Свойства электрического тока: виды и применение электротока, основные понятия, движение носителей заряда, формулы

Содержание

виды и применение электротока, основные понятия, движение носителей заряда, формулы

Применение электрического тока разнообразно, поскольку невозможно представить без него жизнь человечества. Следует понимать его природу возникновения, чтобы направить энергию во благо, а не во вред. Электрический ток подчиняется законам физики, которые используются для изготовления различных устройств. Для его грамотного использования нужно знать основные электрические величины.

Основные понятия

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, благодаря которым может порождаться электромагнитное поле. К заряженным частицам можно отнести следующие: электроны, протоны, нейтроны, дырки и ионы. В научной литературе нейтрон не имеет заряда, однако участвует в образовании электромагнитного поля.

Кроме того, некоторые не знают, почему электроток является векторной величиной. Это утверждение следует из его определения, поскольку он имеет направление. В некоторых источниках можно встретить такое определение: электроток — скорость, с которой происходит изменение зарядов элементарных частиц в определенный момент времени. Ток характеризуется силой и напряжением (разность потенциалов). Свойства, которыми обладает электроток: тепловое, механическое, химическое и создание электромагнитного поля.

Сила и тип тока

Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через проводник за единицу времени, равную одной секунде. Материалы по проводимости делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники — вещества, которые способны проводить ток, поскольку в них есть свободные электроны. Их наличие можно выяснить по таблице Д. И. Менделеева, воспользовавшись электронной конфигурацией химического элемента.

Полупроводники могут проводить поток заряженных частиц при определенных условиях. Простым примером является полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. Носителями заряда являются электроны и дырки.

(-7) Н.

Упрощенный вариант формулировки следующий: сила электротока, при которой через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени t проходит количество электричества Q, называется ампером. Определение записывается в виде формулы и имеет следующий вид: I = Q / t.

Бывают вспомогательные единицы измерения, к которым относят мА (0,001 А), кА (1000 А) и т. д.

Значение силы тока измеряется при помощи амперметра, который подключается в цепь последовательно. Видов электрического тока всего два: постоянный и переменный. Если ток остается постоянным или изменяется по величине, не меняя направления, то он называется постоянным.

Переменный ток изменяется по амплитудному значению и направлению протекания по какому-либо закону. Его основной характеристикой является частота. По закону изменения амплитуды их можно разделить на следующие виды: синусоидальные и несинусоидальные. Первые изменяются по гармоническому закону и его графиком является синусоида.

Формула синусоидального тока включает в себя максимальное значение силовой характеристики Iм, время t и угловую частоту w = 2 * 3,1416 * f (частота тока источника питания): i = Iм * sin (w * t). Еще одной величиной, характеризующей электроток, является напряжение или разность потенциалов.

Разность потенциалов

Любое вещество состоит из атомов, состоящих из элементарных частиц. Ядро обладает положительным зарядом, а вокруг него по своим орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Атомы являются нейтральными, поскольку число электронов равно количеству протонов в ядре.

При потерях электронов атомами образуется электромагнитное поле, создаваемое протонами, поскольку они стремятся вернуть недостающие отрицательно заряженные частицы. Если по какой-то причине произошел избыток электронов, то формируется электромагнитное поле с отрицательной составляющей. В первом и во втором случаях формируются положительные и отрицательные потенциалы соответственно. Различие между ними называется напряжением или разностью потенциалов.

Величина различия прямо пропорциональна значению напряжения: при увеличении разницы возрастает значение напряжения. При соединении потенциалов с различными знаками возникает электроток, который стремится устранить причину разности и вернуть атом в исходное состояние.

Электрическое напряжение — работа, совершаемая электромагнитным полем по перемещению точечного заряда. Единица измерения напряжения является вольт (В), а его значение можно измерять с помощью вольтметра. Он подключается параллельно участку или электроприбору, на котором необходимо измерить разность потенциалов. 1 В является разностью потенциалов между двумя точками с зарядом 1 Кл, при котором сила электромагнитного поля совершает работу, равную 1 Дж.

Условия получения и законы

Электроток возникает при воздействии электромагнитного поля на проводник. Но также справедливо и обратное утверждение, доказывающее возникновение электрического поля в результате протекания тока. Важными условиями его получения являются такие факторы: наличие свободных электронов и источника напряжения. Наличие носителей заряда влияет на проводимость, а напряжение является внешней силой, которая способствует «вырыванию» из кристаллической решетки этих частиц.

Проводимость веществ

Носителями заряда в металлах являются электроны. При высокой температуре проводника возникает движение атомов, некоторые из них распадаются и образуются новые свободные электроны. Заряженные частицы взаимодействует с атомами и узлами кристаллической решетки, и часть энергии превращается в тепловую. Этот процесс называется электрическим сопротивлением проводника.

Оно зависит от следующих составляющих:

  • Температуры.
  • Типа вещества.
  • Длины проводника.
  • Площади поперечного сечения.

При уменьшении температуры вещества происходит снижение его сопротивления. Зависимость от типа вещества объясняется тем, что каждое вещество состоит из атомов. Они образуют между собой кристаллическую решетку, причем у каждого вещества она разная. Каждый атом имеет определенную электронную конфигурацию, а следовательно, отличается от других наличием носителей заряда.

Кроме того, потоку заряженных частиц сложнее пройти через длинный проводник с маленьким значением его площади поперечного сечения.

Проводником является и электролит или жидкость, проводящая электрический ток. Носителями заряда в жидкостях являются ионы, которые бывают положительно (анионы) и отрицательно (катионы) заряжены. Электрод с положительным потенциалом называется анодом, а с отрицательным — катодом. Перемещение происходит при подаче напряжения на электроды. Катионы перемещаются к аноду, а анионы — к катоду.

При протекании тока через электролит происходит его нагревание, в результате которого увеличивается сопротивление жидкости. Некоторые газы способны проводить электроток тоже. Носителями заряда в них являются ионы и электроны, а сам «заряженный газ» называется плазмой.

Электричество в полупроводниках подчиняется тем же законам, что и в проводниках, но есть некоторые отличия. Представлять носители заряда в них могут электроны и дырки. При уменьшении температуры сопротивление его возрастает. При внешнем воздействии на полупроводник связи в кристаллической решетке ослабевают и появляются свободные электроны, а в месте, где они были, происходит образование дырки. Однако она притягивает другой электрон, который находится рядом. Так и происходит движение дырок. Следовательно, сумма дырочного и электронного электромагнитных полей образует электроток.

Основные соотношения

Все явления подчиняются физическим законам, и электричество не является исключением. Основные соотношения зависимости одной величины от других описаны в законах, которые применяются для расчета различных схем для простых и сложных устройств. Кроме того, правила помогают избежать различных аварийных ситуаций, поскольку электричество может служить и во вред человечеству, вызывая пожары, травмы и даже смерть.

Основным законом, используемым в электротехнике, является закон Ома для участка и полной цепи. Для участка цепи он показывает зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R и его формулировка следующая: ток, протекающий на участке цепи, прямо пропорционален значению напряжения и обратно пропорционален сопротивлению этого участка (I = U / R).

Для полной цепи, в которой существует электродвижущая сила (e) и внутреннее сопротивление источника питания: формулировка выглядит следующим образом: ток, протекающий в полной цепи, прямо пропорционален электродвижущей силе (ЭДС) и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи с учетом внутреннего сопротивления источника питания (i = e / (R + Rвн)).

Из этих законов можно получить следствия, которые нужны для нахождения величин напряжения, ЭДС и сопротивлений.

Следствия из законов Ома:

  • R = U / I.
  • U = I * R.
  • e = i * (R + Rвн).
  • R = (e / i) — Rвн.
  • Rвн = (e / i) — R.

Электроток, при прохождении через проводник или полупроводник, совершает работу, при которой выделяется тепловая энергия. Это одно из его свойств. Ее численное значение определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.

Закон показывает зависимость количества теплоты от величин напряжения и силы тока, а также времени протекания электротока.

Его формулировка следующая: количество теплоты Q, выделяемое током при протекании через проводник за единицу времени, прямо пропорционально зависит от напряжения и силы тока (Q = U * I * t). Следствия из этого закона следующие:

    • Q = sqr (I) * R * t.
    • Q = (sqr (U) * t) / R.
    • I = Q / (U * t).
    • I = sqrt ((Q / (R * t)).
    • U = Q / (I * t).
    • U = sqrt (Q * R * t).
    • t = Q / (U * I).
    • t = Q / (sqr (I) * R).
  • Q = P * t.
  • P = Q / t.
  • t = Q / P.

Величина Р является мощностью и вычисляется по формуле: Р = U * I. Если электрический ток в цепи не совершает механическую работу и не производит никакого действия, то все электрическая энергия преобразуется в тепловую, т. е. A = Q.

Опытным путем было установлено, что при пересечении линий электромагнитной индукции проводником замкнутого типа в нем появляется электроток. Закон о влиянии электромагнитного поля на возникновение тока называется законом Фарадея. Он гласит: отрицательное значение ЭДС электромагнитной индукции в контуре, который является замкнутым, равно изменению магнитного потока с течением времени. Из закона Фарадея следует, что при движении проводника в постоянном магнитном поле на концах первого возникает разность потенциалов. Этот принцип используется для изготовления генераторов, трансформаторов и т. д.

Таким образом, электрический ток, как все явления и процессы, подчиняется определенным законам, которые позволяют не только контролировать, но и избегать негативных последствий, связанных с его работой. Производить расчеты нужно и для экономии времени, поскольку подбор номинала какого-либо элемента схемы может привести к выходу из строя устройства.

Воздействие электрического тока на человека

Когда человек вступает в контакт с источником напряжения, происходит поражение электрическим током. Касаясь проводника, находящегося под напряжением, человек становится частью электросети, по которому протекает электрический ток.

Как известно, человеческий организм состоит из множества жидкостей и минералов, что является хорошим проводником электричества. Это говорит о том, что действие электрического тока на организм человека оказывает летальный исход.

Виды воздействия электрического тока

Существует много факторов, влияющих на результат действия электрического тока на организм человека:

  • пути протекания — самую большую опасность представляет ток, протекающий через головной и спинной мозг;
  • продолжительность воздействия — чем больше время действия тока на человека, тем тяжелее последствия;
  • от величины и рода протекания — переменный ток является наиболее опасным, чем постоянный;
  • от физического и психологического состояния человека — человек обладает неким сопротивлением, это сопротивление варьируется в зависимости от состояния человека.
Минимум, который способен прочувствовать человек составляет 1 мА. Если действие электрического тока более 25 мА, то это приводит параличу мышц органов дыхания.

Электрический ток проходя через организм человека может оказывать на него 3 вида воздействий:

  • термическое — подразумевает появление ожогов, а так же перегревание кровеносных сосудов;
  • электролическое — проявляется в расщеплении крови, вызывает существенные изменения физико-химического состава;
  • биологическое — нарушение нормальной работы мышечной системы, вызывает судорожные сокращения мышц.

Существует множество повреждений, которые возникают в результате действия электрического тока: металлизация кожи, электрические знаки, электроофтальмия, механические повреждения. Наиболее опасным являются электрические удары. Электрический удар сопровождается возбуждением живых тканей организма током, который через него проходит.

В зависимости от того, какие последствия возникают после электрического удара, их разделяют на 4 степени воздействия:

I — судорожные сокращения мышц, человек в сознании;

II — судорожные сокращения мышц, человек без сознания, дыхание и работа сердца присутствуют;

III – отсутствие дыхания с нарушением работы сердца;

IV – клиническая смерть, отсутствие дыхания, остановка сердца.


Соблюдайте правила безопасности и берегите себя! Для защиты работы с электрическим током Вы можете посмотреть в нашем каталоге.



Поделиться записью

Электрический ток: польза и опасность

Что такое электрический ток знает каждый старшеклассник. Более того, современную жизнь просто невозможно представить без использования электрической энергии. Электрический ток дарит нам и свет (электрические лампы), и тепло (электронагревательные приборы). В своей жизни мы используем самые разные электротехнические устройства, которые делают ее комфортнее (телевизор, радиоприёмник, телефон, стиральная машина, пылесос и так далее). Промышленность просто перестала бы существовать, если бы не было электричества. Однако, при всей той пользе, которую несет в себе использование электрического тока, он вместе с тем содержит в себе и опасность. Давайте попробуем разобраться, что нужно учитывать, чтобы это использование было безопасным.

Сначала следует отметить, что электрический ток может оказать на человеческий организм негативное воздействие:

  1. Механическое: электрический ток приводит к сильному и резкому сокращению мышц вплоть до их разрыва.

  2. Термическое: температурный нагрев тканей организма (ожог) вызывает функциональное расстройство органов.

  3. Электролитическое: физико-химические процессы электролиза, происходящие под действием электрического тока в живых тканях, приводят к нарушению баланса.

  4. Световое: вспышки света и ультрафиолетовое излучение, созданное электрическим током приводят к негативному воздействию на глаза.

  5. Биологическое: действие электрического тока может привести к раздражению и перевозбуждению нервной системы человека.

Электрический ток в проводнике описывается законом Ома для участка цепи:

где I – сила тока в проводнике, измеряемая в амперах (А), U – электрическое напряжение на концах проводника, измеряемое в вольтах (В), R – электрическое сопротивление проводника, измеряемое в омах (Ом).

Действие электрического тока на организм человека в первую очередь определяется силой тока. Переменный электрический ток частоты 50 Гц, используемый для работы бытовой техники, является смертельно опасным, если сила тока равна или больше, чем 0,1А. К потере сознания приводят токи силой 0,05–0,1 А. Токи силой менее 0,05 А считаются сравнительно неопасными и приводят лишь покалыванию и к неприятным ощущениям в организме. Однако, даже при небольших токах силой 0,005–0,02 А мышцы теряют способность самопроизвольно сокращаться, и человек может оказаться долгое время под воздействием электрического тока, что не безопасно.

Согласно закону Ома сила тока обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, которое может быть различным. Если кожа человека сухая и огрубевшая сопротивление равно примерно 100000–200000 Ом. Если кожа влажная и тонкая, то – 30000–50000 Ом. Самая неблагоприятная ситуация будет, если человек стоит на хорошо проводящей поверхности, в этом случае сопротивление уменьшается до 10000–20000 Ом. В условиях повышенной влажности сопротивление может быть очень небольшим: 1000–2000 Ом.

Таким образом, если человеческий организм оказался под воздействием бытового напряжения 220 В, то в самом неблагоприятном случае при сопротивлении в 1000 Ом, согласно закону Ома, сила тока будет 0,22 А. Такая сила тока может привести к параличу дыхания. В самом лучшем случае при сопротивлении в 200000 Ом сила тока будет 0,0011 А. Действие такого тока приведет лишь к неприятным ощущениям.

Поэтому никогда не нужно касаться оголенных проводов или неисправных электроприборов, если нет абсолютной уверенности в том, что они не находятся под напряжением. Особенно опасно прикосновение двумя руками, так как в этом случае электрический ток пройдет через область сердца.

По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:

Определите, силу тока через резиновые перчатки толщиной 1мм, если площадь соприкосновения с электрическим проводом, находящимся под напряжением 220В, равна 1мм2.Удельное сопротивление резины 1013Омм.

Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г.Москвы

Основные законы электродинамики.Свойства электрического тока

»         Тема:  «Основные законы электродинамики.                                Свойства электрического тока.»                                                                                     Тараз, 2016 г Оглавление Введение_______________________________________________________5 1. Теоретическая часть.  Понятие « электрический ток»__________________________________8 2.Практическая часть. Сбор схемы на конструкторе____________________________________10 Заключение_____________________________________________________13 Список литературы______________________________________________15 Приложение_____________________________________________________16 Аннотация Зерттеудің тақырыбы:              Электродинамикалыканың негізгі заңы. Бағыты:                    Физика пәні Зерттеу объектісі:   Электр тоғы. Гипотеза:                  Электр тоғы кестеге, материалға, жағдайларға байланысты,                                         өзін әртүрлі бағытта көрсетеді. Міндеті:                     Электр тоғының жеңіл жолының заңдылық қозғалысын                                        тәжірибе жолмен дәлелдеу (тоқ күші  қуаты /қарсыласуы) Зерттеудің әдіс­тәсілдері:            Ақпарат жинақтау, «Электроник» электрондық арқылы                                        тәжірибе өткізу. Жобамның өзектілігі электр тоғының                                         қасиеттерін және оның түрлі жағдай мен ортадағы тәртібін                                         біле отырып, альтернативті электр қуатын алу жолдарын                                        анықтай аламыз. ═ 2 Аннотация Тема исследования:      Основные законы электродинамики.                                Свойства электрического тока. Направление:       Физика Объект исследования:      Электрический ток. Гипотеза:              В зависимости от условий, схемы, материала,                                 электрический  ток  ведет себя по­разному. Задача:                  Опытным путем подтвердить закономерность                                   движения  электрического тока по наиболее                                  легкому      пути (сила тока =  напряжение / сопротивление) Методы исследования:      Сбор информации, проведение экспериментов при                                   помощи  электронного конструктора «Электроник» Annotation Research issue:                The basic laws of electrodynamics.                           Properties of electric current. 3 Direction:         Physics. Subject of inquiry:        The electric current. Hypothesis:      Depending on the conditions, the circuit material, the                            electric current behaves differently. Objective:         To experimentally confirm the pattern of movement                            of electric current to the easiest way                            (current = voltage / resistance) Methods of research:       To gather information, conducting experiments using                             electronic construction set «Electronics» Введение К выбору темы  проекта был длинный путь. С  детства меня интересовали очень многие вопросы.  Я пытался найти и объяснить закономерности  окружавшего меня мира дома, на даче, на природе. 4 Я пытался понять, как работает насос и как он поднимает воду к поверхности. Мне были интересны свойства воды. Особенно меня поразила интересная конструкция в Киеве, где потоком воды в  воздухе удерживался кран, который держался исключительно данным потоком воды. Мне были интересны различные  инструменты, помогавшие людям в их  трудовой деятельности. Эти инструменты  также были созданы с учетом свойств  различных жидкостей и воды. С детства родители старались развивать  замеченные у меня склонности к  объяснению различных закономерностей и покупали различные конструкторы.   Одним из таких развивающих наборов был конструктор   5 Я расту в семье, где профессии всех мужчин связаны с электричеством. Если  говорить точнее мой папа, дедушка и дядя являются инженерами­электриками.  Потому с детства они обращали моё внимание на пользу и опасность электрического  тока. Даже когда мы с семьёй выезжали на отдых, папа обращал внимание на линии  электропередач и объяснял принцип их работы.  Я думаю именно в связи с рассказами моих близких связан мой интерес к технике.  И к моменту выбора темы проекта я знал, что мне интересно и что мне знакомо  достаточно хорошо. Этими знаниями я хотел поделиться со своими друзьями. Я считаю что,  актуальность  моего проекта заключается в том, что зная свойства электрического   тока   и   его   поведения   в   разных   условиях   и   средах,   мы   сможем выяснить новые способы получения альтернативной электроэнергии.  Так например, в начале ноября 2014 года в Нидерландах  было уложено 70 метров  велосипедной дорожки, способной накапливать электроэнергию и заряжать  6 электровелосипеды при движении.  (https://www.youtube.com/watch? v=LVdd2kC_9Og).  Мне кажется, что начиная  с моего возраста нужно знать основные законы, чтобы в  дальнейшем наше поколение могло разработать что­то новое, позволяющее защитить  окружающую среду от вредных воздействий. 1.Теоретическая часть. Понятие « электрический ток» Во­первых, почему «ток»? Ток – это то, что течет. Река – это тоже ток. Ток воды. Электрический ток, это количество электрического заряда перенесенное за единицу времени.   Чем   больший   заряд   протекает   (переносится)   за   единицу   времени,   тем больший ток. Точно так же как в реке – чем большее количество воды переносится за единицу времени – тем мощнее река. Очевидно, что все мощные реки – довольно широкие  Амазонка, Ганг, Волга, Миссисипи. Поэтому если ток большой – то провод нужен   толстый!   Через   тонкий,   конечно,   тоже   можно,   но   он   будет   нагреваться   и может даже расплавиться, на этом принципе построены плавкие предохранители. То есть   при   превышении   некоего   расчётного   тока,   перегорает   проволочка   в предохранителе.   С рекой  — то  же  самое:  запустите  в неё  воды  в несколько   раз больше, чем может пропустить русло («провод») и она выйдет из берегов и разрушит всё вокруг. То есть ток – это течение электрических зарядов за время. Теперь про напряжение. Река течет, потому что ее исток и устье находятся в разных уровнях, разных высотках H(igh). Течет сверху вниз, под действием силы тяжести. Например, болото находится в одном уровне и никуда не течет, там нет «тока». Иными словами, для того чтобы река потекла, нужна разность высот.  7 Точно также и в электричестве. Чтобы возник ток, нужна разность потенциалов (разность высот напряжения). Нужен «верх» и «низ». Посмотрите на батарейку. На ней — плюс и минус и написано 1,5 вольта. То есть разность потенциала между плюсом   и   минусом   –   1,5   вольта.   По   мере   износа   эта   разность   падает   до   нуля. Соответственно   возникновение   тока   становится   невозможным.   Таким   образом,   в физике электрическое напряжение – это разность электрических потенциалов.    Ток связан с напряжением через сопротивление согласно первому закону Ома. Сопротивление это препятствие, которое нужно преодолеть току на пути от плюса к минусу.   Чем   больше   вы   подключите   электроприборов,   тем   больше   препятствий нужно преодолеть току, чтобы достичь своей цели и тем больше будет потребляться ток. В аналогиях с рекой – чем больше от этой реки будет отводов, тем больше нужно воды, чтобы достичь нижнего уровня (устья).    Чтобы отвести от русла реки воду для полива полей, нужно построить плотину («сопротивление»). Плотина должна быть из прочных материалов, так как вода будет стремиться прорвать плотину, чтобы бежать по пути наименьшего сопротивления.      Таким   же   свойством   обладает   и   электрический   ток,   он   всегда   стремится пройти по пути наименьшего сопротивления. Краткую   историю   открытия   электрического   тока   и   его   свойств   см.   в Приложении. 2.Практическая часть. Сбор схемы на конструкторе   В ходе нашего проекта мы на примере электрических схем покажем данное свойство электрического тока. 8 Соберем схему №1. Нам понадобятся следующие детали Блок  источника электропитания; Рычажный выключатель; Блок сирена; Динамик Одинарный кнопочный разъем; Проводники с двумя кнопочными разъемами; Проводники с тремя кнопочными разъемами; Светодиод. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Источником   тока   в   блоке   электропитания   будут   служить   две   батарейки постоянного тока напряжением 1,5 Вольта (напряжение измеряется в Вольтах в честь ученого   с   фамилией   Вольт),   соединенные   последовательно,   то   есть   плюс   одной батарейки соединяется с минусом другой. При последовательном соединении общее напряжение блока электропитания будет равно суммарному напряжению батареек, то есть 3 Вольта. В электрических схемах ток всегда течет по замкнутой цепи от плюса   к   минусу.   Если   цепь   разомкнуть   ток   течь   не   будет.   Для   размыкания   и замыкания электрической цепи мы используем рычажный выключатель. Блок сирена необходим для звучания динамика. Светодиод используем, как сигнализатор течения тока по электрической цепи, так как когда через светодиод проходит электрический ток, он светится.  Проводники с разъемами будут служить для соединения элементов электрической схемы между собой и создания электрической цепи. Итак собранную схему №1 мы видим на рисунке 1.        9 Рис.1                                                              Рис. 2 Замыкая электрическую цепь рычажным выключателем, мы видим, что зажигается светодиод (значит по электрической цепи течет ток), но динамик звучит тихо. Из этого следует, что динамику не хватает тока. Преобразуем схему №1. Создадим дополнительный путь току в обход светодиода при помощи дополнительных проводников с разъемами. Преобразованную схему мы можем видеть на рисунке 2.                                            Теперь замыкая рычажный выключатель, наблюдаем, что динамик звучит громко, ему хватает тока. Но светодиод не горит, значит, ток течет в обход светодиода по более легкому пути ­ дополнительным проводникам с разъемами.     Проведенный опыт доказывает, что ток всегда выбирает более легкий путь.     Подтвердим сделанные выводы при помощи Схемы №2     Для схемы №2 будем использовать следующие детали: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Блок  источника электропитания; Рычажный выключатель; Лампочку; Одинарный кнопочный разъем; Проводники с двумя кнопочными разъемами; Проводники с тремя кнопочными разъемами; Светодиод. Лампочка,   как   и   светодиод,   будет   служить   для   сигнализации   течения   тока   по замкнутой цепи. Соберем схему №2 Рис 3.                                                                 Рис 3 Рис.4 Запуская   схему   рычажным   выключателем,   видим,   что   зажигается   и   светодиод   и лампочка, но лампочка горит слабо, значит, ей не хватает тока. Преобразуем   схему,   укоротив   путь   для   тока   при   помощи   дополнительного проводника в обход светодиода Рис 4.                                                    10 Включая рычажный выключатель, что лампочка горит хорошо, а светодиод не горит. Таким   образом,   ток   побежал   по   более   легкому   пути   в   обход   светодиода,   что подтверждает вывод, сделанный при первом опыте. Вывод Данные опыты демонстрируют основное свойство электрического тока. Ток бежит по пути наименьшего сопротивления.                                                  Заключение.       В   классе   было   проведено   анкетирование,   результаты   которого   приведены   в нижеследующих диаграммах. 1. Что такое электричество? 2. Какие свойство тока Вам знакомы? 11 3. Какие электроприборы вы можете перечислить? Ответы на данные вопросы демонстрируют общую осведомленность одноклассников о токе и приборах, работа которых связана с током. Но эти знания общие и на более конкретные вопросы учащиеся ответить затрудняются. Поэтому моя работа очень актуальная,   так   как   доступным   языком   объясняет   основной   закон   и   свойства электрического тока, а также демонстрируют необходимость в обучении учеников основным законам электродинамики, так как сегодня каждый использует различные электрические приборы. В   проекте   доступным   языком   описывается   сложнейший   физический   процесс основного   закона   электродинамики.   Это   поможет   юным   физикам   и   ребятам, 12 интересующимся   различными   закономерностями   понять,   как   ведет   себя электрический   ток   в   зависимости   от   расположения   в   тех   или   иных   условиях.   А детский   конструктор   поможет   развить   логические   мышление   и   моторику   рук ребенка. Поэтому  данный проект полезен и познавателен. Используемая литература. 1. 2. Интернет ресурсы Чудо­книга. Универсальная энциклопедия для детей. Том 3. М.,1997. 3         «Физика и астрономия» 9 класс, Алматы, Издательство «Мектеп», 2009 г., 2­е издание, авторы: Р.Башарулы, У.Токбергенова, Д.Казахбаева, Н.Бекбасар. Глава VIII «Атомное   ядро»,   «Ядерная   энергия»,   «Сведения   об   элементарных   частицах   и развития Вселенной» §55­§63. 4         «Физика»   10   класс,   Алматы,   Издательство   «Мектеп»,   2006   г.,   авторы: Р.Башарулы, У.Токбергенова, Г.З.Байжасарова. Глава VII «Основы термодинамики» §с33­§39. 5    «Физика» 11 класс, Алматы, Издательство «Мектеп», 2007 г., авторы: Башарулы, У.Токбергенова, Г.Байжасарова. Глава I «Электростатика», Глава II «Электрический ток»,   Глава  III  «Электромагнетизм»,   Глава  IV  «Электромагнитные   колебания   и волны».   6.     Издательство «Большая Советская Энциклопедия» И. Е.Тамм «Основы теории электричества» 10 издание Москва, 1989 г., Раздел «Электричество».  13 ПРИЛОЖЕНИЕ  КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И ЕГО  СВОЙСТВ. Кто открыл? Что открыл? Где? Когда? Почему это  происходит? Обнаружил, что  потёртый о  Древняя  Греция VII век  до н. э. Благодаря  электромаг­ шерсть  янтарь (др.­ греч.  ἤλεκτρον : Философ Фалес  электрон) приобретает свойства притягивать  легкие предметы нитному полю 14 Создает  Магдебург 1663 г. Электростати­ Германия ческие  свойства  предметов электростатическую  машину, которая  позволила наблюдать не только эффект  притягивания, но и  эффект отталкивания Отто фон  Герике Провел опыты по  передаче электричества на расстояние,  обнаружив, что не все  материалы одинаково  передают  электричество Стивен Грей Англия 1729 г. Благодаря  движению  заряженных  частиц Создает  первый электрический  конденсатор — Лейден ская банка. Голландия 1745 Электричес­ кий ток  способен  накапливаться 15 Питер ван  Мушенбрук Америка 1747 г. Создает первую теорию  электричества, изобре­ тает молниеотвод и  доказывает электри­ ческую природу молний Бенджамин  Франклин Ток движется  от  + к ­ Молниеотвод  +, а земля –  Публикует «Трактат о  Италия 1791 г Движение  силах электричества  при мышечном  движении», в котором  описывает наличие  электрического тока в  мышцах животных. Луиджи  Гальвани мышц  осуществляет­ ся благодаря  электричес­ ким  импульсам. 16 Изобретает первый  Италия 1800 источник постоянного  тока — гальванический  элемент,  представляющий собой  столб из цинковых и  серебряных кружочков,  разделенных смоченной  в подсоленной воде  бумагой. Алессандро  Вольта Майкл Фарадей Открывает  явление электромагнит­ ной индукции и создает  на его основе первый в  мире генератор  электроэнергии,  вдвигая в катушку  намагниченный  сердечник и фиксируя  возникновение тока в  витках катушки. Вводит понятие электрического  и магнитного полей.  1831 г. Носителем  электрических сил являются  не какие­либо  электрические жидкости, а  атомы —  частицы  материи. 17 Создает первый в  мире электродвигатель  — проволочка с током,  вращающаяся вокруг  магнита.  18

Источники электрического тока и его действие | RuAut

Электричество так прочно вошло сегодня в нашу жизнь, что без него не мыслимы ни быт, ни производство. Прогресс науки и техники во многом стал возможен, благодаря широкому использованию электрического тока. Развитие сети атомных электростанций, дальнейшее совершенствование электронной техники, создание сложнейших генераторов — таков на сегодняшний день Российской электроэнергетики.

В источниках электрического тока происходит превращение других видов энергии в электрическую. Механическая энергия превращается в электрическую как в лабораторных машинах, так и в промышленных генераторах при получении электрического тока различной мощности. Превращение химической энергии в электрическую происходит в гальванических элементах. Они имеют различные размеры и применяются для питания портативной и другой аппаратуры. Для электропитания движущихся устройств применяются химические источники тока — аккумуляторы. В зависимости от материала электродов, аккумуляторы бывают щелочные, железоникелевые, серебряно-цинковые и свинцовые. Аккумулятор для работы необходимо заряжать. В термоэлементе, состоящем из двух спаянных между собой проводников из различных материалов, при нагревании места спая, возникает электрический ток. Термоэлемент превращает внутреннюю энергию нагревателя в электрическую. Термоэлектрические генераторы применяются на навигационных буях, автоматических маяках и удаленных метеостанциях. Световая энергия, также может превращаться в электрическую. Например, при освещении селена, оксида меди или кремния. Это явление лежит в основе работы устройства фотоэлемента. Фотоэлементы применяются в автоматике, телевидении, фототехнике и кино. Солнечные батареи, установленные на космических кораблях и гелиоустановках, также являются источниками электроэнергии. Солнечные батареи непосредственно преобразуют световую энергию в электрическую. Гелиоустановки не требуют топлива и не загрязняют окружающую среду. Они используются в районах с наибольшим количеством солнечных дней в году.

Сегодня используется тепловое, химическое и магнитное действие электрического тока. При возникновении электрического тока в проводнике, проводник нагревается. На этом основано действие электрических нагревательных приборов. С увеличением силы тока повышается температура проводника. В лампах накаливания тонкая проволочка наливается электрическим током до яркого свечения. Тепловое действие тока используется также в плавких предохранителях и автоматических выключателях, защищающих от короткого замыкания. А способность электрического тока нагревать металлы до температуры их плавления позволяет надежно соединить их с помощью сварки. Химическое действие тока наблюдается при прохождении его через раствор электролита. В результате на электродах осаждаются нейтральные частицы вещества. Это явление используется для получения чистых металлов, при никелировании или хромировании металлических предметов для защиты их от коррозии. Свойство электрического тока создавать магнитное поле используется в самых различных технических устройствах. Например, в телефонах и громкоговорителях. В миниатюрных записывающих и воспроизводящих головках видеомагнитофонов и в гигантских промышленных подъемных кранах. В результате взаимодействия проводника с током с магнитным полем проявляется магнитное действие тока. Это явление лежит в основе работы электроизмерительных приборов и в электродвигателях.

У истоков применения электричества в технике стояли многие русские ученые. Имена Петрова, Шилинга, Якоби, Лодыгина, Попова навеки вписаны в историю науки и техники. Пример патриотизма ученого проявил Павел Николаевич Яблочков. Все деньги, полученные за свое изобретение электрической свечи, он употребил на выкуп патента, который преподнес в дар России.

Мы уже научились превращать в электрическую энергию, энергию приливов, внутреннего тепла земли и ветров. Развитие сети мощных электростанций и высоковольтных линий электропередач, дальнейшее совершенствование электротехнических устройств существенно влияет на темпы научно-технического прогресса. Наука об электричестве ждет новых открытий.

что это такое и как он возникает

Без электричества невозможно представить жизнь современного человека. Вольты, Амперы, Ватты – эти слова звучат в разговоре об устройствах, которые работают от электричества. Но что это такое электрический ток и каковы условия его существования? Об этом мы расскажем далее, предоставив краткое объяснение для начинающих электриков.

Определение

Электрическим током является направленное движение носителей зарядов – это стандартная формулировка из учебника физики. В свою очередь носителями заряда называются определенные частицы вещества. Ими могут быть:

  • Электроны – отрицательные носители заряда.
  • Ионы – положительные носители заряда.

Но откуда берутся носители заряда? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить базовые знания о строении вещества. Всё что нас окружает – вещество, оно состоит из молекул, мельчайших его частиц. Молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны на заданных орбитах. Молекулы также хаотично движутся. Движение и структура каждой из этих частиц зависят от самого вещества и влияния на него окружающей среды, например температуры, напряжения и прочего.

Ионом называют атом, у которого изменилось соотношение электронов и протонов. Если изначально атом нейтрален, то ионы в свою очередь делят на:

  • Анионы – положительный ион атома, потерявшего электроны.
  • Катионы – это атом с «лишними» электронами, присоединившиеся к атому.

Единица измерения тока – Ампер, согласно закону Ома он вычисляется по формуле:

I=U/R,

где U – напряжение, [В], а R – сопротивление, [Ом].

Или прямопропорционален количеству заряда, перенесенному за единицу времени:

I=Q/t,

где Q – заряд, [Кл], t – время, [с].

Условия существования электрического тока

Что такое электрический ток мы разобрались, теперь давайте поговорим о том, как обеспечить его протекание. Для протекания электрического тока необходимо выполнение двух условий:

  1. Наличие свободных носителей заряда.
  2. Электрическое поле.

Первое условие существования и протекания электричества зависит от вещества, в котором протекает (или не протекает) ток, а также его состояния. Второе условие также выполнимо: для существования электрического поля обязательно наличие разных потенциалов, между которыми находится среда, в которой будут протекать носители заряда.

Напомним: Напряжение, ЭДС – это разность потенциалов. Отсюда следует, что для выполнения условий существования тока – наличия электрического поля и электрического тока, нужно напряжение. Это могут быть обкладки заряженного конденсатора, гальванический элемент, ЭДС возникшее под действием магнитного поля (генератор).

Как он возникает, мы разобрались, давайте поговорим о том, куда он направлен. Ток, в основном, в привычном для нас использовании, движется в проводниках (электропроводка в квартире, лампочки накаливания) или в полупроводниках (светодиоды, процессор вашего смартфона и другая электроника), реже в газах (люминесцентные лампы).

Так вот основными носителями заряда в большинстве случаев являются электроны, они движутся от минуса (точки с отрицательным потенциалом) к плюсу (точке с положительным потенциалом, подробнее об этом вы узнаете ниже).

Но интересен тот факт, что за направление движения тока было принято движение положительных зарядов – от плюса к минусу. Хотя фактически всё происходит наоборот. Дело в том, что решение о направлении тока было принято до изучения его природы, а также до того, как было определено за счет чего протекает и существует ток.

Электрический ток в разных средах

Мы уже упоминали о том, что в различных средах электрический ток может различаться по типу носителей заряда. Среды можно разделить по характеру проводимости (по убыванию проводимости):

  1. Проводник (металлы).
  2. Полупроводник (кремний, германий, арсенид галия и пр).
  3. Диэлектрик (вакуум, воздух, дистиллированная вода).

В металлах

В металлах есть свободные носители зарядов, их иногда называют «электрическим газом». Откуда берутся свободные носители зарядов? Дело в том, что металл, как и любое вещество, состоит из атомов. Атомы, так или иначе движутся или колеблются. Чем выше температура металла, тем сильнее это движение. При этом сами атомы в общем виде остаются на своих местах, собственно и формируя структуру металла.

В электронных оболочках атома обычно есть несколько электронов, у которых связь с ядром достаточно слабая. Под воздействием температур, химических реакций и взаимодействия примесей, которые в любом случае находятся в металле, электроны отрываются от своих атомов, образуются положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся электроны называются свободными и двигаются хаотично.

Если на них будет воздействовать электрическое поле, например, если подключить к куску металла батарейку – хаотичное движение электронов станет упорядоченным. Электроны от точки, в которую подключен отрицательный потенциал (катод гальванического элемента, например), начнут двигаться к точке с положительным потенциалом.

В полупроводниках

Полупроводниками являются такие материалы, в которых в нормальном состоянии нет свободных носителей заряда. Они находятся в так называемой запрещенной зоне. Но если приложить внешние силы, такие как электрическое поле, тепло, различные излучения (световое, радиационное и пр.), они преодолевают запрещенную зону и переходят в свободную зону или зону проводимости. Электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными, образуя ионы – положительные носители зарядов.

Положительные носители в полупроводниках называются дырками.

Если просто передать энергию полупроводнику, к примеру нагреть, начнется хаотичное движение носителей заряда. Но если речь идет о полупроводниковых элементах, типа диода или транзистора, то на противоположных концах кристалла (на них нанесен металлизированный слой и припаяны выводы) возникнет ЭДС, но это не относится к теме сегодняшней статьи.

Если приложить источник ЭДС к полупроводнику, то носители заряда также перейдут в зону проводимости, а также начнется их направленное движение – дырки пойдут в сторону с меньшим электрическим потенциалом, а электроны – в сторону с большим.

В вакууме и газе

Вакуумом называют среду с полным (идеальный случай) отсутствием газов или минимизированным (в реальности) его количеством. Так как в вакууме нет никакого вещества, то и носителям заряда браться не откуда. Однако протекание тока в вакууме положило начало электронике и целой эпохе электронных элементов – электровакуумных ламп. Их использовали в первой половине прошлого века, а в 50-х годах они начали постепенно уступать месту транзисторам (в зависимости от конкретной сферы электроники).

Допустим, что у нас есть сосуд, из которого откачали весь газ, т.е. в нём полный вакуум. В сосуд помещено два электрода, назовем их анод и катод. Если мы подключим к катоду отрицательный потенциал источника ЭДС, а к аноду положительный – ничего не произойдет и ток протекать не будет. Но если мы начнем нагревать катод – ток начнет протекать. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией – испускание электронов с нагретой поверхности электрона.

На рисунке изображен процесс протекания тока в вакуумной лампе. В вакуумных лампах катод нагревают расположенной рядом нитью накала на рис (Н), типа такой, как в осветительной лампе.

При этом, если изменить полярность питания – на анод подать минус, а на катод подать плюс – ток протекать не будет. Это докажет, что ток в вакууме протекает за счет движения электронов от КАТОДА к АНОДУ.

Газ также как и любое вещество состоит из молекул и атомов, это значит, что если газ будет находиться под воздействием электрического поля, то при определенной его силе (напряжение ионизации) электроны оторвутся от атома, тогда будут выполнены оба условия протекания электрического тока – поле и свободные носители.

Как уже было сказано, этот процесс называется ионизацией. Она может происходить не только от приложенного напряжения, но и при нагреве газа, рентгеновском излучении, под воздействием ультрафиолета и прочего.

Ток через воздух потечет, даже если между электродами установить горелку.

Протекание тока в инертных газах сопровождается люминесценцией газа, это явление активно используется в люминесцентных лампах. Протекание электрического тока в газовой среде называется газовым разрядом.

В жидкости

Допустим, что у нас есть сосуд с водой в который помещены два электрода, к которым подключен источник питания. Если вода дистиллированная, то есть чистая и не содержит примесей, то она является диэлектриком. Но если мы добавим в воду немного соли, серной кислоты или любого другого вещества, образуется электролит и через него начнет протекать ток.

Электролит – вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы.

Если в воду добавить медный купорос, то на одном из электродов (катоде) осядет слой меди – это называется электролиз, что доказывает что электрический ток в жидкости осуществляется за счет движения ионов – положительных и отрицательных носителей заряда.

Электролиз – физико-химический процесс, который заключается в выделении на электродах компонентов составляющих электролит.

Таким образом происходит омеднение, золочения и покрытие другими металлами.

Заключение

Подведем итоги, для протекания электрического тока нужны свободные носители зарядов:

  • электроны в проводниках (металлы) и вакууме;
  • электроны и дырки в полупроводниках;
  • ионы (анионы и катионы) в жидкости и газах.

Для того, чтобы движение этих носителей стало упорядоченны, нужно электрическое поле. Простыми словами — приложить напряжение на концах тела или установить два электрода в среде, где предполагается протекание электрического тока.

Также стоит отметить, что ток определенным образом воздействует на вещество, различают три типа воздействия:

  • тепловое;
  • химическое;
  • физическое.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезно видео, в котором более подробно рассматриваются условия существования и протекания электрического тока: