Порождается электрическими токами движущимися зарядами

Понятие электрического тока

Электричество стало постоянным и незаменимым спутником человечества. Несмотря на то что в окружении любого обывателя постоянно находятся различные устройства, само понятие электрического тока остается чем-то загадочным и недоступным по сути. И это неудивительно. Электрический ток невидим, не обладает запахом, а все попытки потрогать его руками, как правило, приводят к неприятным ощущениям и грозят серьезными травмами, а в отдельных случаях даже несовместимыми с жизнью.

Если задать большинству людей вопрос: «Так что же такое электричество?» То в лучшем случае ответом будет: «Упорядоченное движение электронов». И в принципе это правильно. Однако электрический ток обладает рядом параметров, которые имеют количественные и качественные определения, с чем и попробуем разобраться.

Видео

Ïðîÿâëåíèå íàëè÷èÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ

Îñíîâíûì ïðîÿâëåíèåì ìàãíèòíîãî ïîëÿ ÿâëÿåòñÿ âëèÿíèå íà ìàãíèòíûå ìîìåíòû ÷àñòèö è òåë, íà çàðÿæåííûå ÷àñòèöû íàõîäÿùèåñÿ â äâèæåíèè. Ñèëîé Ëîðåíöà íàçûâàåòñÿ ñèëà, êîòîðàÿ âîçäåéñòâóåò íà ýëåêòðè÷åñêè çàðÿæåííóþ ÷àñòèöó, êîòîðàÿ äâèæåòñÿ â ìàãíèòíîì ïîëå. Ýòà ñèëà èìååò ïîñòîÿííî âûðàæåííóþ ïåðïåíäèêóëÿðíóþ íàïðàâëåííîñòü ê âåêòîðàì v è B. Îíà òàêæå èìååò ïðîïîðöèîíàëüíîå çíà÷åíèå çàðÿäó ÷àñòèöû q, ñîñòàâëÿþùåé ñêîðîñòè v, îñóùåñòâëÿþùåéñÿ ïåðïåíäèêóëÿðíî íàïðàâëåíèþ âåêòîðà ìàãíèòíîãî ïîëÿ B, è âåëè÷èíå, êîòîðàÿ âûðàæàåò èíäóêöèþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ B. Ñèëà Ëîðåíöà ñîãëàñíî Ìåæäóíàðîäíîé ñèñòåìå åäèíèö èìååò òàêîå âûðàæåíèå: F = q [v, B], â ñèñòåìå åäèíèö ÑÃÑ: F = q / c [v, B]

Âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå îòîáðàæåíî êâàäðàòíûìè ñêîáêàìè.

 ðåçóëüòàòå âëèÿíèÿ ñèëû Ëîðåíöà íà äâèæóùèåñÿ ïî ïðîâîäíèêó çàðÿæåííûå ÷àñòèöû, ìàãíèòíîå ïîëå è ìîæåò îñóùåñòâëÿòü âîçäåéñòâèå íà ïðîâîäíèê ñ òîêîì. Ñèëîé Àìïåðà ÿâëÿåòñÿ ñèëà, äåéñòâóþùàÿ íà ïðîâîäíèê ñ òîêîì. Ñîñòàâëÿþùèìè ýòîé ñèëû ñ÷èòàþòñÿ ñèëû, âîçäåéñòâóþùèå íà îòäåëüíûå çàðÿäû, êîòîðûå äâèæóòñÿ âíóòðè ïðîâîäíèêà.

Связь между силой тока и скоростью движения зарядов

Рассмотрим металлический проводник. Мысленно выделим в нем два сечения площадью \(\large S \) на некотором расстоянии \(\large \Delta x\) одно от другого. Сечения располагаются поперечно проводнику.

В металлах электрический ток создается электронами. Обозначим \(\large e_{0}\) заряд каждого электрона.

Рис. 10. Свободные заряды в объеме проводника

Рис. 10. Свободные заряды в объеме проводника

Заряды в проводнике, под действием электрического поля напряженностью \(\large \vec{E} \) будут двигаться сонаправленно, от сечения к сечению.

При этом, они будут проходить путь \(\large \Delta x\) между двумя сечениями.

Если ток постоянный, то скорость движения зарядов изменяться не будет.

В таком случае, расстояние \(\large \Delta x\) и скорость \(\large v\) движения электронов будут связаны формулой равномерного движения.

\[\large \Delta x = v \cdot \Delta t\]

\(\large \Delta x \left( \text{м}\right) \) – расстояние между двумя поперечными сечениями;

\(\large v \left( \frac{\text{м}}{c}\right) \) – скорость, с которой сонаправленно движутся заряды в проводнике; Эта скорость значительно меньше скорости теплового движения.

\(\large \Delta t \left( c \right) \) – интервал времени, за который пройдено расстояние \(\large \Delta x\) между двумя поперечными сечениями;

Выразим из этой формулы время движения:

\[\large \Delta t = \frac {\Delta x}{v} \]

Это выражение нам понадобится далее.

Сечения \(\large S \)  и расстояние между ними \(\large \Delta x\) образуют в проводнике цилиндрический объем:

\[\large V = S \cdot \Delta x\]

\(\large V \left( \text{м}^{3}\right) \) – объем цилиндра;

В этом объеме содержится определенное количество электронов. Обозначим это количество: \(\large N \) штук.

Количество штук \(\large N \), расположенное в объеме \(\large V\), называют концентрацией:

\[\large n = \frac{N}{V} \]

\(\large n \left( \frac{\text{штук}}{\text{м}^{3}}\right) \) – концентрация зарядов в объеме;

Найдем общий заряд всех заряженных частиц, расположенных в объеме \(\large V\) между двумя поперечными сечениями:

\[\large \Delta q = e_{0} \cdot N\]

Умножим правую часть уравнения на единицу, которую представим в виде дроби \(\displaystyle \frac{V}{V}\), в которой \(\large V\) – это рассматриваемый объем. Тогда полный заряд можно записать в таком виде:

\[\large \Delta q = e_{0} \cdot N \cdot 1 = e_{0} \cdot N \cdot \frac{V}{V}\]

Числитель V дроби и количество N частиц поменяем местами.

\[\large \Delta q = e_{0} \cdot V \cdot \frac{N}{V}\]

Подставим в эту формулу выражение для объема:

\[\large \Delta q = e_{0} \cdot S \cdot \Delta x \cdot \frac{N}{V}\]

Дробь в правой части заменим символом «n» концентрации:

\[\large \Delta q = e_{0} \cdot S \cdot \Delta x \cdot n\]

Средняя скорость совместного направленного движения зарядов \(\large v\).

Применим определение силы тока:

\[\large I = \frac {\Delta q}{\Delta t} \]

Подставим в это выражение формулу для общего заряда, прошедшего через сечение проводника:

\[\large I = \frac {\Delta q}{\Delta t} =  \frac {e_{0} \cdot S \cdot \Delta x \cdot n}{\Delta t} \]

Выражение для удобства можно переписать так:

\[\large I = e_{0} \cdot S \cdot \Delta x \cdot n\cdot \frac {1}{\Delta t} \]

Мы заранее выразили время \(\large \Delta t \):

\[\large \Delta t = \frac {\Delta x}{v} \]

Найдем для него обратную величину:

\[\large \frac {1}{\Delta t} = \frac {v}{\Delta x} \]

Подставим ее в формулу для тока:

\[\large I = e_{0} \cdot S \cdot \Delta x \cdot n \cdot \frac {v}{\Delta x}\]

Расстояние \(\Delta x\) находится в числителе и в знаменателе, оно сократится. Окончательно получим выражение для связи между силой тока и скоростью движения зарядов:

\[\large \boxed{I = e_{0} \cdot S \cdot n \cdot {v}}\]

Теперь можно утверждать, что

  • чем больше зарядов помещаются в объеме,
  • чем быстрее они сонаправленно двигаются
  • и, чем толще проводник (чем больше площадь поперечного сечения),

тем больше ток.

Сила тока по определению

Силу тока (ток) обозначают большой латинской буквой \(\large I\).

Постоянный ток можно рассматривать, как равномерное направленное движение заряженных частиц. Равномерное – значит, с одной и той же скоростью.

Если же ток изменяется, то будет изменяться и скорость движения зарядов.

Сила тока – это:

  1. физическая величина;
  2. отношение заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника к длительности промежутка времени, в течение которого заряд проходил.

Ток равен заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за одну секунду.

Для постоянного тока используем формулу:

\[\large \boxed{ I = \frac{\Delta q}{\Delta t} }\]

\(\large I \left(A\right)\) – ток (сила тока) в Амперах;

\(\large \Delta q \left( \text{Кл}\right) \) – заряд в Кулонах, прошедший через поперечное сечение проводника;

\(\large \Delta t \left( c\right) \) – промежуток (кусочек) времени, в течение которого заряд прошел;

\[\large \boxed{ 1 A = \frac{1 \text{Кл}}{1 c} }\]

Если электрический ток не изменяется ни по величине, ни по направлению, то его называют постоянным.

Если хотя бы одна из характеристик изменяется, ток называют переменным. Он будет различным в разные моменты времени. Если задано уравнение, описывающее, как изменяется заряд, то для вычисления такого тока удобно пользоваться производной.

Исключаем путаницу с понятием силы

В физике исторически сложилось использование таких терминов, как

  • сила тока,
  • электродвижущая сила,
  • лошадиная сила.

Эти единицы измерения имеют в своем названии слово «сила». Из механики известно, что сила – величина векторная, измеряется в Ньютонах. Однако, пусть это не вводит вас в заблуждение.

Ни одна из описанных величин не измеряется в Ньютонах. Перечисленные величины имеют другие единицы измерения:

  • силу тока измеряют в Амперах,
  • электродвижущую силу – в Вольтах,
  • а лошадиная сила – это единица измерения мощности, ее можно перевести в Ватты в системе СИ.

Чтобы исключить путаницу, вместо термина «сила тока», можно употреблять слово «ток». Сравните выражения: «Силу тока измеряют в Амперах» и «ток измеряют в Амперах».

Как видно, вполне можно обойтись словом «ток», вместо «силы тока». Смысл от этого не изменится.

Применение аккумуляторов

Применение аккумуляторов настолько широко, что даже сейчас, изучая данный урок, вы используете аккумуляторы. Они есть в наших телефонах, компьютерах, планшетах.

В большинстве видов транспорта также задействованы аккумуляторы. Двигатель машины не заведется, если аккумулятор под капотом будет разряжен. Аккумуляторы приводят в движение и строительную технику, и сельскохозяйственную, и даже самолеты. Современные электромобили в самой своей основе имеют мощный аккумулятор.

Аккумуляторы играют большую роль в аварийных ситуациях: они могут поддержать работу других электрических приборов достаточное время для устранения неполадок.

Ýëåêòðîìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ

 ñëó÷àå èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè ïîòîêà âåêòîðà ìàãíèòíîé èíäóêöèè ÷åðåç çàìêíóòûé êîíòóð, â ýòîì êîíòóðå ôîðìèðóåòñÿ ÝÄÑ ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè. Åñëè êîíòóð íåïîäâèæåí, îíà ïîðîæäàåòñÿ âèõðåâûì ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì, êîòîðîå âîçíèêàåò â ðåçóëüòàòå èçìåíåíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñî âðåìåíåì. Êîãäà ìàãíèòíîå ïîëå íå èçìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì è íåò èçìåíåíèé ïîòîêà èç-çà äâèæåíèÿ êîíòóðà-ïðîâîäíèêà, òî ÝÄÑ ïîðîæäàåòñÿ ñèëîé Ëîðåíöà.

Теги

Adblock
detector