Глава 13. Постоянный электрический ток

46

§ 13.1 Электрический ток и его характеристики

Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов (рис.13.1). Сами эти частицы называются носителями тока.

Ток может идти в твёрдых телах, жидкостях и газах. Если среда является проводником с большим количеством свободных электронов, то течение электрического тока осуществляется за счёт дрейфа этих электронов. Дрейф электронов в проводниках, не связанный с перемещением вещества, называют током проводимости. К току проводимости относится упорядоченное движение электронов в проводниках, ионов в электролитах, электронов и дырок в полупроводниках, ионов и электронов в газах. Упорядоченное перемещение электрических зарядов, связанное с перемещением в пространстве заряженного тела, называют конвекционным током.

За направление тока

принят дрейф положительных зарядов (электроны проводимости всегда движутся в направлении, противоположном направлению тока (от «+» к «-»)). Это может показаться неудобным, но зато теперь не нужно различать направление тока в проводнике и электростатического поля, вызывающего этот ток: эти направления всегда совпадают.

Сила тока – скалярная величина, равная отношению количества электричества dq, которое за время dt переносится через данное сечение проводника, ко времени dt:

(13.1)

Постоянным током называют электрический ток, сила и направление которого с течением времени не изменяются. Для постоянного тока

где q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника.

Единица силы тока – ампер (А).

Определим скорость, с которой осуществляется дрейф электронов в проводнике с током.

Путь за время Δt через сечение проводника S прошло N электронов с суммарным зарядом Δq = Nе. Если скорость направленного движения электронов равна υ, то за время Δt все они окажутся в пределах участка длиной ℓ = υ Δt и объёмом V=Sℓ. Таким образом,

(13.2)

выразив здесь число носителей тока через их концентрацию (N = nV= nSℓ)

Отношение силы тока І к площади поперечного сечения проводника S, перпендикулярного направленню тока – есть векторная величина называемая плотностью тока.

(13.3)

Тогда скорость электронов в проводнике можно записать

, отсюда

Плотность тока может быть вычислена по формуле

j = ne‹υ› (13.4)

Таким образом, плотность тока в проводнике пропорциональна концентрации свободных электронов в нём и скорости их движения.

Вектор j направлен вдоль направления тока, т.е. совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов.

Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора j, т.е.

(13.5)

где dS = n∙dS (n = единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с вектором j угол α ).

Электрическое поле постоянного тока называется стационарным. В отличии от электростатического поля стационарное электрическое поле создаётся движущимися зарядами. Однако распределение этих зарядов в проводнике с постоянным током не меняется со временем: на место уходящих электрических зарядов непрерывно приходят новые. Поэтому электрическое поле, создаваемое этими зарядами, оказывается почти таким же, как и поле неподвижных зарядов.

Отличаются же они тем, что электростатическое поле внутри проводника отсутствует, в то время как стационарное поле постоянных токов существует и внутри проводников (иначе по ним не шёл бы ток).

§6. Основные характеристики постоянного электрического тока

Рассмотрим проводящую среду, в которой созданы условия для возникновения направленного движения свободных электрических зарядов, т.е. электрического тока проводимости. Предположим, что свободные носители тока имеют положительный заряд (рис. 6.1).

Свободные электрические заряды со средней скоростью упорядоченного движения перемещаются вдоль условных линий, которые называются линиями тока. Часть проводящей среды, ограниченной цилиндрической поверхностью, образованной линиями тока, называется трубкой тока. Трубкой тока, в частности, может быть обычный металлический проводник осветительной сети.

Через поперечное сечение S трубки тока за некоторый промежуток времени dt переносится заряд dq. Заряд, прошедший через поперечное сечение трубки тока в единицу времени, является интегральной количественной характеристикой электрического тока и называется силой тока

(6.1)

Сила тока I — скалярная величина, измеряемая в системе SI в «Амперах». Сила тока в 1 А обеспечивает протекание через поперечное сечение S 1 Кл электрического заряда за 1 секунду. Производные единицы силы тока приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1

1 кА = 103А

1 мА = 10-3А

1 мкА = 10-6А

Для измерения силы тока используются приборы, которые называются амперметрами.

Локальной характеристикой тока проводимости является векторная физическая величина — плотность тока. Рассмотрим элемент трубки тока в виде цилиндра, высота которого равна

Vdt (рис. 6.2).

Плотность тока – определяется количеством электрического заряда, прошедшего в единицу времени через единичное поперечное сечение, перпендикулярное направлению движения заряженных частиц

(6.2)

где – единичный вектор нормали к поверхности dS.

Если постоянный электрический ток возникает в проводниках 1-го рода, то заряд

dq, прошедший через поперечное сечение dS за время dt, будет равен суммарному заряду свободных зарядов (электронов) в объеме цилиндра высотой V^.dt и сечением dS (рис. 6.2):

(6.3)

где n – концентрация свободных зарядов,

e – заряд электрона.

Подставив (6.3) в (6.2), получим:

(6.4)

где

Плотность тока характеризует ток проводимости в любой точке проводящей среды. Если проводящая среда электрически однородна, то плотность тока во всех точках сечения трубки тока (проводника) одинакова. Если среда по своим проводящим свойствам не однородна, то зная распределение плотности тока по сечению S можно найти силу тока в сечении S:

(6.5)

где (рис. 6.3).

Сила и плотность постоянного электрического тока не изменяются во времени. Это позволяет определить условия постоянства тока следующим образом:

(6.6)

В более общем случае условие стационарности тока можно получить из уравнения непрерывности.

Рассмотрим некоторую область V проводящей среды, в которой находится избыточный заряд q. Через поверхность S, ограничивающую область избыточного заряда, будет протекать ток i. Воспользовавшись определением силы тока (6.1) и соотношением (6.5), можно записать:

Если рассматриваемый объем стягивать в точку (V  0), то получим:

где _q — объемная плотность заряда в заданной точке.

Выражение

(6.7)

называется уравнением непрерывности. Уравнение непрерывности выражает в дифференциальной форме закон сохранения заряда. Если в рассматриваемой точке объемная плотность заряда не изменяется, то _q = const и можно записать:

(6.8)

т.к. ∂_q/∂t = 0. Это выражение является необходимым и достаточным условием стационарности (постоянства) тока во всех точках среды, где оно выполняется. Уравнение (6.8) математически отражает тот факт, что в рассматриваемой точке нет источников и нет стоков электрических зарядов.

В интегральной форме условие стационарности тока можно представить в виде

(6.9)

Смысл этого выражения в том, что ток, протекающий через любую замкнутую поверхность S постоянен, если величина входящего внутрь поверхности потока вектора равна выходящему потоку.

Основные характеристики электрического тока — Мегаобучалка

Закон Ома для участка цепи.

В 1826 году немецкий физик Георг Ом экспериментально установил, что I ~ U; I ~

I I

U = const

R = const

 

U R

Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R.

I =

Электродвижущая сила.

Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем.

Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических зарядов.

Сторонние силы — любые силы, действующие на электрические заряженные частицы, за исключение сил, электростатического происхождения (т.е. кулоновских).

ЭДС – электродвижущая сила – физическая величина, определяемая работой , совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда от «+» полюса к «-» полюсу внутри источника тока. Является энергетической характеристикой источника тока. =В

Закон Ома для полной цепи.

Сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи: I =

где: – ЭДС источника тока

R – внешнее сопротивление цепи

r — внутреннее сопротивление цепи

А_ст = eIDt А_ст = Q ε = IR + Ir = U_внеш.+ U_ист. η_ист. =

ЭДС равно сумме падения напряжений на внешнем и внутреннем участках замкнутой цепи.

Частный случай — короткое замыкание, когда R = 0 , I_к.з. =

Основные характеристики электрического тока.

Виды соединений источников тока:

Условия существования постоянного электрического тока.

 

Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.

Источник тока — устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля. В источнике тока на заряженные частицы в замкнутой цепи действуют сторонние силы. Причины возникновения сторонних сил в различных источниках тока различны. Например в аккумуляторах и гальванических элементах сторонние силы возникают благодаря протеканию химических реакций, в генераторах электростанций они возникают  при движении проводника в магнитном поле, в фотоэлементах — при действия света на электроны в металлах и полупроводниках.

Электродвижущей силой источника тока называют отношение работы сторонних сил к величине положительного заряда, переносимого от отрицательного полюса источника тока к положительному.

 

Основные понятия.

 

Сила тока — скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через проводник, ко времени, за которое этот заряд прошел.

где I — сила тока, q — величина заряда (количество электричества), t — время прохождения заряда.

Плотность тока — векторная физическая величина, равная отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.

где j —плотность тока,  S — площадь сечения проводника.

Направление вектора плотности тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

Напряжение — скалярная физическая величина, равная отношению полной работе кулоновских и сторонних сил при перемещении положительного заряда на участке к значению этого заряда.

где A — полная работа сторонних и кулоновских сил,  q — электрический заряд.

Электрическое сопротивление — физическая величина, характеризующая  электрические свойства участка цепи.

где ρ — удельное сопротивление проводника, l — длина участка проводника,  S — площадь поперечного сечения проводника.

 

Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где  G — проводимость.

 

 

Законы Ома.

 

Закон Ома для однородного участка цепи.

Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении участка  и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении.

где U — напряжение на участке,  R — сопротивление участка.

 

 

Закон Ома для произвольного участка цепи, содержащего источник постоянного тока.

где   φ₁ — φ₂ + ε = U напряжение на заданном участке цепи, R — электрическое сопротивление  заданного участка цепи.

 

 

Закон Ома для полной цепи.

Сила тока в полной цепи равна отношению электродвижущей силы источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участка цепи.

где R — электрическое сопротивление внешнего участка цепи,  r — электрическое сопротивление внутреннего участка цепи.

 

Короткое замыкание.

Из закона Ома для полной цепи следует, что сила тока в цепи  с заданным источником тока зависит только от сопротивления внешней цепи R.

Если к полюсам источника тока подсоединить проводник с сопротивлением  R<< r, то тогда только  ЭДС источника тока и его сопротивление будут определять  значение силы тока в цепи. Такое значение силы тока будет являться предельным для данного источника тока и называется током короткого замыкания. 

Электродвижущая сила. Любой источник тока характеризуется электродвижущей силой, или, сокращенно, ЭДС. Так, на круглой батарейке для карманного фонарика написано: 1,5 В. Что это значит?    Соедините проводником два металлических шарика, несущих заряды противоположных знаков. Под влиянием электрического поля этих зарядов в проводнике возникает электрический ток (рис.15.7). Но этот ток будет очень кратковременным. Заряды быстро нейтрализуют друг друга, потенциалы шариков станут одинаковыми, и электрическое поле исчезнет.

   Сторонние силы. Для того чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды, кроме электрических сил, должны действовать силы неэлектростатического происхождения (рис.15.8). Одно лишь электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный ток в цепи.

   Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т. е. кулоновских), называют сторонними силами.    Вывод о необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи станет еще очевиднее, если обратиться к закону сохранения энергии. Электростатическое поле потенциально. Работа этого поля при перемещении в нем заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — проводник нагревается. Следовательно, в цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий ее в цепь. В нем, помимо кулоновских сил, обязательно должны действовать сторонние, непотенциальные силы. Работа этих сил вдоль замкнутого контура должна быть отлична от нуля. Именно в процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока энергию и отдают ее затем проводникам электрической цепи.    Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: в генераторах на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.    При замыкании цепи создается электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле (см. рис.15.8).    Природа сторонних сил. Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторонние силы — это силы, действующие со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике.    В гальваническом элементе, например элементе Вольта, действуют химические силы. Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещенных в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. (Медь очень мало растворяется в серной кислоте.) Между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая и обусловливает ток в замкнутой электрической цепи.    Электродвижущая сила. Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращенно ЭДС).   Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к величине этого заряда:

   Электродвижущую силу, как и напряжение, выражают в вольтах.    Можно говорить также об электродвижущей силе и на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке. Электродвижущая сила гальванического элементаесть величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории перемещения зарядов. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока вне самого источника равна нулю.    Теперь вы знаете, что такое ЭДС. Если на батарейке написано 1,5 В, то это означает, что сторонние силы (химические в данном случае) совершают работу 1,5 Дж при перемещении заряда в 1 Кл от одного полюса батарейки к другому. Постоянный ток не может существовать в замкнутой цепи, если в ней не действуют сторонние силы, т. е. нет ЭДС.

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ

Включим в электрическую цепь в качестве нагузки ( потребителей тока) две лампы накаливания, каждая из которых обладает каким-то определенным сопротивлением, и каждую из которых  можно заменить проводником с таким же сопротивлением.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Расчет параметров электрической цепи  при последовательном соединении сопротивлений:

1. сила тока во всех последовательно соединенных участках цепи одинакова 2. напряжение в цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных участков,  равно сумме напряжений на каждом участке 3.сопротивление цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных участков,  равно сумме сопротивлений каждого участка

4. работа электрического тока в цепи, состоящей из последовательно соединенных участков, равна сумме работ на отдельных участках

А = А1 + А2 5. мощность электрического тока в цепи, состоящей из последовательно соединенных участков, равна сумме мощностей на отдельных участка

Р = Р1 + Р2

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

 

Расчет параметров электрической цепи при параллельном соединении сопротивлений:

1. сила тока в неразветвленном участке цепи равна сумме сил токов во всех параллельно соединенных участках

2. напряжение на всех параллельно соединенных участках цепи одинаково

  3. при параллельном соединении сопротивлений складываются величины, обратные сопротивлению :

( R — сопротивление проводника, 1/R — электрическая проводимость проводника)

Если в цепь включены параллельно только два сопротивления, то:

( при параллельном соединении общее сопротивление цепи меньше меньшего из включенных сопротивлений )

4. работа электрического тока в цепи, состоящей из параллельно соединенных участков,  равна сумме работ на отдельных участках: A=A1+A2 5. мощность электрического тока в цепи, состоящей из параллельно соединенных участков,  равна сумме мощностей на отдельных участках: P=P1+P2

Для двух сопротивлений:  т.е. чем больше сопротивление, тем меньше в нём сила тока.

Закон Джоуля-Ленца — физический закон, который позволяет определить тепловое дествие тока в цепи, по этому закону: , где I — сила тока в цепи, R — сопротивление, t — время. Данная формула была вычесленена путём создания цепи: гальванический эллемент (батарейка), резистор и амперметр. Резистор окунали в жидкость, в которую вставляли термометр и мерили темпиратуру. Вот так они и вывели свой закон и навсегда себя впечатали в историю, но даже без их опытов можно было вывести этот же закон:

U=A/q   A=U*q=U*I*t=I^2*R*t   но даже не смотря на это честь и хвала этим людям.

Закон Джоуля Ленца определяет выделенное количество тепла на участке электрической цепи обладающей конечным сопротивлением при прохождении тока через нее. Обязательным условием является тот факт, что на этом участке цепи должны отсутствовать химические превращения.

РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Работа электрического тока показывает, какая работа была совершена электрическим полем при перемещении зарядов по проводнику.

Зная две формулы: I = q/t ….. и ….. U = A/q  можно вывести формулу для расчета работы электрического тока: Работа электрического тока равна произведению силы тока на напряжение и на время протекания тока в цепи.

Единица измерения работы электрического тока в системе СИ: [ A ] = 1 Дж = 1A. B . c

НАУЧИСЬ, ПРИГОДИТСЯ !  При расчетах работы электрического тока часто применяется  внесистемная кратная единица работы электрического тока: 1 кВт.ч (киловатт-час).

1 кВт.ч = ………..Вт.с = 3 600 000 Дж

В каждой квартире для учета израсходованной электроэнергии устанавливаются специальные приборы-счетчики электроэнергии, которые показывают работу электрического тока,  совершенную за какой-то отрезок времени при включении различных бытовых электроприборов.  Эти счетчики показывают работу электрического тока ( расход электроэнергии) в «кВт.ч».

Необходимо научиться рассчитывать стоимость израсходованной электроэнергии! Внимательно разбираемся в решении задачи на странице 122 учебника (параграф 52) ! 

МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Мощность электрического тока показывает работу тока, совершенную в единицу времени и равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена.

(мощность в механике принято обозначать буквой N, в электротехнике — буквой Р) так как А = IUt, то мощность электрического тока равна:

или 

Единица мощности электрического тока в системе СИ:

[ P ] = 1 Вт (ватт) = 1 А . B

 Законы Кирхгофа – правила, которые показывают, как соотносятся токи и напряжения в электрических цепях.Эти правила были сформулированы Густавом Кирхгофом в 1845 году. В литературе часто называют законами Кирхгофа, но это не верно, так как они не являются законами природы, а были выведены из третьего уравнения Максвелла при неизменном магнитном поле. Но все же, первое более привычное для них название, поэтому и мы будет их называть, как это принято в литературе – законы Кирхгофа.

   Первый закон Кирхгофа – сумма токов сходящихся в узле равна нулю. 

       Давайте разбираться. Узел это точка, соединяющая ветви. Ветвью называется участок цепи между узлами. На рисунке видно, что ток i входит в узел, а из узла выходят токи i₁ и i₂. Составляем выражение по первому закона Кирхгофа, учитывая, что токи, входящие в узел имеют знак плюс, а токи, исходящие из узла имеют знак минус i-i₁-i₂=0. Ток i как бы растекается на два тока поменьше и равен сумме токов i₁ и i₂ i=i₁+i₂. Но если бы, например, ток i₂входил в узел, тогда бы ток I определялся как i=i₁-i₂. Важно учитывать знаки при составлении уравнения.

   Первый закон Кирхгофа это следствие закона сохранения электричества: заряд, приходящий к узлу за некоторый промежуток времени, равен заряду, уходящему за этот же интервал времени от узла, т.е. электрический заряд в узле не накапливается и не исчезает.

    Второй закон Кирхгофа – алгебраическая сумма ЭДС, действующая в замкнутом контуре, равна алгебраической сумме падений напряжения в этом контуре. 

 Напряжение выражено как произведение тока на сопротивление (по закону Ома). 

 

  В этом законе тоже существуют свои правила по применению. Для начала нужно задать стрелкой направление обхода контура. Затем просуммировать ЭДСи напряжения соответственно, беря со знаком плюс, если величина совпадает с направлением обхода и минус, если не совпадает. Составим уравнение по второму закону Кирхгофа, для нашей схемы. Смотрим на нашу стрелку, E₂ и Е₃совпадают с ней по направлению, значит знак плюс, а Е₁ направлено в противоположную сторону, значит знак минус. Теперь смотрим на напряжения, ток I₁ совпадает по направлению со стрелкой, а токи I₂ и I₃ направлены противоположно. Следовательно:

              -E₁+E₂+E₃=I₁R₁-I₂R₂-I₃R₃

   На основании законов Кирхгофа составлены методы анализа цепейпеременного синусоидального тока. Метод контурных токов – метод основанный на применении второго закона Кирхгофа и метод узловых потенциаловоснованный на применении первого закона Кирхгофа.

Лекция 5. Постоянный электрический ток

Постоянный электрический ток. Основные действия и условия существования постоянного тока. Основные характеристики постоянного электрического тока: величина /сила/ тока, плотность тока. Сторонние силы. Электродвижущая сила, напряжение и разность потенциалов. Их физический смысл. Связь между ЭДС, напряжением и разностью потенциалов.

5.1. Постоянный электрический ток. Основные действия и условия существования постоянного тока

Электрическим током называют всякое упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрический ток, возникающий в проводниках под влиянием электрического поля и представляющий собой частично упорядоченное движение электронов или ионов относительно проводника под влиянием электрического поля, называют током проводимости.

Ток проводимости может существовать как в проводниках первого рода (металлах, графите, некоторых электронных полупроводниках и т.д.), так и в проводниках второго рода (электролитах, расплавах солей, щелочей и т. д.).

О наличии тока в проводниках судят по его действиям на окружающую среду. Основными действиями электрического тока являются:

а) возникновение вокруг проводников с током магнитного поля;

б) выделение в проводниках тепла;

в) биологическое.

Так как перемещение электрических зарядов происходит под действием электрического поля, то одним из основных условий существования тока проводимости в проводниках является наличие в них электрического поля. Следовательно, для увеличения времени существования электрического тока проводимости в проводниках необходимо поддерживать в них существование электрического поля, что возможно при создании на концах проводников разности потенциалов.

Надо отметить, что электрический ток можно получить, если перемещать в пространстве какие-либо заряженные тела. Такой ток называют конвекционным.

5.2. Основные характеристики постоянного электрического тока: величина /сила/ тока, плотность тока. Сторонние силы

Скалярная физическая величина, которая показывает, какой заряд переносится носителями через рассматриваемую поверхность (например, через поперечное сечение проводника) в единицу времени, называется величиной (силой) тока:

. (5.1)

В системе СИ сила тока измеряется в амперах (А). Ампер — это сила такого электрического тока, который, проходя по двум прямолинейным бесконечным проводникам, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга, вызывает на каждом участке длиной 1 м силу взаимодействия 210^-7 Н.

Векторная физическая величина, численно равная силе тока через площадку dS, перпендикулярную направлению движения электрических зарядов (электрического тока), называется плотностью тока:

. (5.2)

Плотность тока – векторная величина. За направление вектора плотности электрического тока j принимается направление вектора скорости упорядоченного движения положительных зарядов.

Зная вектор плотности тока j в любой точке проводника, можно определить величину тока через любую поверхность:

, (5.3)

где j_n = jcos – проекция вектора плотности тока на направление тока;

 – угол между векторами j и n (положительной нормали к площадке dS).

Таким образом, сила тока через какую-либо поверхность является потоком вектора плотности тока через поверхность.

Если имеется некоторый объем проводника V, ограниченный поверхностью S, то выражение определяет заряд, выходящий из объема V в единицу времени. При этом скорость убывания заряда, находящегося в данном объеме (на основании закона сохранения заряда),

, (5.4)

где .

Подставляя значение заряда в формулу (5.4) получим

или

. (5.5)

Преобразуем левую часть выражения (5.5) по теореме Остроградского-Гаусса ():

. (5.6)

Следовательно, имеем

.

Откуда

. (5.7)

Соотношение (5.7) является уравнением непрерывности для вектора плотности электрического тока. Оно выражает закон сохранения электрических зарядов.

Уравнение непрерывности вектора плотности электрического тока позволяет ввести (по аналогии с линиями вектора напряженности электрического поля E) линии вектора плотности электрического тока. Так как для стационарного (постоянного) тока

, (5.8)

то можно утверждать, что линии вектора плотности электрического тока всегда замкнуты (рис. 5.1).

При наличии тока в проводнике j 0 и, следовательно, E  0. Таким образом, внутри проводника с током имеется электрическое поле (в электростатике поле внутри проводника нет). Кроме того, плотность постоянного тока по сечению проводника распределена неравномерно.

Вблизи поверхности проводника плотность тока может быть направлена только по касательной к поверхности проводника. Это означает, что и напряженность электрического поля E вблизи поверхности проводника направлена по касательной к его поверхности. Что касается эквипотенциальных поверхностей, то они перпендикулярны поверхности проводника. При этом эквипотенциальные поверхности изогнутых проводников не могут находиться на неизменном расстоянии друг от друга во всех точках проводника. Например, в кольцевом проводнике круглого сечения расстояние между эквипотенциальными поверхностями на внутренней части кольца меньше, чем на внешней. Так как расстояние между соседними эквипотенциальными поверхностями изменяется, то изменяется и напряженность электрического поля в соответствующих точках эквипотенциальных поверхностей. А это и означает, что плотность тока в однородных проводниках изменяется по сечению.

Надо отметить, что в круговом проводнике цилиндрической формы бесконечной длины (в линейном проводнике) эквипотенциальные поверхности внутри проводника представляют собой плоскости, перпендикулярные оси проводника. Поэтому по сечению такого проводника плотность электрического тока и напряженность электрического поля постоянны.

Таким образом, вблизи поверхности вне проводника имеется электрическое поле, тангенциальная составляющая вектора напряженности E_ которого равна тангенциальной составляющей вектора напряженности электрического поля внутри проводника (рис. 5.2).

В однородных проводниках первого рода источником электрического поля являются поверхностные заряды. Поверхностная плотность этих зарядов

, (5.9)

где E_n – нормальная составляющая вектора напряженности электрического поля вблизи его поверхности.

Вобщем случае силовые линии электрического поля – не касательные к поверхности проводника. Это означает, что наряду с тангенциальной составляющей вектора напряженности электрического поля вблизи поверхности проводника имеется также нормальная составляющая вектораE (рис. 5.3). При этом внутри проводника E_n = 0. Поверхностная плотность электрических зарядов на различных участках проводника может быть как положительной, так и отрицательной.

В неоднородных проводниках проводимость проводников может изменяться от точки к точке в объеме проводника. В стационарном случае , а, где объемная плотность зарядов, равная сумме объемной плотности свободных зарядов₁ и объемной плотности связанных зарядов _св,

.

Тогда

, (5.10)

где  – удельная проводимость проводника.

Учитывая выражение , имеем

. (5.11)

Направляя ось X вдоль прямолинейного участка проводника и считая, что его свойства изменяются только в этом направлении, формулу (5.11) можно переписать в виде

. (5.12)

Если проводимость проводника уменьшается в направлении тока проводимости, то объемная плотность заряда положительна. Это связано с тем, что при постоянной площади сечения проводника плотность тока должна быть постоянной, поэтому для поддержания постоянства тока необходимо увеличивать напряженность электрического поля. Увеличение напряженности электрического поля обеспечивается объемными положительными зарядами.

Аналогично можно объяснить возникновение отрицательных объемных зарядов при увеличении проводимости проводника в направлении тока.

Ток, не изменяющийся по величине и направлению с течением времени, называют постоянным.

Для постоянного электрического тока

; . (5.13)

Существование постоянного тока в проводниках возможно при наличии сторонних сил, которые не могут иметь электростатическое происхождение. Это связано с тем, что электростатическое поле является потенциальным. Следовательно, работа, совершаемая электростатическими силами по замкнутому контуру, в котором существует ток, равна нулю, т. е. при этих условиях существование электрического тока в проводнике невозможно, так как он должен совершать работу по преодолению электрического сопротивления проводника. Существование тока в проводниках доказывает, что сторонние силы имеют не электростатическое происхождение.

Сторонние силы могут быть любой природы, например механической или электрической (сила, действующая на заряд в электрическом поле, возникающем по закону электромагнитной индукции).

Схема простейшего источника тока, в котором сторонняя сила (сторонняя ЭДС) имеет механическое происхождение, представлена на рисунке 5.4.

Между электродами А и В имеется нейтральна среда с равным числом положительных и отрицательных зарядов. Сторонняя сила неэлектростатического происхождения перемещает положительные заряды к электроду В, а отрицательные – к электроду А. В результате этого электрод А заряжается отрицательно, а электрод В — положительно. Во внешней цепи от В к А течет электрический ток, совершающий соответствующую работу. Необходимая для этого энергия сообщается системе сторонними силами, которые совершают работу по разделению электрических зарядов между электродами А и В и доставку этих зарядов на электроды против сил электрического поля с напряженностью E, существующего между электродами. Ток между электродами А и В внутри источника замыкает ток во внешней цепи. Если направление тока рассматривать относительно электродов, то во внешней цепи ток течет от положительного электрода к отрицательному электроду, а внутри источника – от отрицательного электрода к положительному.

Таким образом, сторонние силы разделяют электрические заряды в источниках тока, действуют против кулоновских сил, связывающих разноименные заряды, и характеризуются той работой, которую способны совершить против сил электрического поля внутри источника и против механических сил сопротивления в источнике:

, (5.14)

где A_ст – работа сторонних сил;

A_ис – работа сторонних сил против механических сил сопротивления;

A^‘ – работа сторонних сил против кулоновских сил.

Выражение (5.14) отображает закон сохранения энергии для источника тока. Работа сторонних сил A_ис равна работе, совершаемой электрическими силами вне источника. Следовательно, источник тока является источником той энергии, которая выделяется во внешнем (по отношению к источнику) участке цепи, тем самым создает разность потенциалов на концах проводника. Для поддержания постоянной разности потенциалов в источнике тока должна непрерывно совершаться работа A_ис, которая компенсирует потерю энергии во внешней цепи.

Электрический ток. Физические характеристики электрического тока. Поражающее воздействие электрического тока на организм.

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 7Следующая ⇒

Электрический ток– это упорядоченное движение электрических зарядов. Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна разности потенциалов (т. е. напряжению на концах участка) и обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи.

Характер и глубина воздействия электрического тока на организм человека зависят от силы и рода тока, времени его действия, пути прохождения через тело человека, физического и психического состояния последнего.

Электрическая травма — результат действия на живой орга­низм технического (от силовой и осветительной сети) и атмо­сферного (молния) электричества.

Преимущественно эти несчастные случаи в быту и на произ­водстве встречаются вследствие нарушения техники безопасно­сти, технической неисправности электрооборудования, прибо­ров и электроаппаратуры, повреждения электроизоляции. Слу­чаи убийства и самоубийства электротоком редки.

Судебно-медицинская экспертиза проводится и в случаях необходимости определения степени утраты трудоспособности у лиц, пораженных электротоком.

Факторы и условия действия технического электричества на организм.Поражающее действие электротока на организм обу­словлено его физическими свойствами, условиями действия и состоянием организма.

Чаще поражение электротоком наступает вследствие прямого контакта с токонесущим объектом, реже — на небольшом рас­стоянии от источника тока (например, шаговое напряжение, действующее в зоне упавшего провода высоковольтной сети на расстоянии нескольких шагов).

Физические свойства электрического тока определяются его напряжением, силой, типом и частотой. Низкое напряжение то­ка — 110—220 В, высокое — свыше 250 В. На электрических железных дорогах напряжение достигает 1500—3000 В. Преиму­щественно наблюдаются случаи поражения током низкого на­пряжения, с которыми человек чаще контактирует в быту и на производстве.

Сила тока в 50 мА опасна для жизни, а свыше 80—100 мА — наступает смертельный исход.

По типу различают переменный и постоянный ток. Пораже­ние переменным током встречается чаще. Переменный ток на­пряжением до 500 В опаснее постоянного. Последний более вре­ден при напряжении свыше 5000 В.

Опасен переменный низкочастотный ток (40—60 колебаний в секунду). Токи, высокой частоты (от 10 тыс. до 1 млн ГЦ и боль­ше) не опасны для организма и применяются в медицинской практике при проведении физиотерапевтических процедур.

Приведенные цифры не абсолютны. Существенное значение имеют условия действия тока.

Условия действия тока. К ним относятся: величина сопро­тивления тканей тела, площадь и плотность контакта с элек­тропроводником, время воздействия тока, путь прохождения тока в теле.

Сопротивление тела обусловлено влажностью кожи, ее тол­щиной, кровенаполнением, состоянием внутренних органов.

Сопротивление кожи колеблется от 50 000 до 1 млн Ом. Резко снижается сопротивление влажной кожи. Плохо защи­щает от электротока влажная одежда. Сопротивление внутрен­них органов (особенно головного мозга и сердца) намного ни­же сопротивления кожи. Поэтому прохождение тока через ор­ганы с небольшим сопротивлением очень опасно, особенно при включении в электрическую цепь обеих рук, голова — ноги, левая рука — ноги.

Существует понятие о токоопасных помещениях — с повы­шенной влажностью (бани, умывальные комнаты, землянки и др.).

Чем плотнее контакт с токонесущим проводником и про­должительнее время воздействия тока, тем больше его пора­жающее действие.

Существенное значение имеет состояние организма. Сопро­тивление току снижено у детей и стариков, больных, утомлен­ных, находящихся в состоянии алкогольного опьянения.

Механизм действия электротока на организм. Электрический ток оказываеттепловое действие — от местных ожогов до обуг­ливания, механическое — повреждение тканей от судорожных сокращений мышц, при отбрасывании тела от проводника иэлектрическое — электролиз тканевых жидкостей.

При несмертельных повреждениях могут наблюдаться рас­стройства со стороны нервной системы (параличи), органов зрения и слуха. Иногда поражение электрическим током сопровож­дается глубокой потерей сознания.

Различают несколько типов наступления смерти при пора­жении электротоком:мнимая смерть; быстрая смерть; замед­ленная смерть, когда человек пытается освободиться от провод­ника, кричит; прерванная смерть, когда пострадавший освобож­дается от проводника, но вскоре умирает; смерть в поздний пери­одэлектротравмы. При этом мероприятия по оживлению про­должают до появления трупных пятен.

Признаки электротравмы. Специфическим признаком пора­жения электротоком являются электрометки. Они возникают от контакта с токонесущим проводником обычно при напряжении тока 100—250 В и выделяющейся при этом температуре не выше 120°С. В 10—15% случаев электрометки не образуются (особен­но на участках влажной и тонкой кожи).

Типичная электрометка представляет собой повреждение в виде образований округлой или овальной формы, серовато-белого, бледно-желтоватого цвета с валикообразными краями и западающим центром, обычно без признаков воспаления, иногда с отеком тканей вокруг и налетом частичек металла, от­слоением эпидермиса. Размеры электрометок обычно в преде­лах до 1 см.

Ожоги от действия тока высокого напряжения могут быть большой площади. Металлизация электрометки в зависимости от металлов, входящих в состав проводника, придает ей соответст­вующую окраску. В электрометке может отражаться форма про­водника. Электрометки могут иметь различную локализацию, но чаще они располагаются на ладонях и подошвенных поверхно­стях стоп.

 

57. Ионизирующее излучение (α, β, γ). Воздействие радиации на организм человека (острые поражения, лучевая болезнь, воздействие на глаза, кожу, кровь, органы внутренней секреции, репродуктивную систему и т. д.)

· Альфа-частицы — это относительно тяжелые частицы, заряженные положительно, представляют собой ядра гелия.

· Бета-частицы — обычные электроны.

· Гамма-излучение — имеет ту же природу, что и видимый свет, однако гораздо большую проникающую способность.

· Нейтроны — это электрически нейтральные частицы, возникающие в основном рядом с работающим атомным реактором, доступ туда должен быть ограничен.

· Рентгеновские лучи — похожи на гамма-излучение, но имеют меньшую энергию. Кстати, Солнце — один из естественных источников таких лучей, но защиту от солнечной радиации обеспечивает атмосфера Земли.

Наиболее опасно для человека Альфа, Бета и Гамма излучение, которое может привести к серьезным заболеваниям, генетическим нарушения и даже смерти. Степень влияния радиации на здоровье человека зависит от вида излучения, времени и частоты. Таким образом, последствия радиации, которые могут привести к фатальным случаям, бывают как при однократном пребывании у сильнейшего источника излучения (естественного или искусственного), так и при хранении слаборадиоактивных предметов у себя дома (антиквариата, обработанных радиацией драгоценных камней, изделий из радиоактивного пластика). Заряженные частицы очень активны и сильно взаимодействуют с веществом, поэтому даже одной альфа-частицы может хватить, чтобы уничтожить живой организм или повредить огромное количество клеток. Впрочем, по этой же причине достаточным средством защиты от радиации данного типа является любой слой твердого или жидкого вещества, например, обычная одежда.

· По мнению специалистов www.dozimetr.biz, ультрафиолетовое излучение или излучение лазеров нельзя считать радиоактивным. Чем же отличается радиация и радиоактивность?

· Источники радиации — ядерно-технические установки (ускорители частиц, реакторы, рентгеновское оборудование) и радиоактивные вещества. Они могут существовать значительное время, никак не проявляя себя, и Вы можете даже не подозревать, что находитесь рядом с предметом сильнейшей радиоактивности.



основные характеристики и условия его существования :: SYL.ru

Электрический ток — то, без чего немыслима жизнь человека

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

Понятие и сущность электрического тока

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

Условия существования тока в цепи

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

Вопрос об источниках тока

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

Сила тока, напряжение, сопротивление

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