Протекание тока в цепи. Направление тока: от минуса к плюсу или наоборот? Что такое сопротивление проводника
Все мы хорошо знаем, что электричество представляет собой направленный поток заряженных частиц в результате воздействия электрического поля. Это вам скажет любой школьник. А вот вопрос о том, каково направление тока и куда деваются эти самые частицы, многих может поставить в тупик.
Суть вопроса
Как известно, в проводнике электричество переносят электроны, в электролитах - катионы и анионы (или попросту ионы), в полупроводниках электроны работают с так называемыми «дырками», в газах - ионы с электронами. От наличия свободных в том или ином материале и зависит его электропроводность. При отсутствии электрического поля в металлическом проводнике ток идти не будет. Но как только на двух его участках возникнет т.е. появится напряжение, в движении электронов прекратится хаос и наступит порядок: они начнут отталкиваться от минуса и направятся в сторону плюса. Казалось бы, вот и ответ на вопрос «Каково направление тока?». Но не тут-то было. Достаточно заглянуть в энциклопедический словарь или просто в любой учебник по физике, как сразу станет заметно некое противоречие. Там говорится, что условно словосочетание «направление тока» обозначает направленное движение положительных зарядов, другими словами: от плюса к минусу. Как быть с этим утверждением? Ведь здесь невооруженным глазом заметно противоречие!
Сила привычки
Когда люди научились составлять цепь они еще не знали о существовании электрона. Тем более, в то время не подозревали что он движется от минуса к плюсу. Когда Ампер предложил в первой половине 19-го столетия направление тока от плюса к минусу, все восприняли это как должное и это решение никто не стал оспаривать. Прошло 70 лет, пока люди не выяснили, что ток в металлах происходит благодаря движениям электронов. А когда они это поняли (это случилось в 1916 году), все настолько привыкли к сделанному Ампером выбору, что уже не стали ничего менять.
«Золотая середина»
В электролитах отрицательно заряженные частицы движутся к катоду, а положительные - к аноду. То же самое происходит и в газах. Если подумать, какое направление тока будет в этом случае, в голову приходит только один вариант: перемещение разнополярных в замкнутой цепи происходит навстречу друг другу. Если утверждение за основу, то оно снимет существующее ныне противоречие. Возможно, это вызовет удивление, но еще более 70 лет назад ученые получили документальные подтверждения того, что противоположные по знаку электрические заряды в проводящей среде действительно движутся друг другу навстречу. Данное утверждение будет справедливо для любого проводника вне зависимости от его типа: металла, газа, электролита, полупроводника. Как бы там ни было, остается надеяться, что со временем физики устранят путаницу в терминологии и примут однозначное определение того, что же все-таки такое направление движения тока. Привычку, конечно, менять сложно, но ведь нужно же наконец поставить все на свои места.
Подключим к пальчиковой батарейке светодиод, и если полярность окажется соблюдена правильно, то он засветится. В каком направлении установится ток? В наше время всем известно, что от плюса к минусу. А внутри батарейки, стало быть, от минуса к плюсу - ток ведь в этой замкнутой электрической цепи постоянный.
За направление тока в цепи принято считать направление движения положительно заряженных частиц, но ведь в металлах то движутся электроны, а они, мы знаем, заряжены отрицательно. Значит в реальности понятие «направление тока» - это условность. Давайте разберемся, почему в то время как электроны текут по цепи от минуса к плюсу, все вокруг говорят, что ток идет от плюса к минусу . Для чего такая несуразность?
Ответ кроется в истории становления электротехники. Когда Франклин разрабатывал свою теорию электричества, он рассматривал его движение подобно движению жидкости, которая как-бы перетекает от одного тела к другому. Где электрической жидкости больше - оттуда она течет в ту сторону, где ее меньше.
Франклин поэтому и назвал тела с избытком электрической жидкости (условно!) положительно электризованными, а тела с недостатком электрической жидкости - отрицательно электризованными. Отсюда и пошло представление о движении . Положительный заряд перетекает, словно через систему сообщающихся сосудов, от одного заряженного тела к другому.
Позже французский исследователь Шарль Дюфе в своих экспериментах с установил, что заряжаются не только натираемые тела, но и натирающие, причем при контакте заряды обеих тел нейтрализуется. Получалось, что есть на самом деле два отдельных вида электрического заряда, которые при взаимодействии друг друга нейтрализуют. Эту теорию двух электричеств развил современник Франклина Роберт Симмер, который на себе убедился в том, что в теории Франклина что-то не до конца правильно.
Шотландский физик Роберт Симмер носил по две пары чулок: утепленные шерстяные и сверху еще вторые шелковые. Когда он снимал с ноги оба чулка сразу, а затем выдергивал один чулок из другого, то наблюдал такую картину: шерстяной и шелковый чулки раздуваются, принимая как бы форму его ноги и резко слипаются друг с другом. При этом чулки из одинакового материла, как шерстяные и шелковые, отталкивались друг от друга.
Если же Симмер держал в одной руке два шелковых, а в другой - два шерстяных чулка, то когда он сближал руки, отталкивание чулков из одинакового материала и притяжение чулков из разного материала приводило к интересному взаимодействию между ними: разнородные чулки словно набрасывались друг на друга и сплетались в клубок.
Наблюдения за поведением собственных чулков привели Роберта Симмера к выводу, что в каждом теле имеется не одна, а две электрические жидкости – положительная и отрицательная, которые содержатся в теле в одинаковых количествах. При натирании двух тел какая-то из них может перейти из одного тела в другое, тогда в одном теле окажется избыток одной из жидкостей, а в другом – ее недостаток. Оба тела станут наэлектризованными противоположными по знаку электричествами.
Тем не менее, электростатические явления успешно можно было объяснить как при помощи гипотезы Франклина, так и при помощи гипотезы двух электричеств Симмера. Эти теории некоторое время конкурировали между собой. Когда же в 1779 году Алессандро Вольта создал свой вольтов столб, после чего был исследован электролиз, ученые пришли к однозначному выводу, что действительно в растворах и жидкостях движутся два противоположных потока носителей заряда - положительные и отрицательные. Дуалистическая теория электрического тока, хотя и не была понятна всем, все же восторжествовала.
Наконец, в 1820 году, выступая перед Парижской академией наук, Ампер предлагает выбрать в качестве основного направления тока одно из направлений движения заряда. Ему было удобно сделать так, поскольку Ампер исследовал взаимодействия токов между собой и токов с магнитами. И чтобы каждый раз во время сообщения не упоминать, что в двух направлениях по одному проводнику движутся два потока противоположного заряда.
Ампер предложил просто принять за направление тока направление движения положительного электричества, и все время говорить о направлении тока, имея ввиду движение положительного заряда . С тех пор предложенное Ампером положение о направлении тока принято повсеместно, и используется до сих пор.
Когда Максвелл разрабатывал свою теорию электромагнетизма, и решил применять правило правого винта для удобства определения направления вектора магнитной индукции, он также придерживался этого положения: направление тока - это направление движения положительного заряда.
Фарадей в свою очередь отмечал, что направление тока условно, это просто удобное средство для ученых, чтобы однозначно определять направление тока. Ленц, вводя свое Правило Ленца (смотрите - ), также оперировал термином «направление тока», имея ввиду движение положительного электричества. Это просто удобно.
И даже после того как Томсон в 1897 году открыл электрон, условность направления тока все равно сохранилась. Даже если в проводнике или в вакууме реально движутся только электроны, все равно за направление тока принимается противоположное направление - от плюса к минусу.
Спустя уже более века с момента открытия электрона, несмотря на представления еще Фарадея об ионах, даже с появлением электронных ламп и транзисторов, хотя и появились трудности в описаниях, все равно привычное положение дел сохраняется. Так просто удобнее оперировать с токами, ориентироваться в их магнитных полях, и никаких реальных трудностей это, похоже, ни у кого не вызывает.
– В Европе теперь никто на пианино не играет,
играют на электричестве.
–На электричестве играть нельзя – током убьет.
–А они в резиновых перчатках играют…
–Э! В резиновых перчатках можно!
«Мимино»
Странно… Играют на электричестве, а убивает почему-то каким-то там током… Откуда в электричестве ток? И что это за ток? Здравствуйте, уважаемые! Давайте разбираться.
Ну, во-первых, начнём с того, почему это играть на электричестве в резиновых перчатках всё-таки можно, а, например, в железных или свинцовых – нельзя, хотя металлические прочнее? Дело все в том, что резина не проводит электричество, а железо и свинец – проводят, поэтому и током ударит. Стоп-стоп… Мы идем не в ту сторону, давайте, разворачиваемся… Ага… Начинать нужно с того, что все в нашей Вселенной состоит из мельчайших частичек – атомов. Эти частички настолько малы, что, например, человеческий волос по толщине в несколько миллионов раз превосходит размер самого маленького атома водорода. Атом состоит (см. рисунок 1.1) из двух основных частей – положительно заряженного ядра, состоящего в свою очередь из нейтронов и протонов и вращающихся по определенным орбитам вокруг ядра электронов.
Рисунок 1.1 – Строение электрона
Суммарный электрический заряд атома всегда (!) равен нулю, то есть атом электрически нейтрален. Электроны имеют довольно сильную связь с атомным ядром, однако, если приложить некоторую силу и «вырвать» один или несколько электронов из атома (посредством нагревания или трения, например), то атом превратиться в положительно заряженный ион, поскольку величина положительного заряда его ядра будет больше величины отрицательного суммарного заряда оставшихся электронов. И наоборот, – если каким-либо образом добавить к атому один или несколько электронов (но не посредством охлаждения…), то атом превратится в отрицательно заряженный ион.
Электроны, входящие в состав атомов любого элемента,абсолютно идентичны по своим характеристикам: заряду, размеру, массе.
Теперь, если посмотреть на внутренний состав любого элемента можно увидеть, что не весь объем элемента занимают атомы. Всегда, в любом материале так же присутствуют как отрицательно заряженные, так и положительно заряженные ионы, причем процесс преобразования «отрицательно заряженный ион–атом–положительно заряженный ион» происходит постоянно. В процессе этого преобразования образуются так называемые свободные электроны – электроны, не связанные ни с одним из атомов или ионом. Оказывается, что различных веществ количество этих свободных электронов разное.
Так же из курса физики известно, что вокруг любого заряженного тела (даже такого ничтожно малого, как электрон) существует так называемое невидимое электрическое поле, основными характеристиками которого являются напряженность и направление. Условно принято, что поле всегда направлено из точки положительного заряда к точке отрицательного заряда. Такое поле возникает, например, при натирании эбонитовой или стеклянной палочки о шерсть, при этом в процессе можно услышать характерный треск, явление которого мы рассмотрим позже. Причем, на стеклянной палочке будет образовываться положительный заряд, а на эбонитовой – отрицательный. Это как раз и будет означать переход свободных электронов одного вещества в другое (со стеклянной палочки в шерсть и из шерсти в эбонитовую палочку). Переход электронов означает изменение заряда. Для оценки этого явления существует специальная физическая величина – количество электричества, названная кулон, причем 1Кл= 6.24 10 18 электронов. Исходя из этого соотношения заряд одного электрона (или его по-другому называют элементарным электрическим зарядом) равен:
Так при чем же здесь все эти электроны и атомы… А вот при чём. Если взять материал с большим содержанием свободных электронов и поместить его в электрическое поле, то все свободные электроны будут двигаться в направлении положительной точки поля, а ионы – поскольку они имеют сильные межатомные (межионные) связи –оставаться внутри материала, хотя по идее они должны двигаться к той точке поля, заряд которой противоположен заряду иона. Это было доказано с помощью простого эксперимента.
Два различных материала (серебро и золото) соединили друг с другом и поместили в электрическое поле на несколько месяцев. Если бы наблюдалось движение ионов между материалами, то в месте контакта должен был бы произойти процесс диффузии и в узкой зоне серебра образоваться золото, а в узкой зоне золота – серебро, но такого не произошло, что и доказало неподвижность «тяжелых» ионов. На рисунке 2.1 показано движение положительной и отрицательной частиц в электрическом поле: отрицательно заряженные электроны движутся против направления поля, а положительно заряженные частицы – по направлению поля. Однако это справедливо только для частиц, не входящих в кристаллическую решетку какого-либо материала и не связанных между собой межатомными связями.
Рисунок 1.2 – Движение точечного заряда в электрическом поле
Движение происходит именно таким образом, потому как одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются: на частицу всегда действуют две силы: сила притяжения и сила отталкивания.
Так вот, именно упорядоченное движение заряженных частиц и называют электрическим током. Существует забавный факт: изначально считалось (до открытия электрона), что электрический ток порождён именно положительными частицами, поэтому направление тока соответствовало движению положительных частиц от «плюса» к «минусу», однако впоследствии обнаружилось обратное, но направление тока решено было оставить прежним, и в современной электротехнике осталась эта традиция. Так что всё на самом деле наоборот!
Рисунок 1.3 – Строение атома
Электрическое поле можно, хоть и характеризуется величиной напряженности, но создается вокруг любого заряженного тела. Например, если всё ту же стеклянную и эбонитовую палочки натереть о шерсть, то вокруг них возникнет электрическое поле. Электрическое поле существует около любого объекта и воздействует на другие объекты, сколь угодно далеко они бы ни располагались.Однако с ростом расстояния между ними напряженность поля уменьшается и её величиной можно пренебречь, так что два человека, стоящие рядом и имеющие некоторый заряд, хоть и создают электрическое поле, и между ними протекает электрический ток, но он настолько мал, что его величину трудно зафиксировать даже специальными приборами.
Так вот, пора бы уже побольше рассказать о том, что это за характеристика – напряженность электрического поля. Начинается всё с того, что в 1785 году французский военный инженер Шарль Огюстен де Кулон, отвлекшись от рисования военных карт, вывел закон, описывающий взаимодействие двух точечных зарядов:
Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.
Мы не будем углубляться в то, почему это именно так, просто поверим на слово господину Кулону и введём некоторые условия для соблюдения этого закона:
- точечность зарядов - то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров - впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными не пересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;
- их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;
- взаимодействие в вакууме.
Математически закон записывается следующим образом:
где q 1 ,q 2 – величины взаимодействующих точечных зарядов,
r – расстояние между этими зарядами,
k – некоторый коэффициент, описывающий влияние среды.
На рисунке ниже приведено графическое пояснение закона Кулона.
Рисунок 1.4 – Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона
Таким образом, сила взаимодействия между двумя точечными зарядами возрастает при увеличении этих зарядов и уменьшается при увеличении расстояния между зарядами, причём увеличение расстояния в два раза приводит к уменьшению силы в четыре раза. Однако подобная сила возникает не только между двумя зарядами, но и между зарядом и полем (и опять электрический ток!). Логично было бы предположить, что на различные заряды одно и то же поле оказывает различное влияние. Так вот отношение силы взаимодействия поля и заряда к величине этого заряда и называется напряжённостью электрического поля. При условии, что заряд и поле неподвижны и не изменяют своих характеристик с течением времени.
где F – сила взаимодействия,
q – заряд.
Причём, как говорилось ранее, поле имеет направление, и это возникает именно исходя из того, что сила взаимодействия имеет направление (является векторной величиной: одноимённые заряды притягиваются, разноимённые – отталкиваются).
После того, как я написал этот урок, я попросил моего друга прочитать его, оценить, так скажем. Кроме того, я задал ему один интересный на мой взгляд вопрос как раз по теме этого материала. Каково же было моё удивление, когда он ответил неверно. Попробуйте и Вы ответить на этот вопрос (он помещен в раздел задач в конце урока) и аргументировать свою точку зрения в комментариях.
И последнее: поскольку поле может переместить заряд из одной точки пространства в другую, оно обладает энергией, а, следовательно, может совершать работу. Этот факт пригодится нам в дальнейшем при рассмотрении вопросов работы электрического тока.
На этом первый урок окончен, но у нас так и остался без ответа вопрос, почему же, в резиновых перчатках током не убьет. Оставим его как интригу на следующий урок. Спасибо за внимание, до новых встреч!
- Предположим, что в городе-герое Москве имеется некая розетка, самая такая обычная розетка, которые есть и у Вас дома. Так же предположим, что мы протянули провода из Москвы во Владивосток и подключили во Владивостоке лампочку (опять же, лампа совершенно обычная, такая же освещает сейчас комнату и мне, и Вам). Итого, что мы имеем: лампочка, присоединенная к концам двух проводов во Владивостоке и розетку в Москве. Теперь вставим «московские» провода в розетку. Если мы не будем учитывать массу всяких условий и просто предположим, что лампочка во Владивостоке загорелась, то попробуйте предположить, доберутся ли электроны, которые в данный момент находятся в розетке в Москве в нить накала лампочки во Владивостоке? Что случится, если мы подключим лампочку не к розетке, а к аккумулятору?
Презентация на тему: “ Электрический ток в различных средах ”
Выполнила Житина Карина
Ученица 8 а класса.
Электрический ток может протекать в пяти различных средах:
Металлах
Вакууме
Полупроводниках
Жидкостях
Электрический ток в металлах:
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Опыты Толмена и Стюарта являются доказательством того, что металлы обладают электронной проводимостью
Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г . Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией электронов.
Вывод:1.носителями заряда в металлах являются электроны;
2. процесс образования носителей заряда – обобществление валентных электронов;
3.сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника – выполняется закон Ома;
4. техническое применение электрического тока в металлах: обмотки двигателей, трансформаторов, генераторов, проводка внутри зданий, сети электропередачи, силовые кабели.
Электрический ток в вакууме
- Вакуум - сильно разреженный газ, в котором средняя длина свободного пробега частицы больше размера сосуда, то есть молекула пролетает от одной стенки сосуда до другой без соударения с другими молекулами. В результате в вакууме нет свободных носителей заряда, и электрический ток не возникает. Для создания носителей заряда в вакууме используют явление термоэлектронной эмиссии.
ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – это явление «испарения» электронов с поверхности нагретого металла.
В вакуум вносят металлическую спираль, покрытую оксидом металла, нагревают её электрическим током (цепь накала) и с поверхности спирали испаряются электроны, движением которых можно управлять при помощи электрического поля.
На слайде показано включение двухэлектродной лампы
Такая лампа называется вакуумный диод
Эта электронная лампа носит название вакуумный ТРИОД.
Она имеет третий электрод –сетку, знак потенциала на которой управляет потоком электронов.
Выводы:1. носители заряда – электроны;
2. процесс образования носителей заряда – термоэлектронная эмиссия;
3.закон Ома не выполняется;
4.техническое применение – вакуумные лампы (диод, триод), электронно – лучевая трубка.
Электрический ток в полупроводниках
При нагревании или освещении некоторые электроны приобретают возможность свободно перемещаться внутри кристалла, так что при приложении электрического поля возникает направленное перемещение электронов.
Полупроводники представляют собой нечто среднее между проводниками и изоляторами.
- Полупроводники - твердые вещества, проводимость которых зависит от внешних условий (в основном от нагревания и от освещения).
С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.
Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T .
Собственная проводимость полупроводников
Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами . В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной , т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам.Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.
Образование электронно-дырочной пары
При повышении температуры или увеличении освещенности некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок ».
Примесная проводимость полупроводников
Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.
Электронная и дырочная проводимости.
Если примесь имеет валентность большую, чем чистый полупроводник, то появляются свободные электроны. Проводимость –электронная, примесь донорная, полупроводник n – типа.
Если примесь имеет валентность меньшую, чем чистый полупроводник, то появляются разрывы связей – дырки. Проводимость – дырочная, примесь акцепторная, полупроводник p – типа.
Выводы:1. носители заряда – электроны и дырки;
2. процесс образования носителей заряда – нагревание, освещение или внедрение примесей;
3.закон Ома не выполняется;
4.техническое применение – электроника.
Электрический ток в жидкостях
- Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Электролитами являются водные растворы неорганических кислот, солей и щелочей.
Сопротивление электролитов падает с ростом температуры, так как с ростом температуры растёт количество ионов.
- График зависимости сопротивления электролита от температуры.
Явление электролиза
Это выделение на электродах веществ, входящих в электролиты;
Положительно заряженные ионы (анионы) под действием электрического поля стремятся к отрицательному катоду, а отрицательно заряженные ионы (катионы) - к положительному аноду.
На аноде отрицательные ионы отдают лишние электроны (окислительная реакция)
На катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная).
Законы электролиза Фарадея.
Законы электролиза определяют массу вещества, выделяемого при электролизе на катоде или аноде за всё время прохождения электрического тока через электролит.
K - электрохимический эквивалент вещества,
численно равный массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит заряда в 1 Кл.
Вывод:1. носители заряда – положительные и отрицательные ионы;
- 2. процесс образования носителей заряда – электролитическая диссоциация;
- 3 .электролиты подчиняются закону Ома;
- 4.Применение электролиза
:
получение цветных металлов
(очистка от примесей - рафинирование); гальваностегия
- получение покрытий на металле (никелирование, хромирование, золочение, серебрение и т.д.);
гальванопластика
- получение отслаиваемых покрытий (рельефных копий).
Электрический ток в газах
Зарядим конденсатор и подключим его обкладки к электрометру. Заряд на пластинах конденсатора держится сколь угодно долго, не наблюдается перехода заряда с одной пластины конденсатора на другую. Следовательно воздух между пластинами конденсатора не проводит ток.
В обычных условиях отсутствует проводимость электрического тока любыми газами. Нагреем теперь воздух в промежутке между пластинами конденсатора, внеся в него зажженную горелку. Электрометр укажет появление тока, следовательно при высокой температуре часть нейтральных молекул газа распадается на положительные и отрицательные ионы. Такое явление называется ионизацией газа.
Прохождение электрического тока через газ называется разрядом.
Разряд, существующий при действии внешнего ионизатора, - несамостоятельный .
Если действие внешнего ионизатора продолжается, то через определенное время в газе устанавливается внутренняя ионизация (ионизация электронным ударом) и разряд становится самостоятельным .
Виды самостоятельного разряда:
ИСКРОВОЙ
КОРОННЫЙ
Искровой разряд
При достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.
Молния. Красивое и небезопасное явление природы – молния – представляет собой искровой разряд в атмосфере.
Уже в середине 18-го века высказывалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал, например, русский физик и химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765), наряду с другими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством.
Электрическая дуга (дуговой разряд)
В 1802 году русский физик В.В. Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскалятся добела, испуская ослепительный свет.
Статическое электричество.
Если желтый янтарь потереть шерстью или мехом, то янтарь приобретает свойство длительное время притягивать,к себе волосы, листья, соломинки. Способность янтаря,притягивать к себе другие вещества вызывается его зарядом. Под зарядом тел подразумевают электрический заряд. При определенных условиях заряд сохраняется на заряженных телах, поэтому его называют статическим электричеством.
Величины количества электричества заряженных тел и расстояния между ними оказывают влияние на их взаимодействие. Правила, которым подчиняются тела при взаимодействии, называют законом Кулона. Он формулируется так: сила, действующая между двумя заряженными телами, прямо пропорциональна количеству электричества на каждом из тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.
Электрически заряженные тела, находясь на расстоянии друг от друга, испытывают действие определенной силы. Пространство, в котором действуют эти силы, называют электрическим силовым полем. Внутри электрического поля силы действуют в определенном направлении. Линии, по которым действуют электрические силы поля, называют силовыми. За их направление в любой точке поля принято направление, в котором будет двигаться в этом поле положительный заряд. Следовательно, электрическое поле изолированного отрицательного заряда направлено к заряду (рис. 1), а линии сил, действующих между положительным и отрицательным зарядами, направлены в сторону отрицательного заряда. Силовые линии одноименных зарядов отталкиваются друг от друга (рис. 2).
Рис. 1
Рис. 2
Электрический ток и направление движения электронов. При изучении законов электрического тока сначала было предположено, что электрический ток направлен от положительно к отрицательно заряженным телам. С помощью более поздних исследований было установлено, что электроны переходят от отрицательно заряженных к положительно заряженным или нейтральным телам.
Однако укоренилось первое положение, которое легло в основу всех электрических измерений и в электротехническую практику. Но, несмотря на это, в современных условиях действует правило, которое определяет электрический ток как поток электронов, направленный от минуса к плюсу.
Электрический потенциал. Действующие на тела силы стремятся привести их в такое положение, в котором потенциальная энергия тел будет наименьшей (например, пролитая вода стекает в самые низкие места, пар движется в трубе из точки с меньшей к точке с большей потенциальной энергией). Для сообщения потенциальной энергии воде ее можно поднять на некоторую высоту. Эти положения распространяются и на электрический ток.
Электрический потенциал можно создать, отняв или добавив к нейтральному телу электроны. В первом случае тело приобретает положительный заряд, т. е. потенциал тела возрастает (совершена работа по удалению электрона), во втором - отрицательный заряд и потенциал его будет отрицательным. Электричество перетекает от более высокого к более низкому потенциалу.
Разрядить тело от электрического заряда можно путем соединения его с землей, т. е. заземления тела. Электрические заряды тела вследствие их взаимного отталкивания стремятся равномерно распределиться на заряженном теле и земле. Однако вследствие того что земля несравнимо больше заряженного тела, все заряды с него уйдут в землю и тело станет нейтральным, т. е. электрически безопасным.
Электрическая цепь постоянного тока. Электрический ток, значение которого не изменяется во времени, называют постоянным. Источник электрического тока с присоединенными к нему линейными проводами и потребителем тока образуют замкнутую электрическую цепь, по которой протекает электрический ток. Простейшая электрическая цепь имеет источник и потребитель электрического тока и два соединяющих их линейных провода (рис. 3). В качестве источников постоянного электрического тока применяют аккумуляторы, генераторы - электрические машины, приводимые в движение механическими двигателями, гальванические элементы и ряд других устройств. Потребителями электрического тока могут быть электронагревательные приборы, сварочная дуга, осветительные лампочки и т.д.
Рис. 3
Конденсаторы. При одном и том же давлении в сосуде большего объема можно вместить большее количество газа. Некоторую аналогию можно пронести и с электрическим зарядом. Чем больше размеры проводника, тем больше его вместимость для электрических зарядов, т. е. больше его электрическая емкость.
Одиночные проводники обладают малой емкостью. Поэтому для образования запаса электрических зарядов применяют конденсаторы. Конденсатором называют устройство, которое при сравнительно малых размерах способно накапливать большие электрические заряды. В простейшем виде конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком (воздухом, слюдой, парафинированной бумагой и т.п.). В зависимости от вида диэлектрика конденсатор называют воздушным, бумажным, слюдяным и т.п. Одна пластина конденсатора заряжается положительными зарядами, а другая - отрицательными. Сильное взаимное притяжение удерживает заряды, позволяя накопить в конденсаторе большое количество зарядов.
Емкость конденсатора зависит от площади его пластин. Конденсатор, у которого пластины имеют большую площадь, может вместить большее количество зарядов.
Основной единицей измерения электрической емкости служит фарада (ф). На практике применяют более мелкие единицы: микрофарада (1 мкф = 0,000 001 ф ), пикофарада (1 пф = 0,000 001 мкф ).
В технике конденсаторы используют в различных электрических и радиосхемах.
Электродвижущая сила источника тока. Напряжение. Если соединить трубкой два сосуда с различными уровнями воды, то вода будет переходить в сосуд с меньшим уровнем. Наливая воду в один из сосудов, можно добиться того, чтобы вода по трубке текла непрерывно. Аналогичная картина наблюдается в электрической цепи. На время прохождения электрического тока в цепи на полюсах источника тока необходимо поддерживать разность потенциалов.
Силу, которая поддерживает разность потенциалов, обеспечивая прохождение тока по электрической цепи, называют электродвижущей силой и условно обозначают э. д.с. Разность потенциалов, затрачиваемую на проведение тока через электрическую цепь, называют напряжением между концами электрической цели.
Напряжение создается источником тока. При разомкнутой цепи напряжение существует на полюсах или клеммах источника тока. Когда источник тока включен в цепь, напряжение появляется и на отдельных участках цепи, что и обусловливает ток в цепи. Нет напряжения, нет и тока в цепи.
Электрическое сопротивление. При возникновении в цепи электрического тока свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. Движению электронов препятствуют атомы и молекулы проводников, встречающихся на пути, т. е. электрическая цепь оказывает сопротивление прохождению электрического тока. Электрическим сопротивлением проводника называют свойство тела или среды превратить электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.
Различные вещества имеют разное количество электронов и разное расположение атомов. Поэтому сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен. Хорошими проводниками является серебро , медь , . Большим сопротивлением обладают , железо , уголь . Наряду с этим сопротивление зависит от длины и площади поперечного сечения проводника. Чем длиннее проводник при одном и том же поперечном сечении, тем большим обладает он сопротивлением, и наоборот: чем больше сечение проводника при одной и той же длине, тем меньше его сопротивление.
Нагрев увеличивает сопротивление большинства металлов и сплавов. Для чистых металлов это увеличение составляет около 4% на каждые 10° повышения температуры. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин , константан и др.) почти не меняют своего сопротивления с увеличением температуры.
Реостаты. Приборы, при помощи которых, меняя сопротивление, можно регулировать силу тока в цепи, называют реостатами. Реостаты бывают нескольких видов, например: реостат со скользящим контактом, рычажный реостат, ламповый и др.
Рис. 4
Реостат со скользящим контактом устроен следующим образом (рис. 4). Проволока из металла с высоким удельным сопротивлением намотана на цилиндр, сделанный из изолятора, к концам проволоки прикреплены клеммы для включения реостата в цепь. Сверху цилиндра на металлическом стержне прикреплен ползун, плотно касающийся витков проволоки. Реостат включают в цепь при помощи одной из клемм на проволоке реостата и клеммы на металлическом стержне ползуна. Передвигая ползун в ту или другую сторону, увеличивают или уменьшают длину включенной проволоки и тем самым изменяют сопротивление цепи.
Реостат рычажного типа, состоит из ряда проволочных спиралей, укрепленных на раме из изолятора. На одной стороне рамы концы спиралей соединены с рядом металлических контактов. Металлическая ручка, вращаясь вокруг оси, может плотно прижиматься к тому или другому контакту. В зависимости от положения ручки в цепь может включаться различное количество спиралей.
Измерение тока, напряжения и сопротивления. Опыты показывают, чем большее количество электричества протекает по проводнику в одно и то же время, тем сильнее действие тока. Поэтому электрический ток определяется количеством электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Количество электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в 1 сек , называют силой электрического тока. За единицу силы тока принят 1 а , т. е. сила такого тока, при котором в 1 сек через поперечное сечение проводника проходит 1 кулон электричества. Ампер обозначается буквой а . Единица силы тока ампер названа так в честь французского ученого Ампера.
Английский физик Фарадей, изучая явление прохождения тока через жидкие проводники, установил, что весовое количество выделяющихся при этом веществ на электродах прямо пропорционально количеству прошедшего через раствор электричества. На основании этого была установлена единица количества электричества.
За единицу количества электричества принято такое количество электричества, при прохождении которого через раствор серебряной соли выделяется на электроде 1,118 мг серебра . Эта единица называется куланом.
Исходя из определения электрического тока можно определить его силу по формуле
I - сила тока в цепи;
Q - количество электричества, протекающего >в цени, в кулонах;
Т - время прохождения электричества в цепи в сек.
В технике имеется еще и такое понятие, как плотность тока.
Плотностью тока называют отношение величины тока к площади поперечного сечения проводника. Обычно площадь сечения проводников приводится в квадратных миллиметрах, поэтому плотность тока измеряют в а/мм 2 .
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока, проводников и электрической лампочки, соединенных последовательно. Сила тока на всех участках этой цепи одинакова, а значит и количество электричества, протекающего по проводам и волоску лампочки в одно и то же время, одинаковое. Однако количество энергии, выделяющейся на отдельных участках цепи, различно. В этом легко убедиться, если притронуться рукой к проводам, подводящим ток к ламлпочке,- они холодные, в то время как волосок лампочки раскален. Выделение различных количеств энергии на различных участках цепи вызывается тем, что на этих участках цепи существует различное напряжение.
Напряжение на данном участке цепи показывает, какое количество энергии будет выделиться на данном участке при прохождении по нему единицы количества электричества.
За единицу напряжения принимают такое напряжение, при котором на участке цепи выделяется 1 джоуль энергии (1 кг м=9,8 джоуля ), если по этому участку протекает 1 кулон электричества. Единицу напряжения называют вольт ом и сокращенно обозначают буквой в . Единица напряжения «вольт» названа так в честь итальянского ученого Вольта.
Если на каком-либо участке цепи напряжение равно 1 в , это значит, что при прохождении каждого кулона электричества по этому участку выделяется 1 джоуль энергии.
При измерении высоких напряжений применяют единицу, называемую киловольтом и обозначаемую сокращенно кв . Киловольт в тысячу раз больше вольта: 1 кв=1000 в . Для измерения небольших напряжений применяют милливольт (мв ) -единицу, в тысячу раз меньшую, чем вольт: 1 мв = 0,001 в .
Источник электрического тока, включенный в электрическую цель, расходует энергию на преодоление сопротивления цепи. Единицей сопротивления называют ом в честь немецкого ученого Ома, открывшего законы электрического тока; ом - электрическое сопротивление между двумя точками линейного проводника, в котором разность потенциалов в 1 в производит ток в 1 а . Электрическое сопротивление обозначается двумя буквами ом .
При измерении больших сопротивлений пользуются значительно большими единицами, чем ом : килоом (ком ) и мегом (мгом ). 1 ком =1000 ом , 1 мгом= 1 000 000 ом .
Свойства проводников в отношении их электрического сопротивления оценивают по удельному сопротивлению. Удельным сопротивлением называют сопротивление проводника длиной 1 м с поперечным сечением в 1 мм 2 . Удельное сопротивление измеряется тоже в омах.
Если в электрическую цепь, состоящую из лампочки и амперметра, включить один большой гальванический элемент, можно заметить, что по цепи идет очень слабый ток и нить лампочки не накаливается. Как только гальванический элемент заменим свежей батарейкой от карманного фонаря, ток в цепи увеличивается и нить лампочки ярко накаливается. Измерив напряжение на концах цепи при включении элемента и батарейки, увидим, что при включении батарейки напряжение значительно больше.
Отсюда следует, что сила тока в проводнике увеличивается с увеличением напряжения на концах проводника. Включив в цепь вместо одной две лампочки последовательно, увеличиваем сопротивление цепи в два раза. Теперь мы видим, что сила тока в цепи уменьшилась. Изучая зависимость силы тока от сопротивления и напряжения, немецкий ученый Ом установил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Эта зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением носит название закона Ома, который является одним из основных законов электрического тока.
Закон Ома выражается следующей формулой:
Где I - ток в а ;
V — напряжение в в ;
R - сопротивление в ом .
Закон Ома распространяется не только на dc. цепь, но и на любой ее участок. Ток на любом участке электрической цепи равен напряжению на концах этого участка, деленному на его сопротивление.
Последовательное соединение в электрической цепи. В большинстве случаев электрическая цепь состоит из нескольких потребителей тока (рис. 5). Соединение потребителей тока, при котором конец одного проводника соединен с началом другого, конец другого - с началом третьего и т.д., называют последовательным.
Рис. 5
Так как сопротивление прямо пропорционально длине проводника, сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников, поскольку включение нескольких проводников увеличивает длину пути тока. Ток на отдельных участках цепи будет одинаковым. Поэтому падение напряжения на каждом участке будет пропорционально сопротивлению данного участка.
Параллельным соединением в электрической цепи называют такое соединение, когда начала всех проводников соединены в одной, а их концы - в другой точке (рис. 6). При параллельном соединении для прохождения электрического тока имеется несколько путей (рис. 6). Ток между параллельно соединенными потребителями распределяется обратно пропорционально сопротивлениям потребителей. Если отдельные потребители обладают одинаковым сопротивлением, ток у них будет одинаковый. Чем меньше сопротивление отдельного потребителя, тем больший ток пройдет через него.
Рис.6
Сумма токов отдельных участков в параллельной цепи равна полному току в точке разветвления цепи.
Если в последавательно соединенной цепи присоединение новых потребителей электрического тока увеличивает сопротивление цепи, при параллельном соединении оно уменьшается: подключенное новое сопротивление увеличивает общее сечение проводника, состоящее из суммы сечений проводников всех потребителей. А как известно, чем больше сечение проводника при постоянной его длине, тем меньше сопротивление.
Пренебрегая сопротивлением соединительных проводов, можно считать, что напряжение источника тока приложено к каждому потребителю параллельной цепи. Поэтому достоинством параллельного соединения является независимость работы каждого потребителя тока. Можно отключить любой потребитель, не прерывая прохождения тока по остальным. Изменив сопротивление одного из потребителей, изменим в его цепи ток. У остальных потребителей ток не изменится.
Рис. 7
Смешанное соединение в электрической цепи. Очень часто в электрических цепях встречается смешанное соединение. Смешанным соединением называют такое соединение, в котором имеется как последовательное, так и параллельное соединение потребителей электрического тока (рис. 7). Для определения сопротивления нескольких проводников, соединенных по смешанной схеме, находят сначала сопротивление параллельно или последовательно соединенных проводников, а затем заменяют их одним проводником с сопротивлением, равным найденному. Таким способом упрощают схему, приводя ее к одному проводнику, сопротивление которого равно общему сопротивлению сложной цепи.
Работа и мощность электрического тока. Электрический ток может производить работу. Способность тела производить работу называют энергией этого тела. Посредством электрических моторов ток приводит в движение электропоезда, станки. За счет энергии электрического тока совершается механическая работа. Если проводник, по которому проходит ток, нагревается, энергия тока превращается в теплоту. При различных проявлениях тока наблюдается превращение электрической энергии в другие виды энергии.
В замкнутой электрической цепи протекает ток, который представляет движение электрических зарядов. Для переноса зарядов в электрической цепи источник электрической энергии затрачивает определенное количество энергии или совершает работу, равную произведению напряжения цепи на перенесенное через цепь количество электричества.
Если по участку электрической цепи протекло Q кулонов электричества, а напряжение на нем равно V , то совершенная на данном участке цепи работа А будет равна:
А = QV дж.
При токе Ia в течение Т секунд через сечение проводника проходит IT = Q кулонов электричества. Следовательно, работа тока в Iа при напряжении V в течение Т секунд будет равна:
A = IVT.
Работу тока принято оценивать по его мощности. Мощность тока численно равна работе, которую производит ток в 1 сек . Следовательно, мощность тока будет равна:
джоулей в 1 сек.
Единицей измерения мощности служит ватт (вт ). Один ватт - мощность тока в 1 а при напряжении в 1 в . Следовательно, с увеличением тока и напряжения мощность увеличивается. Для определения мощности электрического тока необходимо напряжение в вольтах умножить на ток в амперах.
Наряду с ваттом для измерения мощности часто применяют киловатт (1 квт =1000 вт ), гектоватт (1 гвт=100 вт ), милливатт (1 мвт=0,001 вт ) и микроватт (1 мквт= 0,000 001 вт ).
Работу электрического тока можно определить, если его мощность умножить на время прохождения тока: мощность -это работа в 1 сек . За основную единицу работы принята ватт-секунда (вт сек ), т. е. работа тока мощностью 1 вт в течение 1 сек . Более крупными единицами являются ватт-час (1 вт ч=3600 вт сек ), гектоватт-час (1 гвт ч =100 вт ч ), киловатт-час (1 квт ч= 1000 вт ч ).
Закон Ленца-Джоуля. Русский академик Ленц и английский физик Джоуль, независимо друг от друга, установили, что в процессе прохождения электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Эту закономерность называют закомом Ленца - Джоуля и выражают формулой
Q = 0,24I 2 Rt ,
де Q - количество теплоты в кал ;
0,24 - коэффициент пропорциональности, обусловливающий, чтобы ток был выражен в а , напряжение в в , а сопротивление - в ом ;
I - ток в а ;
R - сопротивление проводника в ом ;
t - время, в течение которого ток протекал по проводнику, в сек .
Электрическая дуга. Если сблизить концы двух проводников, присоединенных к источнику электрического тока, между ними образуется искра. Разведя концы, вместо искры получим электрическую дугу, создающую сильный и ослепительный свет. Если к концам проводников присоединить угольные стержни, между ними также возникнет электрическая дуга. Возникновение дуги объясняется следующим образом.
С повышением температуры угольных стержней увеличивается скорость движения электронов, находящихся в угле. При сильном нагреве скорость движения свободных электронов возрастает настолько, что при раздвижении углей электроны из стержней вылетают в межэлектродное пространство. В результате действия вылетевших электронов на нейтральные атомы и интенсивного излучения света нагретыми концами электродов воздух между электродами перестает быть электрически нейтральным, т. е. между концами раздвинутых электродов создается газовый промежуток, хорошо проводящий электрический ток, и возникает электрический разряд.
Способность тока создавать электрическую дугу с успехом используют при сварке. Заменив один из угольных электродов свариваемым изделием, получим электрическую дугу, горящую между этим изделием и вторым угольным электродом. Однако в настоящее время наибольшее применение получил способ сварки металлическим электродом. В этом случае вместо угольного электрода применяют металлический. Сварочная дуга горит между свариваемым изделием и металлическим электродом. После расплавления металлического электрода он заменяется новым.
Короткое замыкание. Аварийный режим работы электрической цепи, когда вследствие уменьшения ее сопротивления ток в ней резко увеличивается против нормального, называют коротким замыканием. Короткое замыкание получается, если в электрическую цепь включается проводник или прибор и т.п. с очень небольшим сопротивлением по сравнению с сопротивлением цепи. Вследствие небольшого сопротивления по цепи пойдет ток, намного превышающий тот, на который рассчитана цепь. Такой ток вызовет выделение большого количества тепла, что приведет к обугливанию и сгоранию изоляции проводов, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактов выключателей, ножей рубильников и т.п. Может быть поврежден даже источник электрического тока. Поэтому (ввиду опасных разрушительных последствий короткого замыкания необходимо соблюдать определенные условия при монтаже и эксплуатации электрических установок.
Для того чтобы избежать внезапного и опасного увеличения тока в электрической цепи при коротком замыкании, цепь защищают плавкими предохранителями. Предохранитель представляет собой легкоплавкую проволоку, включенную в цепь последовательно. При увеличении тока сверх определенной величины проволочка предохранителя нагревается и плавится, электрическая цепь автоматически разрывается и ток в ней прекращается. Плавкие вставки для разных сечений защищаемых проводов и для разных потребителей энергии берутся различные. Плавкие предохранители могут выполнить свою задачу при условии, что они правильно выбраны.
Рис. 8
По своей конструкции предохранители делят на пробочные (рис. 8,а), пластинчатые (рис. 8,б) и трубчатые (рис. 8,в), В пробочных предохранителях плавкая проволока помещается внутри фарфоровой пробки и укрепляется в ее основании, к которому подведены провода размыкаемой цепи. В пластинчатых предохранителях плавкая вставка с помощью наконечников и винтов укреплена на изолирующем основании. Провода размыкаемой цепи подводят к винтам. В трубчатых предохранителях плавкая часть помещена внутри легко-съемных фарфоровых трубок.
В цепях с большим током и напряжением плавкие предохранители применяют редко. В этих случаях устраивают другую автоматическую защиту.
