Электрический ток и его применение. Понятие электрического тока и в чём он измеряется
Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.2. При каких условиях возникает электрический ток?
Электрический ток возникает, если имеются свободные заряды, а так же в результате действия внешнего электрического поля. Для получения электрического поля достаточно создать разность потенциалов между какими-то двумя точками проводника.3. Почему движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие внешнего электрического поля является хаотическим?
Если отсутствует внешнее электрическое поле, то отсутствует и дополнительная составляющая скорости направленная вдоль напряженности электрического поля, а значит, все направления движения частиц равноправны.4. Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие и при наличии внешнего электрического поля?
В отсутствии электрического поля движение заряженных частиц хаотично, а при его наличии - движение частиц это результат хаотичного и поступательного движений.5. Как выбирается направление электрического тока? В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?
За направление электрического тока принято направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике электроны движутся в сторону, противоположную направлению тока.Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.
И так будем разбираться во всем по порядку.
Электричество
Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.
Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.
Данное явление называется статическим электричеством . Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.
Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.
Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.
Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10 -19 Кл (Кулон). Обозначается е или е – .
Напряжение
Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение . Единица измерения напряжения – Вольт (В или V ). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V . Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).
Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд , высота водяного столба (давление) – это напряжение , а скорость потока воды – это электрический ток .
Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.
Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).
Электрический ток
Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками . А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками .
Единица измерения силы тока – Ампер (А ). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I . Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·10 18 электронов) за 1 секунду.
Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.
Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление .
Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением , током и сопротивлением . Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.
Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение . Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение . Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io ) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц .
Сопротивление
Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω ). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R . Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.
Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.
На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.
Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.
Мощность
Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.
Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.
Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W ). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P . Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность , единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A ), обозначается буквой S .
И в завершение про Электрическую цепь . Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.
Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями 4.59 (220 Голосов)
В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током . За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q , переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t , к этому интервалу времени:
Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным . Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.
Находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):
Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I 1 до значения I 2 , то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:
Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:
При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:
где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.
Сопротивление проводника зависит и от его температуры:
где: R 0 – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.
Диод в цепи постоянного тока
Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:
Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.
Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников
Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I , текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R , пропорциональна напряжению U на концах проводника:
Величину R принято называть электрическим сопротивлением . Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором . Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи : сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными . Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно . У каждого способа есть свои закономерности.
1. Закономерности последовательного соединения:
Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R , то общее сопротивление R 0 находится по формуле:
2. Закономерности параллельного соединения:
Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R , то общее сопротивление R 0 находится по формуле:
Электроизмерительные приборы
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры .
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R B . Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R A . В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.
ЭДС. Закон Ома для полной цепи
Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока . Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы A ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС) :
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:
Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).
Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника ):
Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.
Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания :
Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r . У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
Несколько источников ЭДС в цепи
Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно , то:
1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:
Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.
2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:
В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.
При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:
В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.
Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца
Работа A электрического тока I , протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R , преобразуется в теплоту Q , выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):
Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца . Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt , за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:
Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).
Энергобаланс замкнутой цепи
Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R . В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:
Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:
Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R 1 и R 2 на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:
Мощность потерь или мощность внутри источника тока:
Полная мощность, развиваемая источником тока:
КПД источника тока:
Электролиз
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.
Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза .
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду ), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду ). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией .
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q , прошедшему через электролит:
Величину k называют электрохимическим эквивалентом . Он может быть рассчитан по формуле:
где: n – валентность вещества, N A – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:
Электрический ток в газах и в вакууме
Электрический ток в газах
В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов - электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов .
Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием - ионизатором . Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α -частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов - электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).
Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.
Электрический ток в вакууме
Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.
Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.
- Назад
- Вперёд
Как успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике?
Для того чтобы успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:
- Изучить все темы и выполнить все тесты и задания приведенные в учебных материалах на этом сайте. Для этого нужно всего ничего, а именно: посвящать подготовке к ЦТ по физике и математике, изучению теории и решению задач по три-четыре часа каждый день. Дело в том, что ЦТ это экзамен где мало просто знать физику или математику, нужно еще уметь быстро и без сбоев решать большое количество задач по разным темам и различной сложности. Последнему научиться можно только решив тысячи задач.
- Выучить все формулы и законы в физике, и формулы и методы в математике . На самом деле, выполнить это тоже очень просто, необходимых формул по физике всего около 200 штук, а по математике даже чуть меньше. В каждом из этих предметов есть около десятка стандартных методов решения задач базового уровня сложности, которые тоже вполне можно выучить, и таким образом, совершенно на автомате и без затруднений решить в нужный момент большую часть ЦТ. После этого Вам останется подумать только над самыми сложными задачами.
- Посетить все три этапа репетиционного тестирования по физике и математике. Каждый РТ можно посещать по два раза, чтобы прорешать оба варианта. Опять же на ЦТ, кроме умения быстро и качественно решать задачи, и знания формул и методов необходимо также уметь правильно спланировать время, распределить силы, а главное правильно заполнить бланк ответов, не перепутав ни номера ответов и задач, ни собственную фамилию. Также в ходе РТ важно привыкнуть к стилю постановки вопросов в задачах, который на ЦТ может показаться неподготовленному человеку очень непривычным.
Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того на что Вы способны.
Нашли ошибку?
Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на почту. Написать об ошибке можно также в социальной сети (). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.
В настоящей статье показано, что в современной физике представление об электрическом токе мифологизировано и не имеет доказательств его современной интерпретации.
С позиций эфиродинамики обосновывается представление электрического тока как потока фотонного газа и условия его существования.
Введение. В истории науки XIX век назвали веком электричества. Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так изменившей мир, начался с гальванического элемента — первой батарейки, химического источника тока (вольтова столба) и открытия электрического тока. Исследования электрического тока, производившиеся в большом масштабе в первые годы XIX в. дали толчок проникновению электричества во все сферы жизнедеятельности человека. Современная жизнь немыслима без радио и телевидения, телефона, смартфона и компьютера, всевозможных осветительных и нагревательных приборов, машин и устройств, в основе которых лежит возможность использования электрического тока.
Однако, широкое использование электричества с первых дней открытия электрического тока находится в глубоком противоречии его теоретическому обоснованию. Ни физика XIX в., ни современная не могут ответить на вопрос: что такое электрический ток? Например, в нижеприведенном утверждении из “Британской энциклопедии” :
“Вопрос: “Что такое электричество?”, как и вопрос: “Что такое материя?”, лежит за пределами сферы физики и принадлежит сфере метафизики”.
Первые, получившие широкую известность, опыты с электрическим током были проведены итальянским физиком Гальвани в конце XVIII в. Другой итальянский физик Вольта создал первое устройство, способное давать длительный электрический ток, – гальванический элемент. Вольта показал, что соприкосновение разнородных металлов приводит их в электрическое состояние и что от присоединения к ним жидкости, проводящей электричество, образуется непосредственное течение электричества. Ток, получающийся в названном случае, называется гальваническим током и само явление гальванизмом. При этом, ток в представлении Вольта это движение электрических жидкостей — флюидов.
Существенный сдвиг в понимании сущности электрического тока был сделан
М. Фарадеем. Им было доказана тождественность отдельных видов электричества, происходящих от различных источников. Наиболее важными работами стали эксперименты по электролизу . Открытие было воспринято как одно из доказательств того что движущееся электричество фактически идентично электричеству, обусловленному трением, т. е. статическому электричеству. Его серия остроумных экспериментов по электролизу послужила убедительным подтверждением идеи, суть которой сводится к следующему: если вещество по своей природе имеет атомную структуру, то в процессе электролиза каждый атом получает определенное количество электричества.
В 1874 году ирландский физик Дж. Стоней (Стони) выступил в Белфасте с докладом, в котором использовал законы электролиза Фарадея как основу для атомарной теории электричества. По величине полного заряда, прошедшего через электролит, и довольно грубой оценке числа выделившихся на катоде атомов водорода Стоней получил для элементарного заряда число порядка 10 -20 Кл (в современных единицах). Этот доклад не был полностью опубликован вплоть до 1881 года, когда немецкий ученый
Г. Гельмгольц в одной из лекций в Лондоне отметил, что если принять гипотезу атомной структуры элементов, нельзя не прийти к выводу, что электричество также разделяется на элементарные порции или «атомы электричества». Этот вывод Гельмгольца, по существу, вытекал из результатов Фарадея по электролизу и напоминал высказывание самого Фарадея. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории.
В 1891 году Стоней, который поддерживал идею, что законы электролиза Фарадея означают существование естественной единицы заряда, ввел термин – «электрон» .
Однако, вскоре термин электрон, введенный Стонеем, теряет свою первоначальную сущность. В 1892 году Х. Лоренц формирует собственную теорию электронов. По его утверждению электричество возникает при движении крохотных заряженных частиц – положительных и отрицательных электронов.
В конце XIX в. начала развиваться электронная теория проводимости. Начала теории дал в 1900 г. немецкий физик Пауль Друде. Теория Друде вошла в учебные курсы физики под именем классической теории электропроводимости металлов. В этой теории электроны уподобляются атомам идеального газа, заполняющего кристаллическую решетку металла, а электрический ток представляется как поток этого электронного газа.
После представления модели атома Резерфорда, серии измерений величины элементарного заряда в 20-х годах ХХ ст. в физике окончательно сформировалось представление об электрическом токе, как потоке свободных электронов, структурных элементов атома вещества.
Однако, модель свободных электронов оказалась несостоятельной при объяснении сущности электрического тока в жидких электролитах, газах и полупроводниках. Для поддержки существующей теории электрического тока были введены новые носители электрического заряда – ионы и дырки.
На основании выше изложенного, в современной физике сформировалось окончательное по современным меркам понятие : электрический ток это направленное движение носителей электрических зарядов (электронов, ионов, дырок и т. п.).
За направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов; если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (напр., электронами), то направление тока считают противоположным движению частиц.
Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени. Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий: — наличие в среде свободных электрических зарядов; — создание в среде электрического поля.
Однако, данное представление электрического тока оказалось несостоятельным при описании явления сверхпроводимости. Кроме того, как выяснилось, существует много противоречий в указанном представлении электрического тока при описании функционирования практически всех типов электронных приборов. Необходимость интерпретации понятия электрический ток в разных условиях и в разных типах электронных приборах с одной стороны, а также непонимание сущности электрического тока с другой, заставило современную физику сделать из электрона – носителя электрического заряда, “фигаро” (“свободный”, “быстрый”, “выбитый”, “испущенный ”, “тормозной ”, “релятивистский”, “фото”, “термо” и т. п.), что окончательно завело вопрос “что такое электрический ток?” в тупик.
Значимость теоретического представления электрического тока в современных условиях значительно выросла не только из-за широкого применения электричества в жизнедеятельности человека, но и из-за высокой стоимости и технической целесообразности, например, научных мегапроектов , реализуемых всеми развитыми странами мира, в которых понятие электрического тока играет существенную роль.
Эфиродинамическая концепция представления электрического тока. Из выше приведенного определения следует, что электрический ток это направленное движение носителей электрических зарядов . Очевидно, что вскрытие физической сущности электрического тока находится в решении проблемы физической сущности электрического заряда и того, что является носителем этого заряда.
Проблема физической сущности электрического заряда это не решенная проблема, как классической физикой, так и современной квантовой на протяжении всей истории развития электричества. Решение этой проблемы оказалось возможным только с использованием методологии эфиродинамики , новой концепции физики XXI в..
Согласно эфиродинамическому определению : электрический заряд это мера движения потока эфира… . Электрический заряд это свойство присущее всем элементарным частицам и только. Электрический заряд это величина знакоопределенная, т. е. всегда положительная.
Из указанной физической сущности электрического заряда следует некорректность выше представленного определения электрического тока в части того, что ионы, дырки и т. п. не могут быть причиной электрического тока в связи с тем, что не являются носителями электрического заряда, так как не являются элементами организационного уровня физической материи – элементарные частицы (согласно определению).
Электроны, как элементарные частицы имеют электрический заряд, однако, согласно определению : являются одной из основных структурных единиц вещества, образуют электронные оболочки атомов , строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических и химических свойств вещества, не могут быть подвижными (свободными) носителями электрического заряда. Свободный электрон это миф, созданный современной физикой для интерпретации понятия электрический ток, не имеющий ни одного практического или теоретического доказательства. Очевидно, что, как только “свободный” электрон покинет атом вещества, образуя электрический ток, непременно должны произойти изменения физико-химических свойств этого вещества (согласно определению), чего в природе не наблюдается. Это предположение было подтверждено опытами немецкого физика Карла Виктора Эдуарда Рикке : “прохождение тока через металлы (проводники первого рода) не сопровождается химическим изменением их.” В настоящее время, зависимость физико-химических свойств вещества от наличия того или иного электрона в атоме вещества хорошо изучена и подтверждена экспериментально, например, в работе .
Также существует ссылка на опыты , выполненные впервые в 1912 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, но не опубликованные ими. Четыре года спустя (1916 г.) Р. Ч. Толмен и Т. Д. Стюарт опубликовали результаты своих опытов, оказавшихся аналогичными опытам Мандельштама и Папалекси. В современной физике эти опыты служат непосредственным подтверждением того, что переносчиками электричества в металле следует считать свободные электроны.
Для того, чтобы понять некорректность этих опытов, достаточно рассмотреть схему и методику опыта , в котором в качестве проводника использовалась катушка индуктивности, которая раскручивалась вокруг своей оси и резко останавливалась. Катушка с помощью скользящих контактов была подключена к гальванометру , который регистрировал возникновение инерционной ЭДС. Фактически можно сказать, что в данном опыте роль сторонних сил, создающих ЭДС, играла сила инерции, т. е. если в металле есть свободные носители заряда, обладающие массой, то они должны подчиняться закону инерции . Утверждение “они должны подчиняться закону инерции ” ошибочно в том плане, что согласно уровневому подходу в организации физической материи , электроны, как элементы уровня “элементарные частицы“ подчиняются только законам электро- и газодинамики, т. е. законы механики (Ньютона) к ним не применимы.
Для убедительности этого предположения рассмотрим известную задачу 3.1: вычислить отношение электростатической (Fэ) и гравитационной (Fгр) сил взаимодействия между двумя электронами, между двумя протонами.
Решение: для электронов Fэ / Fгр = 4·10 42 , для протонов Fэ / Fгр = 1,24·10 36 , т.е. влияние гравитационных сил настолько мало, что принимать их во внимание не приходится. Данное утверждение справедливо и для сил инерции.
Это значит, что выражение для ЭДС (предложенное Р. Ч. Толменом и Т. Д. Стюартом), исходя из ее определения через сторонние силы F стор , действующие на заряды внутри проводника, подвергшегося торможению:
ε = 1/e ∫F стор ∙dl,
некорректно в своей постановке, ввиду того, что F стор → 0.
Тем не менее, в результате опыта наблюдалось кратковременное отклонение стрелки гальванометра, которое требует объяснения. Для понимания этого процесса следует обратить внимание на сам гальванометр, в качестве которого был использован так называемый баллистический гальванометр . Его инструкция по использованию имеет такой вариант.
Баллистический гальванометр может использоваться в качестве веберметра (т.е. измерять магнитный поток через замкнутый проводник, например катушку), для этого к контактам баллистического гальванометра подключают индуктивную катушку , которую помещают в магнитное поле . Если после этого резко убрать катушку из магнитного поля или повернуть так чтобы ось катушки была перпендикулярна силовым линиям поля, то можно измерить заряд прошедший через катушку, вследствие электромагнитной индукции , т.к. изменение магнитного потока пропорционально прошедшему заряду, проградуировав соответствующим образом гальванометр, можно определять изменение потока в веберах .
Из выше изложенного очевидно, что использование баллистического гальванометра в качестве веберметра соответствует методике опыта Р. Ч. Толмена и Т. Д. Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах. Открытым остается вопрос об источнике магнитного поля, которым, например, могло быть магнитное поле Земли. Влияние внешнего магнитного поля Р. Ч. Толменом и Т. Д. Стюартом во внимание не принималось и не исследовалось, что и привело к мифологизации результатов опыта.
Сущность электрического тока. Из выше изложенного следует, что ответом на вопрос, что такое электрический ток? также является решение проблемы носителя электрического заряда. На основании существующих представлений этой проблемы можно сформулировать ряд требований, которым должен удовлетворять носитель электрического заряда. А именно: носитель электрического заряда должен быть элементарной частицей; носитель электрического заряда должен быть свободным и долгоживущим элементом; носитель электрического заряда не должен разрушать структуру атома вещества.
Не сложный анализ существующих фактов позволяет сделать вывод, что выше указанным требованиям удовлетворяет только один элемент уровня “элементарные частицы” физической материи: элементарная частица – фотон .
Совокупность фотонов вместе со средой (эфиром), в которой они существуют, образуют фотонный газ.
Принимая во внимание физическую сущность фотона и выше приведенные сведения можно дать следующее определение:
электрический ток это поток фотонного газа, предназначенный для переноса энергии.
Для понимания механизма движения электрического тока рассмотрим известную модель транспортировки газа метана . Упрощенно она включает в себя магистральный трубопровод, который доставляет газ метан от газового месторождения к месту потребления. Для перемещения газа метана по магистральному трубопроводу необходимо выполнение условия – давление газа метана в начале трубопровода должно быть больше давления газа метана в его конце.
По аналогии с транспортировкой газа метана рассмотрим схему движения электрического тока, состоящую из батареи (источника электрического тока), имеющей два контакта “+” и “-“ и проводника. Если к контактам батареи подсоединить металлический проводник, то получим модель движения электрического тока, подобную транспортировке газа метана.
Условием существования электрического тока в проводнике по аналогии с моделью транспортировки газа метана является наличие: источника (газа) повышенного давления, т. е. источника высокой концентрации носителей электрического заряда; трубопровода – проводника; потребителя газа, т. е. элемента, обеспечивающего снижение давления газа, т. е. элемента (сток), обеспечивающего уменьшение концентрации носителей электрического заряда.
Отличием электрических схем от газо-, гидро- и др. является то, что конструктивно источник и сток исполняются в одном узле (химическом источнике тока-батарее, электрогенераторе и т. п.). Механизм протекания электрического тока заключается в следующем: после подсоединения проводника к батарее, например, химическому источнику тока , в зоне контакта “+” (анод) происходит химическая реакция восстановления, в результате которой осуществляется генерация фотонов, т. е. образуется зона повышенной концентрации носителей электрического заряда. В это же время, в зоне контакта “-“ (катода) под воздействием фотонов, оказавшихся в этой зоне в результате перетока по проводнику, происходит реакция окисления (потребления фотонов), т. е. образуется зона пониженной концентрации носителей электрического заряда. Носители электрического заряда (фотоны) из зоны высокой концентрации (источника) движутся по проводнику в зону низкой концентрации (стоку). Таким образом, сторонней силой или электродвижущей силой (ЭДС), обеспечивающей электрический ток в цепи является разность концентрации (давления) носителей электрического заряда (фотонов), образующейся в результате работы химического источники тока.
Это обстоятельство еще раз подчеркивает справедливость основного вывода энергодинамики , согласно которому силовые поля (и в том числе электрическое поле) создается не массами, зарядами и токами самими по себе, а их неравномерным распределением в пространстве.
Исходя из рассмотренной сущности электрического тока, очевидна абсурдность опыта Р. Ч. Толмена и Т. Д. Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах. Способа генерации фотонов за счет изменения скорости механического движения какого-либо макроскопического тела в природе в настоящее время не существует.
Интересным аспектом выше изложенного представления электрического тока является его сравнение с представлением понятия “свет”, рассмотренного в работе : свет это поток фотонного газа… . Указанное сравнение позволяет сделать вывод: свет это электрический ток. Различие в этих понятиях заключается только в спектральном составе фотонов, образующих свет или электрический ток, например, в металлических проводниках. Для более убедительного понимания этого обстоятельства рассмотрим схему генерации электрического тока с помощью солнечной батареи. Поток солнечного света (фотонов видимого диапазона) от источника (солнце) достигает солнечной батареи, которая преобразует падающий поток света в электрический ток (поток фотонов), который по металлическому проводнику поступает потребителю (сток). В данном случае солнечная батарея выполняет роль преобразователя спектра потока фотонов, излучаемого солнцем в спектр фотонов электрического тока в металлическом проводнике.
Выводы . В современной физике не существует доказательств, что электрический ток это направленное движение электронов или каких-либо других частиц. Напротив, современные представления об электроне, электрическом заряде и опыты Рикке показывают на ошибочность данного понятия электрического тока.
Обоснование совокупности требований к носителю электрического заряда, с учетом его эфиродинамической сущности, позволили установить, что электрический ток это поток фотонного газа, предназначенный для переноса энергии.
Движение электрического тока осуществляется из зоны высокой концентрации фотонов (исток) в зону низкой концентрации (сток).
Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение трех условий: поддержание (генерация) высокой концентрации фотонов в зоне истока, наличие проводника, обеспечивающего переток фотонов и создание зоны потребления фотонов в области стока.
Электричество Электрон.
Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов
Направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.
Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).
Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. - Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. - Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.
В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.
В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест - дырок.
За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.
На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE , которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.
На рисунке показано, что вектор силы F - = -qE , действующей на отрицательный заряд -q , направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.
Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:
I = Q/t .
Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m 2:
Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ 1 и φ 2 между этими точками из расчёта:
U = A/Q = φ 1 - φ 2
Электрический ток может быть постоянным или переменным.
Постоянный ток - электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.
Переменный ток - электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.
Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R
и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U
на концах этого проводника и его сопротивления R
:
Электрический ток в проводниках
В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.
В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.
Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. - Электролиз.
Анионы - положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду - катоду.
Катионы - отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду - аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.
Электрический ток в газах - плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.
Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах - лампах.
Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники - изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I
в полупроводнике складывается из электронного I n
и дырочного I p
токов.
К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
Загрузка...
