания изделиям прочности и лучшего внешнего вида их покрывают тонким слоем благородных металлов (золото, серебро) или мало окисляющимися металлами (хром, никель).
Предмет, предназначенный к гальваническому покрытию, тщательно очищают, полируют и обезжиривают, после чего погружают в качестве катода в гальваническую ванну. Электролитом является раствор соли металла, которым осуществляется покрытие. Анодом служит пластина из того же металла. Для равномерного покрытия предмета его помещают между двумя анодными пластинами. После покрытия предмет вынимают из ванны, сушат и полируют.
2. Получение копий с предметов при помощи электролиза (гальванопластика).
Для получения копий с металлических предметов (монет, медалей, барельефов и т. п.) делают слепки из какого-нибудь пластичного материала (например, воска). Для придания слепку электропроводимости его покрывают графитовой пылью, погружают в ванну в качестве катода и получают на нем слой металла нужной толщины. Затем путем нагревания удаляют воск.

3. Рафинирование (очистка) металлов.
В электротехнике вследствие хорошей электропроводимости наибольшее применение как проводниковый материал имеет медь. Медные руды, кроме меди, содержат много примесей, как,
например, железо, серу, сурьму, мышьяк, висмут, свинец, фосфор и т. п. Процесс получения меди из руды заключается в следующем. Руду измельчают и обжигают в особых печах, где некоторые примеси выгорают, а медь переходит в окись меди, которую снова плавят в печах вместе с углем. Происходит восстановительный процесс, и получают продукт, называемый черной медью с содержанием меди 98—99%. Медь, идущая на нужды электротехники, должна быть наиболее чистой, так как всякие примеси уменьшают электропроводимость меди. Такая медь получается из черной меди путем рафинирования ее электрическим способом. Неочищенная медь подвешивается в качестве анода в ванну с раствором медного купороса. Катодом служит лист чистой меди. При пропускании через ванну электрического тока медь с анода переходит в раствор, а оттуда осаждается на катод. Электролитическая медь содержит до 99,95% меди. Медь в электротехнике применяется для изготовления голых и изолированных проводов, кабелей сильного и слабого тока, обмоток электрических машин и трансформаторов, медных полос, лент, прутков, коллекторных пластин, деталей машин и аппаратов

Магнитное действие.

Электромагниты с большой подъемной силой применяются в технике для весьма различных целей. Например, электромагнитный подъемный кран применяется на металлургических и металлообрабатывающих заводах для переноски железного лома и готовых изделий. На металлообрабатывающих заводах часто применяют также станки с так называемыми магнитными столами, на которых обрабатываемое железное или стальное изделие закрепляется притяжением сильных электромагнитов. Достаточно включить ток, чтобы надежно закрепить изделие в любом положении на столе; достаточно выключить ток, чтобы освободить его. При отделении магнитных материалов от немагнитных, например, при отделении кусков железной руды от пустой породы (обогащение руды), применяют магнитные сепараторы, в которых очищаемый материал проходит через сильное магнитное поле электромагнитов, вытягивающее из него все магнитные частицы.
Для специальных целей строят электромагниты и других типов. Врачи, например, применяют электромагниты для удаления из глаза случайно попавших в него железных опилок.

С июля 2000 года в Японии, у подножья горы Фудзияма, проходит испытания поезд на магнитной подушке, способный разгоняться до скорости более 500 км/ч. Последний рекорд скорости, установленный этим поездом — 552 км/ч.

Тепловое действие

Примеры использования электрического тока для освещения, рассмотренные выше, также представляют собой тепловое действие тока, получившее самое широкое распространение. Остальные виды применения этого теплового действия значительно уступали первому не потому, что их было труднее осуществлять в техническом отношении или пользоваться ими, а по очень простой, но важной причине: добываемое электрическим путем тепло обходилось слишком дорого.

Электрическое отопление. Нагревание током достигается очень просто, так как ток нагревает каждый проводник, по которому он проходит. Количество тепла, выделяемого в проводнике, зависит от его сопротивления и силы проходящего через него тока, а потому имеется возможность получить не только какую угодно температуру, но и какое угодно сосредоточение теплового действия. Для этого необходимо только подбирать соответственно сопротивление проводника и его поперечное сечение. Таким образом, как теоретически утверждали исследователи, в очень малом пространстве можно получить любое количество теплоты.

У нагревателя должно быть определенное сопротивление и, кроме того, он должен быть по возможности небольших размеров. Для получения требуемого нагрева следует только расположить в необходимом месте проводник соответствующего сопротивления. При этом нагревателю придавали различные формы.

Отопление с помощью тока в начале ХХ века оказалось очень дорогим, а в России при сильных зимних холодах оно было совершенно немыслимым. Несмотря на это, много раз пытались придать ему практическое применение. Первые попытки, а также и первые приборы для этого появились в Европе.

Еще одно оригинальное применение электричества для нагревания – электрический инкубатор. Здесь требовалось сравнительно незначительное количество тепла и электрическое нагревание оказалось особенно удобным благодаря легкой и надежной регулировке. 

Электрическая сварка и пайка. Одно из самых интересных применений теплового действия тока представляют собой электрическая сварка и пайка металлов. Эти процессы вызывали всеобщий интерес со времени изобретения технологии получения больших токов и в начале ХХ века с технической стороны были доведены до известного совершенства. Данная технология позволяет соединять куски металла без всякого припоя, что ранее было возможно только для немногих из металлов.

С каждой группы выбирается представитель и кратко рассказывает о применении действия электрического тока. Все полученные знания заносятся в таблицу:

Действие тока

Использование на практике

тепловое действие

электрические нагревательные приборы

химическое действие

гальванопластика, гальваностегия, очистка металлов

магнитное действие

электромагниты, электрический звонок, поезда на магнитных подушках

  1. Закрепление материала

Заполнение таблицы при помощи беспроводной мыши и экрана.

Тепловое

Химическое

Магнитное

  1. Яркое свечение нити электрической лампочки.

  2. Если намотать на гвоздь изолированный провод и его концы присоединить к полюсам батарейки, то  он станет притягивать мелкие железные предметы

  3. Если рамку с током поместить между полюсами магнита, то рамка поворачивается.

  4. Если в раствор медного купороса опустить два угольных стержня, соединённые с полюсами аккумулятора, то через некоторое время на одном из них выделится медь

  5. В электрическом чайнике закипела вода.

  6. Никелирование, хромирование, серебрение металлических предметов осуществляется с помощью электрического тока

  7. Работа аккумулятора автомобиля.

  8. Приготовление пищи на электроплите.

  1. Контроль знаний.

Тест по теме: действие электрического тока.
1. Какие явления свидетельствуют о тепловом действии тока?
а) Изменение свойств проводника под влиянием тока.
б) Его удлинение вследствие нагревания.
в) Свечение раскаленного проводника с током.
2. Какое явление, сопровождающее прохождение тока через проводящую электричество жидкость, обусловлено химическим действием тока?
а) Выделение на опущенных в жидкость электродах веществ, входящих в состав молекул этих жидкостей.
б) Выделение на положительно заряженном электроде металла.
в) Выделение на обоих электродах газа.
3. Какое еще действие, кроме теплового и химического, оказывает электрический ток?
а) Магнитное. 

 б) Механическое. 

 в) Других действий ток не оказывает.
4. При каком условии в металлическом проводнике возникает электрический ток?
а) При появлении в нем свободных электронов.
г) В случае включения его в электрическую цепь
б) При создании в нем электрического поля.
в) В случае перехода хаотического движения свободных электронов в упорядоченное движение.
5. Какое действие тока используется в устройстве гальванометра?
а) Тепловое. 

б) Магнитное. 

в) Химическое.
6. Какое действие электрического тока не наблюдается в металлах?
а) Тепловое.

 б) Химическое.
в) Магнитное.

 7. В каком из приведенных здесь примеров используется химическое действие электрического тока?
а) Зарядка аккумулятора.

б) Приготовление пищи в электродуховке

 в) Плавление металла в электропечи.

  1. Домашнее задание

§60

Задание 54 №3

  1. Рефлексия

У вас на столах лежат три цветных круга. Выберете тот цвет круга который соответствует вашему впечатлению от урока. На обратной стороне напишете свое мнение что особенно понравилось, либо не понравилось.

Зеленый

Понравился, мне все понятно!

Желтый

Не очень понравился, кое-что не понял!

Красный

Не понравился, мне все не понятно…

Что такое электрический ток? | Живая наука

Электрический ток — это движущийся электрический заряд. Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, например, разряда молнии или искры между вашим пальцем и пластиной выключателя заземления. Однако чаще, когда мы говорим об электрическом токе, мы имеем в виду более контролируемую форму электричества, вырабатываемую генераторами, батареями, солнечными элементами или топливными элементами.

Большая часть электрического заряда переносится электронами и протонами внутри атома.Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Однако протоны в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому перенос заряда из одного места в другое выполняют электроны. Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени могут свободно перемещаться от одного атома к другому по своим зонам проводимости, которые являются высшими электронными орбитами. По словам Серифа Урана, профессора физики в Питтсбургском государственном университете, достаточная электродвижущая сила (ЭДС) или напряжение создает дисбаланс заряда, который может заставить электроны перемещаться по проводнику в виде электрического тока.

Хотя сравнивать электрический ток с потоком воды в трубе несколько рискованно, есть некоторые сходства, которые могут облегчить понимание. По словам Майкла Дубсона, профессора физики в Университете Колорадо Болдера, мы можем представить поток электронов в проводе как поток воды в трубе. Предостережение: в этом случае труба всегда заполнена водой. Если мы откроем клапан на одном конце, чтобы впустить воду в трубу, нам не нужно ждать, пока вода дойдет до конца трубы.Мы получаем воду из другого конца почти мгновенно, потому что поступающая вода выталкивает воду, которая уже находится в трубе, к концу. Вот что происходит в случае электрического тока в проводе. Электроны проводимости уже присутствуют в проводе; нам просто нужно начать толкать электроны на одном конце, и они почти сразу же начнут течь на другом конце.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Государственного университета Джорджии, фактическая скорость электрона в проводе составляет порядка нескольких миллионов метров в секунду, но он не движется прямо по проводу.Он подскакивает почти наугад и движется только со скоростью несколько миллиметров в секунду. Это называется дрейфовой скоростью электрона. Однако скорость передачи сигнала, когда электроны начинают выталкивать другой конец провода после того, как мы щелкаем переключателем, почти равна скорости света, которая составляет около 300 миллионов метров в секунду (186 000 миль в секунду). В случае переменного тока, когда ток меняет направление 50 или 60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не выходит из провода.

Несбалансированность начислений может быть создана несколькими способами. Первым известным способом было создание статического заряда путем трения друг о друга двух разных материалов, например, протирания кусочка янтаря мехом животных. Затем можно создать ток, прикоснувшись янтарем к телу с меньшим зарядом или к земле. Однако этот ток имел очень высокое напряжение, очень низкую силу тока и длился всего долю секунды, поэтому его нельзя было заставить выполнять какую-либо полезную работу.

Постоянный ток

Следующим известным способом создания дисбаланса зарядов была электрохимическая батарея, изобретенная в 1800 году итальянским физиком Алессандро Вольта, в честь которого названа единица электродвижущей силы — вольт (В).Его «гальваническая куча» состояла из стопки чередующихся цинковых и медных пластин, разделенных слоями ткани, пропитанной соленой водой, и создавал устойчивый источник постоянного тока (DC). Он и другие улучшили и усовершенствовали свое изобретение в течение следующих нескольких десятилетий. По данным Национального музея американской истории, «батареи привлекли внимание многих ученых и изобретателей, и к 1840-м годам они обеспечивали током новые электрические устройства, такие как электромагниты Джозефа Генри и телеграф Сэмюэля Морса.»

Другие источники постоянного тока включают топливные элементы, которые объединяют кислород и водород в воду и вырабатывают электрическую энергию в процессе. Кислород и водород могут поставляться в виде чистых газов или из воздуха и химического топлива, такого как спирт. Другой источник постоянного тока ток — это фотоэлектрический или солнечный элемент. В этих устройствах фотонная энергия от солнечного света поглощается электронами и преобразуется в электрическую. Энергосистема.Переменный ток вырабатывается электрическими генераторами, которые работают по закону индукции Фарадея, с помощью которого изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике. В генераторах есть вращающиеся катушки из проволоки, которые проходят через магнитные поля при вращении. Когда катушки вращаются, они открываются и закрываются относительно магнитного поля и производят электрический ток, который меняет направление на противоположное каждые пол-оборота. Ток проходит полный прямой и обратный цикл 60 раз в секунду, или 60 герц (Гц) (50 Гц в некоторых странах).Генераторы могут работать от паровых турбин, работающих на угле, природном газе, масле или ядерном реакторе. Они также могут приводиться в действие ветряными турбинами или водяными турбинами на плотинах гидроэлектростанций.

Из генератора ток проходит через серию трансформаторов, где он повышается до гораздо более высокого напряжения для передачи. Причина этого в том, что диаметр проводов определяет величину тока или силы тока, которую они могут проводить без перегрева и потери энергии, но напряжение ограничивается только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли.Интересно отметить, что ток передается только по одному проводу, а не по двум. Две стороны постоянного тока обозначены как положительная и отрицательная. Однако, поскольку полярность переменного тока меняется 60 раз в секунду, две стороны переменного тока обозначаются как горячая и заземленная. В линиях электропередачи на большие расстояния провода проходят через горячую сторону, а земля проходит через землю, замыкая цепь.

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на силу тока, вы можете послать больше мощности по линии при той же силе тока, используя более высокое напряжение.Затем высокое напряжение понижается по мере того, как оно распределяется по сети подстанций, пока не достигает трансформатора рядом с вашим домом, где оно, наконец, понижается до 110 В. (В Соединенных Штатах настенные розетки и лампы работают от 110 В. при 60 Гц. В Европе почти все работает от 230 В при 50 Гц.)

Как только ток достигает конца линии, большая часть его используется одним из двух способов: либо для обеспечения тепла и света через электрическое сопротивление. , или механическое движение за счет электрической индукции.Есть еще несколько применений — на ум приходят люминесцентные лампы и микроволновые печи — которые работают на разных принципах, но львиная доля энергии идет на устройства, основанные на сопротивлении и / или индуктивности. Фен, например, использует и то, и другое одновременно.

Это подводит нас к важной особенности электрического тока: он может выполнять работу. Он может освещать ваш дом, стирать и сушить одежду и даже поднимать гаражные ворота одним щелчком выключателя. Однако все более важной становится способность электрического тока передавать информацию, особенно в виде двоичных данных.Хотя для подключения к Интернету вашего компьютера требуется лишь небольшая часть электрического тока, скажем, электрического обогревателя, он становится все более и более важным для современной жизни.

Дополнительные ресурсы

Что такое электрический ток? — Определение, единицы и типы — Видео и стенограмма урока

Постоянный и переменный ток

Сегодня широко используются два разных типа тока. Это постоянный ток, сокращенно DC, и переменный ток, сокращенно AC.В постоянного тока электроны текут в одном направлении. Батареи создают постоянный ток, потому что электроны всегда текут с «отрицательной» стороны на «положительную».

В постоянном токе электроны движутся в одном направлении.

Переменный ток , сокращенно AC, толкает электроны вперед и назад, изменяя направление потока несколько раз в секунду. В Соединенных Штатах ток меняет направление со скоростью 60 герц, или 60 раз за одну секунду.Генераторы, используемые на электростанциях для производства электроэнергии для вашего дома, предназначены для выработки переменного тока. Вы, вероятно, никогда не замечали, что свет в вашем доме на самом деле мерцает при изменении направления тока, потому что это происходит слишком быстро, чтобы наши глаза могли его обнаружить.

Итак, зачем нам два типа тока и какой из них лучше? Что ж, это хороший вопрос, и тот факт, что мы все еще используем оба типа тока, должен сказать вам, что они оба служат определенной цели. Еще в 19 веке считалось, что для эффективной передачи энергии на большие расстояния между электростанцией и домом ее необходимо передавать при очень высоком напряжении.Проблема заключалась в том, что подавать в дом действительно высокое напряжение было чрезвычайно опасно для людей, живущих в нем.

Решением этой проблемы было снижение напряжения прямо за пределами дома перед подачей его внутрь. С технологией, существовавшей в то время, было намного проще снизить напряжение переменного тока, чем постоянного, поэтому переменный ток выиграл как предпочтительный тип тока. По сей день мы все еще используем переменный ток для передачи электроэнергии на большие расстояния, в основном из-за его способности легко преобразовываться в другие напряжения.

Итак, зачем нам вообще DC? Что ж, в первую очередь, важно понимать, что в настоящее время у нас нет никакого способа хранить электрическую энергию. «Но постойте!» — скажете вы. «А что насчет батарей? Разве они не хранят электрическую энергию? На самом деле, батареи преобразуют электрическую энергию и хранят ее в виде химической энергии. Как мы упоминали ранее, батареи создают только постоянный ток и, в свою очередь, могут заряжаться только постоянным током. Это означает, что переменный ток необходимо сначала преобразовать в постоянный, прежде чем его можно будет использовать с батареей.Пока не будет изобретена батарея переменного тока, постоянный ток всегда будет необходим.

За последние несколько десятилетий постоянный ток стал более важным из-за широкого использования электроники. Все наши высокотехнологичные игрушки, такие как компьютеры и сотовые телефоны, содержат детали, которые работают только от постоянного тока. Это означает, что даже несмотря на то, что многие из наших гаджетов подключаются к розетке переменного тока, мощность преобразуется в постоянный ток внутри устройства перед его использованием.

Единицы тока

Единицей измерения тока является ампер , но это слово часто сокращают до «ампер».Вероятно, самое обычное место, где можно увидеть что-то с номинальным током, — это коробка автоматического выключателя в вашем доме. Цифры на переключателях показывают, сколько ампер тока может пройти через прерыватель, прежде чем он отключится для защиты проводов. Это подводит нас к важному моменту. Ток измеряется количеством электрического заряда, который проходит через заданную точку, такую ​​как автоматический выключатель, за период времени в одну секунду. Поскольку электрический заряд измеряется в кулонах, а время — в секундах, истинной единицей измерения тока является кулон в секунду.Но разве не проще сказать «амперы»? К счастью для нас, один ампер определяется как один кулон в секунду, так что технически это одно и то же.

Итоги урока

Подведем итоги тому, что мы узнали. Проводники содержат много свободных электронов, которые обычно перемещаются от атома к атому в случайных направлениях. Когда к проводнику прикладывается напряжение, все свободные электроны текут в одном направлении, которое называется током. В то время как электрическая энергия передается через проводник почти со скоростью света, отдельные электроны движутся гораздо медленнее.

Существует два вида электрического тока: постоянный и переменный. В постоянном токе, сокращенно DC, электроны движутся в одном направлении. Этот тип тока создается, когда электроны движутся по цепи, чтобы перейти от «отрицательного» конца к «положительному» концу батареи. Постоянный ток имеет важные применения в хранении энергии и для питания многих наших электронных устройств.

В переменном токе, сокращенно AC, электроны меняют направление несколько раз в секунду. Этот тип тока создается генераторами на электростанции, потому что он лучше всего подходит для передачи электроэнергии на большие расстояния.Наконец, единицей измерения тока является ампер, который определяется как один кулон заряда, проходящий через заданную точку за одну секунду.

Результаты обучения

После этого урока вы сможете:

  • Обобщать, как электроны движутся в токе
  • Различия между переменным и постоянным током
  • Определите текущую единицу

Что такое электрический ток? Простое объяснение

Электрический ток — это поток электрического заряда между двумя точками.Представьте, что это похоже на воду в реке, несущую энергию. Электрический заряд в электронах вызывает нагрев резисторов в лампах и электрических огнях. Он также создает магнитные поля в двигателях, индукторах и генераторах.

Есть два типа электрических токов. Первый — это постоянный ток (DC), который течет в одном направлении, как батарея. Вторые — это переменные токи (AC), периодически меняющие направление. Мы можем увеличивать и уменьшать напряжение переменного тока с помощью трансформаторов.

Изображение: Ле Рой К. Кули

Большая гибкость переменного тока означает, что мы можем эффективно транспортировать его по национальным высоковольтным сетям, а затем направлять его туда, где мы используем, на наших рабочих местах и ​​дома.

Откуда исходит электрический ток

Электрический ток — это естественное явление. Мы видим это в молнии, статическом электричестве, солнечном ветре и полярных сияниях. История Бенджамина Франклина, запускающего воздушного змея с ключом на веревке в молниеносное облако, чтобы доказать, что это было электричество, вероятно, вымысел.Если бы это сработало, его сын, держащий веревку, вероятно, умер бы, потому что шел дождь.

Мы создаем электрический ток, вращая ротор в генераторе, или от солнца, используя солнечные батареи. Теоретически мы можем производить столько электроэнергии, сколько захотим, но у нас нет аккумуляторной технологии для хранения больших количеств. Следовательно, мы должны генерировать его «как раз вовремя», чтобы удовлетворить наши потребности.

Как мы контролируем поток электрического тока

Изображение: Smial

Мы можем сравнить оптимальный поток электронов через сетку с системой полива сада.Нам нужно достаточное давление, чтобы поднять всплывающие окна на лужайке. Однако, если давление будет слишком высоким, распылители тумана сломаются на клумбах.

Электрический ток такой же. Слишком мало, и лампочки загораются коричневым. Слишком много, и они взорвутся.

Наши электростанции и подстанции — это «ответвители», гарантирующие, что мы получаем необходимое количество электрического тока.

Связанные

Разница между электрическим зарядом и электрическим током

Как сделать простой генератор

Electric Current — The Physics Hypertextbook

Обсуждение

определений

текущий

Электрический ток определяется как скорость, с которой заряд проходит через поверхность (например, поперечное сечение провода).Несмотря на то, что оно относится ко многим различным вещам, слово ток часто используется само по себе вместо более длинного, более формального «электрического тока». Прилагательное «электрический» подразумевается контекстом описываемой ситуации. Фраза «ток через тостер», несомненно, относится к потоку электронов через нагревательный элемент, а не к потоку ломтиков хлеба через прорези.

Как и все величины, определяемые как скорость, есть два способа записать определение электрического тока — средний ток для тех, кто заявляет о незнании вычислений…

и мгновенный ток для тех, кто не боится вычислений…

Я = q = dq
т дт

Единица измерения тока — ампер [А], названный в честь французского ученого Андре-Мари Ампера (1775–1836).В письменных языках без диакритических букв (а именно в английском) принято писать единицу измерения как ампер , а в неформальном общении сокращать это слово до amp . У меня нет проблем с любым из этих вариантов написания. Только не используйте заглавную букву «А» в начале. Ампер относится к физику, а ампер (или ампер, или ампер) относится к единице.

Поскольку заряд измеряется в кулонах, а время измеряется в секундах, ампер равняется кулону в секунду.



А = С

с

Элементарный заряд определен как ровно…

е = 1,602176634 × 10 −19 С

Число элементарных зарядов в кулонах будет обратной величиной этого числа — повторяющейся десятичной дробью с периодом 778 716 цифр. Я напишу первые 19 цифр, это максимум, что я могу написать (поскольку произвольных долей элементарного заряда не существует).

C ≈ 6,241,509,074,460,762,607 e

А потом напишу еще раз с более разумным количеством цифр, чтобы было легче читать.

C ≈ 6,2415 × 10 18 e

Ток в один ампер — это передача примерно 6,2415 × 10 18 элементарных зарядов в секунду. Для любителей случайностей это примерно десять микромолей.

плотность тока

Когда я визуализирую ток, я вижу, как что-то движется.Я вижу, как они движутся в каком-то направлении. Я вижу вектор. Я вижу не то. Ток не является векторной величиной, несмотря на мою хорошо развитую научную интуицию. Ток — это скаляр. И причина в том … потому что это так.

Но подождите, становится еще страннее. Отношение силы тока к площади для данной поверхности называется плотностью тока.

Единица измерения плотности тока — ампер на квадратный метр , не имеющая специального названия.



А = А

м 2 м 2

Несмотря на то, что это отношение двух скалярных величин, плотность тока является вектором.И причина в том, что это так.

Ну… на самом деле, это потому, что плотность тока определяется как произведение плотности заряда и скорости для любого места в космосе…

Дж = ρ v

Два уравнения эквивалентны по величине, как показано ниже.

Дж = ρ v
Дж = кв DS = с dq = 1 я
В дт SA дт А
Дж = I
А

Есть еще кое-что, что нужно учесть.

I = JA = ρ v A

Читатели, знакомые с механикой жидкостей, могли бы узнать правую часть этого уравнения, если бы оно было написано немного иначе.

I = ρ Av

Это произведение является величиной, которая остается постоянной в уравнении неразрывности массы .

ρ 1 A 1 v 1 = ρ 2 A 2 v 2

Точно такое же выражение применяется к электрическому току с символом ρ, меняющим значение между контекстами.В механике жидкости ρ обозначает массовую плотность, а в электрическом токе — плотность заряда.

описание микроскопа

Ток — это поток заряженных частиц. Это дискретные сущности, а значит, их можно сосчитать.

n = N / V

q = нкВ

V = Ad = Av t

Я = q = nqAv т
т т

I = nqAv

Аналогичное выражение можно записать для плотности тока.Вывод начинается в скалярной форме, но в окончательном выражении используются векторы.

Дж = nq v

твердых частиц

Сравнение проводимости и валентных электронов, проводников и изоляторов

Дрейфовое движение, наложенное на тепловое движение

Увеличить

Мостовой текст.

Тепловая скорость электронов в проводе довольно высока и случайным образом изменяется из-за столкновений атомов. Поскольку изменения хаотичны, средняя скорость равна нулю.

Когда провод помещается в электрическое поле, свободные электроны равномерно ускоряются в промежутках между столкновениями. Эти периоды ускорения поднимают среднюю скорость выше нуля. (Эффект на этой диаграмме сильно преувеличен.)

тепловая скорость электрона в меди при комнатной температуре (классическое приближение)…

v rms = √ 3 (1.38 × 10 −23 Дж / К) (300 К)
(9,11 × 10 −31 кг)
v среднеквадратичное значение 100 км / с

Ферми скорость электрона в меди (квантовая величина)…

v fermi = √ 2 E Ферми
м e
v fermi = √ 2 (7.00 эВ) (1,60 × 10 −19 Дж / эВ)
(9,11 × 10 −31 кг)
v fermi 1500 км / с

Скорость дрейфа электрона на 10 м медного провода, подключенного к автомобильному аккумулятору 12 В при комнатной температуре (среднее время свободного пробега между столкновениями при комнатной температуре τ = 3 × 10 −14 с)…

v смещение = 1 v = 1 а τ = 1 Ф τ = 1 eE т
2 2 2 м e 2 м e
v смещение = (1.60 × 10 −19 C) (12 В) (3 × 10 −14 с)
2 (10 м) (9,11 × 10 −31 кг)
v смещение 3 мм / с

Тепловая скорость на несколько порядков превышает скорость дрейфа в типичной проволоке. Время на прохождение круга — около часа.

жидкости

ионы, электролиты

газы

ионов, плазма

  • 14:02 — Отключение линии электропередачи на юго-западе Огайо
    4. Стюарт — Атланта 345 кВ
    Эта линия является частью пути передачи из юго-западного Огайо в северный Огайо. Он отключился от системы из-за возгорания кисти под частью линии. Горячие газы от пожара могут ионизировать воздух над линией электропередачи, заставляя воздух проводить электричество и закорачивать проводники.
    Источник

исторический

Символ I был выбран французским физиком и математиком Андре-Мари Ампера для обозначения силы тока тока.

Увеличить
Pour exprimer en nombre l’intensité d’un courant quelconque, on Concevra qu’on ait choisi un autre courant арбитражер для сравнения терминов…. Désignant donc par i et i les rapports destensites de deux courant donnés à l’intensité du courant pris pour unite…. Чтобы выразить интенсивность тока в виде числа, предположим, что для сравнения выбран другой произвольный ток…. Используем i и i для отношения интенсивностей двух заданных токов к силе опорного тока, взятого за единицу….
Андре-Мари Ампер, 1826 Андре-Мари Ампер, 1826 г. (платная ссылка)

Термин «интенсивность» теперь не имеет никакого отношения к физике. Ток — это скорость, с которой заряд проходит через поверхность любого размера — например, клеммы батареи или штыри электрической вилки. Интенсивность — это средняя мощность на единицу площади, передаваемая каким-либо явлением излучения — например, звуком оживленной дороги, светом Солнца или частицами брызг, испускаемыми радиоактивным источником.Ток и интенсивность теперь — разные величины с разными единицами измерения и разным использованием, поэтому (конечно) они используют одинаковые символы.

текущий интенсивность
I = q

А = С

т с
I = п.

Вт

А м 2

Начало стола

  • 12000 А ток через магниты LHC в ЦЕРН

Электричество — Электрический ток — Физика 299

Электричество — Электрический ток — Физика 299

«Когда я оказываюсь в компании ученых, я чувствую себя жалким священником, сбившимся с пути ошибка в гостиную полную герцогов »
W.Х. Оден

Электрический ток
  • Электрический ток равен скорости прохождения заряда неподвижная точка в пространстве.


  • Сила тока измеряется в амперах: 1 Ампер = 1 кулон в секунду
    Хотя из приведенного выше определения кажется, что ампер определяется в терминах кулона, на самом деле это ампер, который — основная единица, кулон — это дервивед.Ампер определяется как сила между двумя параллельными проводами, несущими текущий, как мы увидим позже.
  • Важно понимать, что величина тока постоянная, независимо от поперечного сечения проводника. Если это было не так, тогда заряд мог бы «накапливаться» в точках вдоль дирижер.

  • Когда вы щелкаете выключателем, мгновенно загорается лампочка. Фактически, течение движется со скоростью, близкой к скорости свет.Однако носители заряда, электроны в металлическая проволока движется с гораздо меньшей скоростью — скоростью дрейфа.
    Рассмотрим провод длины l, сечения А, с проводимостью n. электронов в единице объема. Ток в проводе может быть письменный,

где e — заряд электрона, а v d — дрейфовая скорость.

  • Плотность тока, Дж (А / м 2 ) определяется по,
физически, J представляет движение заряда в определенном месте в пределах дирижер, эл.г. когда A большое, J маленькое, когда A маленькое J большой.
Общее соотношение между I и J:

Ток — это поток J через поверхность.

Важно: В Текущий, Я, является скалярная величина, а J — вектор. У меня есть «смысл» в том, что мы рисуем стрелки, чтобы обозначить его «направление», но не подчиняется правилам вектора алгебра.


  • Историческая причуда. Направление тока определяется как направление в который будет двигаться положительным зарядом. Но в твердом металле проводниками носителями заряда являются электроны (отрицательные заряды) которые фактически движутся в противоположном направлении. Отрицательный заряды, движущиеся справа налево, в точности эквивалентны положительным заряды движутся слева направо.

Сопротивление

  • В металлических проводниках электрическое поле и плотность тока находятся в одном направлении и пропорциональны друг друга,
где ρ — удельное сопротивление проводника — характеристика дирижер.Электропроводность проводящего материала равна определяется как, σ = 1 / ρ.
Для однородного проводника длиной l, сечением A имеем E = V / l и J = i / A, так что сопротивление проводника R определяется как,


Сопротивление измеряется в Ом (Ом), тогда удельное сопротивление единиц ом.метр и проводимость (ом.метр) -1

  • Важно: соотношение V = ИК НЕ Закон Ома !
Закон Ома:
«Если соотношение напряжение через проводник к току через она постоянна для всех напряжений, тогда проводник подчиняется закону Ома »


Закон Ома действует для металлических проводников, но не для таких устройств, как транзисторы, диоды и т. д. Отношение V = IR всегда можно использовать для определить сопротивление при некотором конкретном I и V для любого устройства.


  • Даже в проводниках ток будет течь только между двумя точками A и B, когда

  1. Существует разность потенциалов между A и B (производящая электрическое поле, которое заставляет заряды двигаться) и,
  2. A и B образуют часть полной цепи.


Мощность

  • Предположим, заряд dq перемещается из точки A в точку B, где разность потенциалов между A и B составляет V AB , тогда энергия, выделяемая за время dt, определяется значением
так что скорость, с которой энергия передаваемая (мощность), P, определяется выражением,

В единицах измерения мы можем утверждать, что Амперы x Вольт = Ватты.

  • Форма «выделяемой» энергии зависит от электрический компонент, расположенный между A и B, для например,
    • Мотор — выделенная механическая энергия (работа)
    • Аккумулятор — химическая энергия хранится в аккумуляторе
    • Сопротивление — выделенная тепловая энергия (тепло)

Электродвижущая сила — «ЭДС»

  • При обсуждении электрических схем вы можете встретить термин «ЭДС» — электромотив сила. Важно понимать, что «ЭДС» — это НЕ сила!
  • Если устройство имеет «ЭДС», оно может поддерживать разность потенциалов (напряжение). Так, например, аккумулятор поддерживает ЭДС между положительным и отрицательным терминалы.
  • ЭДС устройства может быть определена как ε = dW / dq, где dW работа, проделанная над положительным зарядом dq при его взятии пересекает разность потенциалов устройства.в случай простой схемы с батареей (см. выше) в качестве заряд проходит через внешнюю (по отношению к батарее) цепь, теряет энергию. В схеме выше появляется энергия как тепло и свет в лампочке. Когда заряд возвращает АКБ ЭДС АКБ восполняет свою энергию.
  • На этом вводном уровне мы можем рассмотреть ЭДС «источник» (аккумулятор, генератор и т. д.) должен быть точно эквивалентным к напряжению, обеспечиваемому источником.
  • Направление ЭДС всегда представляет направление a положительный заряд переместится во внешнюю цепь. См. Схему справа. Направление ЭДС — это важный фактор, когда мы используем законы Кирхгофа для анализа схемы.


Внутреннее сопротивление

  • Все ЭДС — батареи, генераторы и т. Д. — и электрические измерительные приборы — амперметры, вольтметры и т. д. — имеют «внутреннее сопротивление».
  • Что касается схемотехнического анализа эти внутренние сопротивления могут быть просто рассматривать как резисторы последовательно с «идеалом» ЭДС / метр.
  • Для амперметров (токоизмерительных приборов) цель: иметь как можно более низкое внутреннее сопротивление, чтобы ток не влияет.

  • Для вольтметра внутреннее сопротивление должно быть не меньше насколько возможно.

В: Есть ли у света масса?
A: Конечно, нет. Это даже не католик !!!


Доктор К. Л. Дэвис
Физический факультет
Университет Луисвилля
электронная почта : [email protected]

5.1 Электрический ток — Введение в электричество, магнетизм и схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ


К концу этого раздела вы сможете:
  • Опишите электрический ток
  • Определите единицу измерения электрического тока
  • Объясните направление тока

До сих пор мы рассматривали в основном статические заряды.Когда заряды действительно двигались, они ускорялись в ответ на электрическое поле, создаваемое разностью напряжений. Заряды теряли потенциальную энергию и приобретали кинетическую энергию, когда они проходили через разность потенциалов, где электрическое поле действовало на заряд.

Хотя заряды не требуют прохождения материала, большая часть этой главы посвящена пониманию движения зарядов через материал. Скорость, с которой заряды протекают мимо места, то есть количество заряда в единицу времени, известна как электрический ток .Когда заряды протекают через среду, ток зависит от приложенного напряжения, материала, через который протекают заряды, и состояния материала. Особый интерес представляет движение зарядов в проводящем проводе. В предыдущих главах заряды ускорялись из-за силы, создаваемой электрическим полем, теряя потенциальную энергию и приобретая кинетическую энергию. В этой главе мы обсуждаем ситуацию силы, создаваемой электрическим полем в проводнике, когда заряды теряют кинетическую энергию в материале, достигая постоянной скорости, известной как « дрейфовая скорость ».Это аналогично тому, как объект, падающий через атмосферу, теряет кинетическую энергию в воздух, достигая постоянной конечной скорости.

Если вы когда-либо проходили курс по оказанию первой помощи или технике безопасности, вы, возможно, слышали, что в случае поражения электрическим током именно сила тока, а не напряжение, является важным фактором, влияющим на силу удара и количество ударов. повреждение человеческого тела. Ток измеряется в единицах, называемых амперами; Возможно, вы заметили, что автоматические выключатели в вашем доме и предохранители в автомобиле рассчитаны на токи (или амперы).Но что такое ампер и что он измеряет?

Определение тока и ампера

Электрический ток определяется как скорость, с которой протекает заряд. Когда присутствует большой ток, например, используемый для работы холодильника, большое количество заряда перемещается по проводу за небольшой промежуток времени. Если ток небольшой, например, используемый для работы портативного калькулятора, небольшое количество заряда перемещается по цепи в течение длительного периода времени.

Большинство электроприборов рассчитаны на токи (или амперы), необходимые для правильной работы, равно как и предохранители и автоматические выключатели.

(рисунок 5.1.1)

Рисунок 5.1.1 Скорость потока заряда — текущая. Ампер — это поток одного кулона заряда через область за одну секунду. Ток в один ампер будет результатом протекания электронов через область каждую секунду.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 5.1


В портативных калькуляторах

часто используются небольшие солнечные элементы для обеспечения энергии, необходимой для выполнения расчетов, необходимых для сдачи следующего экзамена по физике. Сила тока, необходимого для работы вашего калькулятора, может составлять всего.Сколько времени потребуется, чтобы заряд от солнечных батарей? Можно ли использовать солнечные элементы вместо батарей для запуска традиционных двигателей внутреннего сгорания, которые в настоящее время используются в большинстве легковых и грузовых автомобилей?

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 5.2


Автоматические выключатели в доме имеют номинал в амперах, обычно в диапазоне от до, и используются для защиты жителей от повреждений, а их электроприборы — от повреждений из-за больших токов. Один автоматический выключатель может использоваться для защиты нескольких розеток в гостиной, а один автоматический выключатель может использоваться для защиты холодильника на кухне.Что вы можете сделать из этого о токе, используемом различными приборами?

Ток в цепи

В предыдущих параграфах мы определили ток как заряд, который проходит через площадь поперечного сечения в единицу времени. Для прохождения заряда через прибор, такой как фара, показанная на рисунке 5.1.4, должен быть полный путь (или цепь) от положительной клеммы к отрицательной. Рассмотрим простую схему автомобильного аккумулятора, выключателя, лампы фары и проводов, обеспечивающих ток между компонентами.Для того, чтобы лампа загорелась, должен быть полный путь прохождения тока. Другими словами, заряд должен иметь возможность покинуть положительную клемму батареи, пройти через компонент и вернуться к отрицательной клемме батареи. Переключатель предназначен для управления цепью. На части (а) рисунка показана простая схема автомобильного аккумулятора, выключателя, токопроводящей дорожки и лампы фары. Также показана схема схемы [часть (b)]. Схема — это графическое представление схемы, которое очень полезно для визуализации основных характеристик схемы.На схемах используются стандартные символы для обозначения компонентов в цепях и сплошные линии для обозначения проводов, соединяющих компоненты. Батарея показана в виде серии длинных и коротких линий, представляющих историческую гальваническую батарею. Лампа изображена в виде круга с петлей внутри, что представляет собой нить накаливания. Переключатель показан в виде двух точек с проводящей полосой для соединения этих двух точек, а провода, соединяющие компоненты, показаны сплошными линиями. Схема в части (c) показывает направление тока, когда переключатель замкнут.

(рисунок 5.1.4)

Рисунок 5.1.4. (a) Простая электрическая схема фары (лампы), аккумулятора и переключателя. Когда переключатель замкнут, непрерывный путь для прохождения тока обеспечивается проводящими проводами, соединяющими нагрузку с выводами батареи. (b) На этой схеме батарея представлена ​​параллельными линиями, которые напоминают пластины в оригинальной конструкции батареи. Более длинные линии указывают на положительный вывод. Проводящие провода показаны сплошными линиями.Переключатель показан в разомкнутом положении в виде двух клемм с линией, представляющей токопроводящую шину, которая может контактировать между двумя клеммами. Лампа представлена ​​кругом, охватывающим нить накаливания, как если бы это была лампа накаливания. (c) Когда переключатель замкнут, цепь замыкается, и ток течет от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи.

Когда переключатель замкнут на Рисунке 5.1.4 (c), существует полный путь для прохождения зарядов от положительной клеммы батареи через переключатель, затем через фару и обратно к отрицательной клемме батареи. .Обратите внимание, что направление тока — от положительного к отрицательному. Направление обычного тока всегда представлено в том направлении, в котором будет течь положительный заряд, от положительного вывода к отрицательному.

Обычный ток течет от положительной клеммы к отрицательной, но в зависимости от реальной ситуации положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое могут перемещаться. В металлических проводах, например, ток переносится электронами, то есть движутся отрицательные заряды.В ионных растворах, таких как соленая вода, перемещаются как положительные, так и отрицательные заряды. То же самое и с нервными клетками. Генератор Ван де Граафа, используемый для ядерных исследований, может производить ток чисто положительных зарядов, таких как протоны. В ускорителе Тэватрон в Фермилабе, до его закрытия в 2011 году, сталкивались пучки протонов и антипротонов, движущихся в противоположных направлениях. Протоны положительны, и поэтому их ток в том же направлении, в котором они движутся. Антипротоны заряжены отрицательно, и, следовательно, их ток идет в направлении, противоположном направлению движения реальных частиц.

Более пристальный взгляд на ток, протекающий по проводу, показан на Рисунке 5.1.5. На рисунке показано движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток считается направленным в направлении движения положительного заряда, можно проследить до американского ученого и государственного деятеля Бенджамина Франклина в 1700-х годах. Не зная о частицах, составляющих атом (а именно о протоне, электроне и нейтроне), Франклин полагал, что электрический ток течет от материала, который имеет больше «электрической жидкости», и к материалу, который имеет меньше этого «электрического флюида». электрическая жидкость.Он ввел термин положительный для материала, в котором больше этой электрической жидкости, и отрицательный для материала, в котором отсутствует электрическая жидкость. Он предположил, что ток будет течь от материала с большим количеством электрической жидкости — положительного материала — к отрицательному материалу, в котором меньше электрической жидкости. Франклин назвал это направление тока положительным током. Это было довольно продвинутое мышление для человека, который ничего не знал об атоме.

(рисунок 5.1,5)

Рис. 5.1.5. Ток — это скорость, с которой заряд движется через область, например поперечное сечение провода. Обычный ток определяется движением в направлении электрического поля. (а) Положительные заряды движутся в направлении электрического поля, которое совпадает с направлением обычного тока. (б) Отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Обычный ток идет в направлении, противоположном движению отрицательного заряда.Поток электронов иногда называют электронным потоком.

Теперь мы знаем, что материал является положительным, если в нем больше протонов, чем электронов, и отрицательным, если в нем больше электронов, чем протонов. В проводящем металле ток в основном возникает из-за того, что электроны текут от отрицательного материала к положительному, но по историческим причинам мы рассматриваем положительный ток, и ток, как показано, течет от положительного вывода батареи к положительному. отрицательный терминал.

Важно понимать, что электрическое поле присутствует в проводниках и отвечает за выработку тока (рисунок 5.1.5). В предыдущих главах мы рассматривали случай статического электричества, когда заряды в проводнике быстро перераспределяются по поверхности проводника, чтобы нейтрализовать внешнее электрическое поле и восстановить равновесие. В случае электрической цепи заряды никогда не достигают равновесия с помощью внешнего источника электрического потенциала, такого как батарея.Энергия, необходимая для перемещения заряда, обеспечивается электрическим потенциалом от батареи.

Хотя электрическое поле отвечает за движение зарядов в проводнике, работа, совершаемая над зарядами электрическим полем, не увеличивает кинетическую энергию зарядов. Мы покажем, что электрическое поле отвечает за движение электрических зарядов с «дрейфовой скоростью».

Candela Citations

Лицензионный контент CC, конкретная атрибуция

  • Загрузите бесплатно по адресу http: // cnx.org/contents/[email protected] Получено с : http://cnx.org/contents/[email protected] Лицензия : CC BY: Атрибуция

9.2: Электрический ток — Physics LibreTexts

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите электрический ток
  • Определите единицу измерения электрического тока
  • Объясните направление тока

До сих пор мы рассматривали в основном статические заряды.Когда заряды действительно двигались, они ускорялись в ответ на электрическое поле, создаваемое разностью напряжений. Заряды теряли потенциальную энергию и приобретали кинетическую энергию, когда они проходили через разность потенциалов, где электрическое поле действовало на заряд.

Хотя заряды не требуют прохождения материала, большая часть этой главы посвящена пониманию движения зарядов через материал. Скорость, с которой заряды проходят мимо места, то есть количество заряда в единицу времени, известна как электрический ток .Когда заряды протекают через среду, ток зависит от приложенного напряжения, материала, через который протекают заряды, и состояния материала. Особый интерес представляет движение зарядов в проводящем проводе. В предыдущих главах заряды ускорялись из-за силы, создаваемой электрическим полем, теряя потенциальную энергию и приобретая кинетическую энергию. В этой главе мы обсуждаем ситуацию силы, создаваемой электрическим полем в проводнике, когда заряды теряют кинетическую энергию в материале, достигая постоянной скорости, известной как « дрейфовая скорость ».Это аналогично тому, как объект, падающий через атмосферу, теряет кинетическую энергию в воздух, достигая постоянной конечной скорости.

Если вы когда-либо проходили курс по оказанию первой помощи или технике безопасности, вы, возможно, слышали, что в случае поражения электрическим током именно сила тока, а не напряжение, является важным фактором, влияющим на силу удара и количество ударов. повреждение человеческого тела. Ток измеряется в единицах, называемых амперами; Возможно, вы заметили, что автоматические выключатели в вашем доме и предохранители в автомобиле рассчитаны на токи (или амперы).Но что такое ампер и что он измеряет?

Определение тока и ампера

Электрический ток определяется как скорость, с которой протекает заряд. Когда присутствует большой ток, например, используемый для работы холодильника, большое количество заряда перемещается по проводу за небольшой промежуток времени. Если ток небольшой, например, используемый для работы портативного калькулятора, небольшое количество заряда перемещается по цепи в течение длительного периода времени.

Электрический ток

Средний электрический ток \ (I \) — это скорость протекания заряда,

\ [I_ {ave} = \ dfrac {\ Delta Q} {\ Delta t}, \ label {Iave} \]

, где \ (\ Delta Q \) — количество чистого заряда, проходящего через заданную площадь поперечного сечения за время \ (\ Delta t \) (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).Единица СИ для тока — ампер (А), названная в честь французского физика Андре-Мари Ампера (1775–1836). Поскольку \ (I = \ dfrac {\ Delta Q} {\ Delta t} \), мы видим, что ампер определяется как один кулон заряда, проходящий через заданную область в секунду:

\ [1 A \ Equiv 1 \ dfrac {C} {s}. \]

Мгновенный электрический ток, или просто электрический ток , является производной по времени протекающего заряда и определяется путем принятия предела среднего электрического тока как \ (\ Delta t \ rightarrow 0 \).{18} \) электроны, текущие через область A каждую секунду.

выращивание среднего тока

Основное назначение аккумулятора в легковом или грузовом автомобиле — запускать электрический стартер , который запускает двигатель. Для запуска двигателя требуется большой ток, подаваемый аккумулятором. После запуска двигателя устройство, называемое генератором переменного тока, берет на себя подачу электроэнергии, необходимой для работы транспортного средства и зарядки аккумулятора.

  1. Какой средний ток включается, когда аккумулятор грузовика приходит в движение? 720 C заряда за 4?00 с при запуске двигателя?
  2. Сколько времени требуется 1,00 C для заряда аккумулятора?

Стратегия

Мы можем использовать определение среднего тока в уравнении \ ref {Iave}, чтобы найти средний ток в части (а), поскольку даны заряд и время. Что касается части (b), когда мы знаем средний ток, мы используем уравнение \ ref {Iave}, чтобы найти время, необходимое для того, чтобы заряд 1,00 C прошел от батареи.

Решение

а.Ввод данных значений заряда и времени в определение тока дает

\ [\ begin {align *} I & = \ dfrac {\ Delta Q} {\ Delta t} \\ [5pt] & = \ dfrac {720 \, C} {4.00 \, s} \\ [5pt] & = 180 \, C / s \\ [5pt] & = 180 \, A. \ end {align *} \]

г. Решение зависимости \ (I = \ dfrac {\ Delta Q} {\ Delta t} \) для времени \ (\ Delta t \) и ввод известных значений заряда и тока дает

\ [\ begin {align *} \ Delta t & = \ dfrac {\ Delta Q} {I} \\ [5pt] & = \ dfrac {1. {- t / \ tau}) \).Здесь \ (Q_M \) — это заряд после длительного периода времени, когда время приближается к бесконечности, в кулонах, а \ (\ tau \) — это постоянная времени в секундах (Рисунок \ (\ PageIndex {2 } \)). Какой ток в проводе?

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): график движения заряда через поперечное сечение провода во времени.

Стратегия

Ток через поперечное сечение можно найти из \ (I = \ dfrac {dQ} {dt} \). Обратите внимание на рисунок, что заряд увеличивается до \ (Q_M \), а производная уменьшается, приближаясь к нулю с увеличением времени (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)).{-t / \ tau}. \ end {align *} \]

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): График изменения тока, протекающего по проводу, с течением времени.

Значение

Ток через рассматриваемый провод уменьшается экспоненциально, как показано на Рисунке \ (\ PageIndex {3} \). В следующих главах будет показано, что ток, зависящий от времени, появляется, когда конденсатор заряжается или разряжается через резистор. Напомним, что конденсатор — это устройство, накапливающее заряд. Вы узнаете о резисторе в разделе «Модель проводимости в металлах».

Упражнение \ (\ PageIndex {1A} \)

В портативных калькуляторах

часто используются небольшие солнечные элементы для обеспечения энергии, необходимой для выполнения расчетов, необходимых для сдачи следующего экзамена по физике. Ток, необходимый для работы вашего калькулятора, может составлять всего 0,30 мА. Сколько времени потребуется, чтобы заряд 1,00 C потек из солнечных элементов? Можно ли использовать солнечные элементы вместо батарей для запуска традиционных двигателей внутреннего сгорания, которые в настоящее время используются в большинстве легковых и грузовых автомобилей?

Ответ

Время для 1.3 \, с. \]

Это чуть меньше часа. Это сильно отличается от 5,55 мс для аккумулятора грузовика. Калькулятор требует очень мало энергии для работы, в отличие от стартера грузовика. Есть несколько причин, по которым в автомобилях используются батареи, а не солнечные элементы. Помимо очевидного факта, что источник света для запуска солнечных элементов в автомобиле или грузовике не всегда доступен, большое количество тока, необходимого для запуска двигателя, не может быть легко обеспечено современными солнечными элементами.Солнечные элементы могут быть использованы для зарядки батарей. Зарядка аккумулятора требует небольшого количества энергии по сравнению с энергией, необходимой для работы двигателя и других аксессуаров, таких как обогреватель и кондиционер. Современные автомобили на солнечных батареях питаются от солнечных батарей, которые могут приводить в действие электродвигатель вместо двигателя внутреннего сгорания.

Упражнение \ (\ PageIndex {1B} \)

Автоматические выключатели

в доме имеют номинал в амперах, обычно в диапазоне от 10 до 30 ампер, и используются для защиты жителей от повреждений, а их электроприборы — от повреждений из-за больших токов.Один автоматический выключатель на 15 А можно использовать для защиты нескольких розеток в гостиной, а один автоматический выключатель на 20 А можно использовать для защиты холодильника на кухне. Что вы можете сделать из этого о токе, используемом различными приборами?

Ответ

Суммарный ток, необходимый всем приборам в гостиной (несколько ламп, телевизор и ваш ноутбук), потребляет меньше тока и потребляет меньше энергии, чем холодильник.

Ток в цепи

В предыдущих параграфах мы определили ток как заряд, который проходит через площадь поперечного сечения в единицу времени. Для прохождения заряда через устройство, такое как фара, показанная на рисунке \ (\ PageIndex {4} \), должен быть полный путь (или цепь ) от положительной клеммы к отрицательной. Рассмотрим простую схему автомобильного аккумулятора, выключателя, лампы фары и проводов, обеспечивающих ток между компонентами.Для того, чтобы лампа загорелась, должен быть полный путь прохождения тока. Другими словами, заряд должен иметь возможность покинуть положительную клемму батареи, пройти через компонент и вернуться к отрицательной клемме батареи. Переключатель предназначен для управления цепью. На части (а) рисунка показана простая схема автомобильного аккумулятора, выключателя, токопроводящей дорожки и лампы фары. Также показана схема схемы [часть (b)]. Схема — это графическое представление схемы, которое очень полезно для визуализации основных характеристик схемы.На схемах используются стандартные символы для обозначения компонентов в цепях и сплошные линии для обозначения проводов, соединяющих компоненты. Батарея показана в виде серии длинных и коротких линий, представляющих историческую гальваническую батарею. Лампа изображена в виде круга с петлей внутри, что представляет собой нить накаливания. Переключатель показан в виде двух точек с проводящей полосой для соединения этих двух точек, а провода, соединяющие компоненты, показаны сплошными линиями. Схема в части (c) показывает направление тока, когда переключатель замкнут.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): (а) Простая электрическая схема фары (лампы), батареи и переключателя. Когда переключатель замкнут, непрерывный путь для прохождения тока обеспечивается проводящими проводами, соединяющими нагрузку с выводами батареи. (b) На этой схеме батарея представлена ​​параллельными линиями, которые напоминают пластины в оригинальной конструкции батареи. Более длинные линии указывают на положительный вывод. Проводящие провода показаны сплошными линиями. Переключатель показан в разомкнутом положении в виде двух клемм с линией, представляющей токопроводящую шину, которая может контактировать между двумя клеммами.Лампа представлена ​​кругом, охватывающим нить накаливания, как если бы это была лампа накаливания. (c) Когда переключатель замкнут, цепь замыкается, и ток течет от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи.

Когда переключатель замкнут, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4c} \), существует полный путь для прохождения зарядов от положительной клеммы аккумулятора через переключатель, затем через фару и обратно к отрицательной клемме. батареи. Обратите внимание, что направление тока — от положительного к отрицательному.Направление обычного тока всегда представлено в том направлении, в котором будет течь положительный заряд, от положительного вывода к отрицательному.

Обычный ток течет от положительной клеммы к отрицательной, но в зависимости от реальной ситуации положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое могут перемещаться. В металлических проводах, например, ток переносится электронами, то есть движутся отрицательные заряды. В ионных растворах, таких как соленая вода, перемещаются как положительные, так и отрицательные заряды.То же самое и с нервными клетками. Генератор Ван де Граафа, используемый для ядерных исследований, может производить ток чисто положительных зарядов, таких как протоны. В ускорителе Тэватрон в Фермилабе, до его закрытия в 2011 году, сталкивались пучки протонов и антипротонов, движущихся в противоположных направлениях. Протоны положительны, и поэтому их ток в том же направлении, в котором они движутся. Антипротоны заряжены отрицательно, и, следовательно, их ток идет в направлении, противоположном направлению движения реальных частиц.

Более пристальный взгляд на ток, протекающий по проводу, показан на рисунке \ (\ PageIndex {5} \). На рисунке показано движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток считается направленным в направлении протекания положительного заряда, можно проследить до американского ученого и государственного деятеля Бенджамина Франклина 1700-х годов. Не зная о частицах, составляющих атом (а именно о протоне, электроне и нейтроне), Франклин полагал, что электрический ток течет от материала, который имеет больше «электрической жидкости», и к материалу, который имеет меньше этого «электрического флюида». электрическая жидкость.Он ввел термин положительный для материала, в котором больше этой электрической жидкости, и отрицательный для материала, в котором отсутствует электрическая жидкость. Он предположил, что ток будет течь от материала с большим количеством электрической жидкости — положительного материала — к отрицательному материалу, в котором меньше электрической жидкости. Франклин назвал это направление тока положительным током. Это было довольно продвинутое мышление для человека, который ничего не знал об атоме.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Ток I — это скорость, с которой заряд движется через область A , такую ​​как поперечное сечение провода.Обычный ток определяется движением в направлении электрического поля. (а) Положительные заряды движутся в направлении электрического поля, которое совпадает с направлением обычного тока. (б) Отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Обычный ток идет в направлении, противоположном движению отрицательного заряда. Поток электронов иногда называют электронным потоком.

Теперь мы знаем, что материал является положительным, если в нем больше протонов, чем электронов, и отрицательным, если в нем больше электронов, чем протонов.В проводящем металле ток в основном возникает из-за того, что электроны текут от отрицательного материала к положительному, но по историческим причинам мы рассматриваем положительный ток, и ток, как показано, течет от положительного вывода батареи к положительному. отрицательный терминал.

Важно понимать, что электрическое поле присутствует в проводниках и отвечает за производство тока (Рисунок \ (\ PageIndex {5} \)). В предыдущих главах мы рассматривали случай статического электричества, когда заряды в проводнике быстро перераспределяются по поверхности проводника, чтобы нейтрализовать внешнее электрическое поле и восстановить равновесие.В случае электрической цепи заряды никогда не достигают равновесия с помощью внешнего источника электрического потенциала, такого как батарея. Энергия, необходимая для перемещения заряда, обеспечивается электрическим потенциалом от батареи.

Хотя электрическое поле отвечает за движение зарядов в проводнике, работа, совершаемая над зарядами электрическим полем, не увеличивает кинетическую энергию зарядов. Мы покажем, что электрическое поле отвечает за поддержание движения электрических зарядов с «дрейфовой скоростью».”

Авторы и авторство

  • Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *