Характеристики электрического тока. Электрический ток: основные характеристики, законы и применение

Что такое электрический ток. Какие основные характеристики электрического тока существуют. Как измеряется сила тока. Какие законы описывают электрический ток. Где применяется электрический ток в современной жизни.

Содержание

Что такое электрический ток и как он возникает

Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц. В металлических проводниках это движение свободных электронов. Для возникновения электрического тока необходимо наличие двух условий:

Свободные заряженные частицы (например, электроны в металлах)
Электрическое поле, создающее направленное движение зарядов

Электрическое поле создается источником тока — устройством, поддерживающим разность потенциалов на концах проводника. Это может быть аккумулятор, генератор или другой источник ЭДС (электродвижущей силы).

Основные характеристики электрического тока

Сила тока

Сила тока — это количество электрического заряда, проходящее через поперечное сечение проводника за единицу времени. Измеряется в амперах (А).

Формула силы тока:

I = Q / t

где I — сила тока, Q — заряд, t — время.

Плотность тока

Плотность тока показывает силу тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника. Измеряется в А/м².

Формула плотности тока:

j = I / S

где j — плотность тока, I — сила тока, S — площадь сечения.

Напряжение

Напряжение — это разность потенциалов между двумя точками электрической цепи. Измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для участка цепи

Закон Ома устанавливает связь между силой тока, напряжением и сопротивлением участка цепи:

I = U / R

где I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление.

Этот закон справедлив для многих проводников, но имеет ограничения для некоторых элементов цепи, например полупроводниковых приборов.

Виды электрического тока

Различают следующие основные виды электрического тока:

Постоянный ток — не изменяется со временем по величине и направлению
Переменный ток — периодически изменяется по величине и направлению
Пульсирующий ток — изменяется по величине, но не меняет направления

Действия электрического тока

Электрический ток оказывает различные действия при прохождении через вещество:

Тепловое действие — нагревание проводников
Химическое действие — разложение электролитов
Магнитное действие — создание магнитного поля вокруг проводника с током
Механическое действие — возникновение сил между проводниками с током

Применение электрического тока

Электрический ток широко применяется в современной технике и быту:

Освещение помещений и улиц
Работа бытовых электроприборов
Питание электродвигателей в промышленности

Передача информации в системах связи
Электротранспорт
Электрохимические производства

Измерение силы тока и напряжения

Для измерения характеристик электрического тока используются специальные приборы:

Амперметр — измерение силы тока
Вольтметр — измерение напряжения
Мультиметр — универсальный прибор для измерения тока, напряжения и других параметров

При измерениях важно правильно включать приборы в электрическую цепь:

Амперметр включается последовательно с исследуемым участком цепи
Вольтметр подключается параллельно участку, на котором измеряется напряжение

Электрическое сопротивление проводников

Электрическое сопротивление характеризует способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. Оно зависит от:

Материала проводника

Длины проводника
Площади поперечного сечения
Температуры

Формула сопротивления проводника:

R = ρ * l / S

где ρ — удельное сопротивление материала, l — длина, S — площадь сечения.

Последовательное и параллельное соединение проводников

При последовательном соединении:

Общее сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных проводников
Сила тока одинакова во всех проводниках
Общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных проводниках

При параллельном соединении:

Обратная величина общего сопротивления равна сумме обратных величин сопротивлений отдельных проводников
Напряжение одинаково на всех проводниках
Общая сила тока равна сумме токов в отдельных проводниках

Работа и мощность электрического тока

Работа электрического тока равна произведению напряжения, силы тока и времени:

A = U * I * t

Мощность электрического тока определяется как работа, совершаемая за единицу времени:

P = A / t = U * I

Единица измерения мощности — ватт (Вт).

Правила безопасности при работе с электрическим током

При работе с электрическими устройствами необходимо соблюдать правила безопасности:

Не прикасаться к оголенным проводам и неизолированным токоведущим частям
Использовать исправные электроприборы и розетки
Не перегружать электросеть
При ремонте отключать электропитание
Не работать с электроприборами мокрыми руками
Использовать защитное заземление

Соблюдение этих простых правил поможет избежать поражения электрическим током и связанных с ним травм.

4.Электрический ток. Основные характеристики и законы

Электрическим током называется направленное движение электрических зарядов. За направление тока принято направление движения положительных зарядов. Для описания и количественной характеристики тока используют такие величины:

а) Ток или сила тока i. Это величина, измеряемая отношением заряда dq, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени dt его прохождения, т.е.:

(4.1)

В СИ ток i измеряется в амперах (А). Если за любые равные промежутки времени через сечение проводника проходят одинаковые величины заряда, то ток называется постоянным и i = q/t,

б) Плотность заряда j. Это величина, измеряемая отношением тока di текущего по проводнику к площади его поперечного сечения ds, проведенного перпендикулярно направлению тока, т. е.:

(4.2)

При равномерном распределении тока по поперечному сечению проводника j=i/s.

Плотность тока можно записать в виде:

(4.3)

где q₀ заряд каждого носителя, которые осуществляют ток в данном проводнике, r — концентрация носителей электрических зарядов; V — скорость их направленного перемещения в проводнике. Исходя из (4.3) видно, что плотность тока является векторной величиной, направление которой определяется направлением вектора V в данной точке проводящего пространства, в отличие от величины i, которая является скалярной величиной. Кроме того, плотность тока j является дифференциальной характеристикой, поскольку показывает ток через малую площадь проводящего пространства, а в пределе может быть отнесена к точке этого пространства.

В СИ плотность тока измеряется А/м².

Для существования электрического тока необходимо, чтобы в пространстве имелись: свободные электрические заряды и электрическое поле, силы которого сообщили бы им направленное перемещение. Для существования электрического поля в проводнике необходимо, чтобы на концах проводника была разность потенциалов. Тогда электрические силы поля переместят по проводнику (или проводящему пространству) заряд из области большего потенциала в область меньшего потенциала (рис.4.1).

Перемещение заряда, т.е. ток будет проходить до тех пор, пока потенциалы проводников М и N не сравняются. Для возобновления тока надо каким-либо способом снова создать на проводнике М потенциал ₁, больший потенциала ₂ проводника N. Ясно, что создание этой разницы потенциалов не может быть осуществлено за счет электрических сил, т.к. они могут перемещать заряд только в направлении от большего потенциала к меньшему. Следовательно, возобновление разности потенциалов на концах проводника возможно только за счет работы сил неэлектрического происхождения,

называемых сторонними.

Устройства, в которых за счет работы сторонних сил создается разность потенциалов, называются источниками тока. В зависимости от природы сторонних сил источники могут быть: химические (гальванические элементы, аккумуляторы, сухие элементы), тепловые (термоэлементы), механические (динамомашины) и др.

Для того, чтобы ток существовал длительное время, необходимо, чтобы была составлена цепь, содержащая проводники, источник тока и обязательно была замкнута.

Закон Ома для участка цепи.

Для металлических проводников экспериментально установлена зависимость между током i, текущем по проводнику, и напряжением U, приложенным к его концам. Эта зависимость отражена в законе Ома, который гласит, что

ток в проводнике прямопропорционален приложенному к его концам напряжению, т.е. i=U, где  — коэффициент электропроводности данного проводника, который для этого проводника является постоянной величиной.

Величина, обратная электропроводности, т.е. R = 1/, называется электрическим сопротивлением, или просто сопротивлением проводника. Закон Ома пишется в виде: i = U/R, Графически закон Ома представляет собой прямую, проходящую через начало координат (i =f(U) рис.4.2). Тангенс угла наклона  зависит от электропроводности проводника. Тогда tg = i/U = ; R=ctg.

Рисунок 4.2 – исправить.

Измерение токов.

Величина тока в проводнике в простейшем случае может быть измерена с помощью амперметра, который включается в цепи последовательно данному проводнику (рис.4.3).

Тогда по амперметру течет такой же ток, как и в проводнике в данный момент. Ясно, что ток, показываемый амперметром, отличается от того значения тока, который протекал по этому проводнику до его включения. Чтобы отличие было минимально, т.е. чтобы изменение тока, вносимое включением амперметра в цепь проводника было минимальным, необходимо, чтобы электрическая мощность, поглощаемая амперметром, имела минимальное значение:

Это возможно при условии, что сопротивление амперметра R_A должно иметь минимальное значение. Реально такое условие достигается, если сопротивление амперметра значительно меньше сопротивления цепи, в которой проводится измерение тока.

Измерение напряжений

Напряжение на концах проводника в простейшем случае можно измерять вольтметром, присоединенным к проводнику параллельно (рис.4.4).

R-наверху

Тогда напряжение, показываемое вольтметром, равно напряжению на концах сопротивления R, но оно отличается от того значения напряжения на проводнике, которое существовало на его концах до включения вольтметра. Чтобы это отличие сделать минимальным, необходимо, чтобы сам вольтметр поглощал из цепи минимальную мощность, т. е.. Последнее возможно лишь при условии, что сопротивление вольтметраR_v достаточно велико. Реально выполнение этого условия достигается, если R_v значительно превосходит сопротивление того элемента цепи, к концам которого он присоединен.

Сопротивление проводников

Сопротивление проводника R измеряется в омах (Ом). Экспериментально установлено, что сопротивление металлического проводника зависит от его длины l, площади его поперечного сечения s, материала, из которого изготовлен проводник, т.е.:

(4.4)

где - удельное сопротивление вещества, из которого изготовлен проводник.

Если в формуле (4.4) положить s = 1 площади, l = 1 длины, то сопротивление R станет численно равно . Это означает, что удельное сопротивление показывает, каким сопротивлением обладает проводник единичной длины и единичного сечения, изготовленный из данного материала. Удельное сопротивление  измеряется Ом м.

Зависимость удельного сопротивления  металлических проводников от температуры t(°C) выражается соотношением:

(4.5)

где ₀— удельное сопротивление вещества при t == 0°С,  — температурный коэффициент сопротивления, зависящий от природы или состава вещества. Учитывая (4.5), для сопротивления проводника R имеем:

(4.6)

ПРОСТЕЙШИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ

проводника тока состоит в следующем. Собирают цепь согласно схеме, приведенной на рис.4.5. Измеряют приборами напряжение U и ток i и рассчитывают R по закону Ома.

Физика для углубленного изучения. 2. Электродинамика. Оптика

Бутиков Е. И., Кондратьев А.С. Физика для углубленного изучения. Электродинамика. Оптика. Том 2. М.: Физматлит. — 336 с.

Учебник принципиально нового типа. Последовательность изложения соответствует логической структуре физики как науки и отражает современные тенденции ее преподавания. Материал разделен на обязательный и дополнительный, что позволяет строить процесс обучения с учетом индивидуальных способностей учащихся, включая организацию их самостоятельной работы. Задачи служат как для получения новых знаний, так и для развития навыков исследовательской деятельности.

Для учащихся школ, гимназий, лицеев с углубленным изучением физико-математических дисциплин, а также для подготовки к конкурсным экзаменам в вузы.

Введение
I. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
§ 1. Электрический заряд. Закон Кулона
§ 2. Электрическое поле. Напряженность поля
§ 3. Теорема Гаусса
§ 4. Потенциал электростатического поля.

Энергия системы зарядов
§ 5. Расчет электрических полей
§ 6. Проводники в электрическом поле
§ 7. Силы в электростатическом поле
§ 8. Конденсаторы. Электроемкость
§ 9. Энергия электрического поля
II. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
§ 10. Характеристики электрического тока. Закон Ома
§ 11. Соединение проводников в электрические цепи
§ 12. Закон Ома для неоднородной цепи
§ 13. Расчет цепей постоянного тока
§ 14. Работа и мощность постоянного тока
§ 15. Магнитное поле постоянного тока
§ 16. Действие магнитного поля на движущиеся заряды
III. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
§ 17. Явление электромагнитной индукции
§ 18. Электрические машины постоянного тока
§ 19. Энергия магнитного поля
§ 20. Основы теории электромагнитного поля
§ 21. Квазистационарные явления в электрических цепях
IV. ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
§ 22. Цепи переменного тока. Закон Ома
§ 23. Работа и мощность переменного тока. Передача электроэнергии
§ 24.

Трехфазный ток. Электрические машины переменного тока
V. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
§ 25. Колебательный контур
§ 26. Вынужденные колебания в контуре. Резонанс
§ 27. Незатухающие электромагнитные колебания
§ 28. Электромагнитные волны
§ 29. Свойства и применения электромагнитных волн
VI. ОПТИКА
§ 30. Свет как электромагнитные волны. Интерференция
§ 31. Дифракция света
§ 32. Спектральные приборы. Дифракционная решетка
§ 33. Протяженные источники света
§ 34. Интерференция немонохроматического света
§ 35. Физические принципы голографии
§ 36. Геометрическая оптика
§ 37. Оптические приборы, формирующие изображение

Электрический ток: что это такое, как действует, виды, эффекты

Ферровиал
СТЕРЖЕНЬ

Электрический ток — это физическое явление перемещения или течения электрического заряда, обычно электронов, посредством проводящего материала. Чтобы возник электрический ток, электроны, наиболее удаленные от ядра атома определенного материала, должны отрываться и свободно циркулировать по проводнику в электрической цепи.

Сила электрического тока определяется количеством заряда, проходящего через проводник в единицу времени. Интенсивность измеряется в кулонах в секунду (Кл/с), что эквивалентно одному ампер (А) , а основными измерительными приборами для электрического тока являются гальванометр и амперметр.

Как действует электрический ток?

Электрический ток движение частиц, начиная с момента подачи внешнего напряжения на один из концов проводника. Это, в свою очередь, создает электрическое поле на отрицательно заряженных электронах, которые притягиваются к положительной клемме внешнего напряжения.

Для передачи электрического тока из одной точки в другую должны быть материалы с большим количеством свободных электронов , расположенных на последней орбите их ядра, что означает, что они очень восприимчивы к перемещению из-за более слабого притяжения сила на них со стороны их ядра.

Какова формула электрического тока?

Закон Ома определяет формулу электрического тока:

Ток = Напряжение / Сопротивление.

Сопротивление представляет препятствие, с которым сталкиваются электроны на своем пути. Его единицей измерения является ом.
Ток качество электрического тока. Его единицей измерения является ампер.
Напряжение представляет собой разницу мощности между одной точкой и другой. Его единицей измерения является вольт.

Какие виды электрического тока существуют?

Электрический ток можно классифицировать в зависимости от его природы:

Постоянный ток (DC): состоит из смещения электрических зарядов, которые не меняют направление своего движения во времени.
Переменный ток (AC): направление и плоскость движения тока циклически изменяются, в отличие от постоянного тока. Это эффективный ток, поэтому он обычно используется в домах и на предприятиях.
Трехфазный ток: состоит из трех переменных токов с одинаковой частотой и амплитудой, называемых фазами .
Однофазный ток: этот вид тока получается из одной фазы трехфазного тока и нейтрального кабеля, что позволяет использовать низковольтную энергию.

Какие виды материалов существуют для электропроводности?

Проводящие материалы: обладают небольшим сопротивлением потоку электричества. Электроны свободно перемещаются, потому что они очень слабо связаны с атомами, поэтому они могут проводить много электричества.
Полупроводниковые материалы: могут действовать как проводники или изоляторы, в зависимости от электрического поля, в котором они используются.
Изоляционные материалы: электроны не циркулируют свободно, поэтому они не считаются проводниками электрического тока.

Каково действие электрического тока?

Электрический ток может иметь различные эффекты. Некоторые из них включают:

Тепло: продукт повышения температуры проводника из-за протекания электрического тока. Одним из таких примеров является печь.
Магнитный: Когда электрический ток проходит через проводник, он создает вокруг него магнитное поле. Этот эффект можно наблюдать с помощью телевизоров, радиоприемников, амперметров и т. д.
Физиологические: существуют электромедицинские устройства, которые реагируют на эффект электрической проводимости, вызывая удары электрическим током.
Химический: эффект, возникающий при протекании электрического тока через электролит, на котором основаны батареи.

Гугл игры Магазин приложений

Ресурсы
Связаться с нами
СТЕРЖЕНЬ

Доступность
Официальное уведомление
Политика конфиденциальности
Политика в отношении файлов cookie

Твиттер
Линкедин
Фейсбук
Инстаграм
Пинтерест
YouTube

Электричество — электрический ток — физика 299

«Когда я оказываюсь в компании ученых, я чувствую себя жалким священником, заблудшим ошибиться в гостиной, полной герцогов»
У. Х. Оден

Электрический ток

Электрический ток равен скорости прохождения заряда неподвижная точка в пространстве.

1 Ампер = 1 Кулон/секунда

Важно понимать, что значение тока постоянной, независимо от сечения проводника. Если если бы это было не так, то заряд «скапливался бы» в точках вдоль проводник.

Когда вы щелкаете выключателем, лампочка мгновенно загорается. На самом деле течение движется со скоростью, близкой к скорости свет. Однако носители заряда, электроны в металлическая проволока движется с гораздо меньшей скоростью — скоростью дрейфа.
Рассмотрим провод длиной l, сечением A, проводимостью n электронов в единице объема. Ток в проводе может быть написано,

где e — заряд электрона и v _d — дрейфовая скорость.

Плотность тока, Дж (А/м ² ) определяется как

физически, J представляет движение заряда в определенном месте внутри проводник, напр. когда А большое J маленькое, когда А маленькое J большой.
Общее соотношение между I и J:

Ток – это поток J через поверхность.

Важно: текущий, Я, является скалярная величина, тогда как J является вектором. у меня есть «смысл» в том, что мы рисуем стрелки, чтобы представить его «направление», но не подчиняется правилам вектора алгебра.

Историческая причуда. Направление тока определяется как направление в который будет двигаться положительный заряд. Но в твердом металлическом проводники носители заряда электроны (отрицательные заряды) которые на самом деле движутся в противоположном направлении. Отрицательный заряды, движущиеся справа налево, в точности эквивалентны положительным заряды движутся слева направо.

Сопротивление

В металлических проводниках электрическое поле и плотность тока направлены в одну сторону и пропорциональны друг друга,

где ρ — удельное сопротивление проводника — характеристика проводник. Электропроводность проводящего материала равна определяется формулой σ = 1/ρ.
Для однородного проводника длиной l, поперечного сечения A имеем E = V/l и J = i/A, так что

Сопротивление проводника R, определяется как,

Сопротивление измеряется в омах (Ом), тогда удельное сопротивление единицы ом. метр и проводимость (ом.метр) ^-1

Важно: Соотношение V = ИК НЕ Закон Ома !

Закон Ома:

«Если соотношение напряжение на проводнике к току через она постоянна для всех напряжений, то проводник подчиняется закону Ома»

Закон Ома выполняется для металлических проводников, но не для таких устройств, как транзисторы, диоды и т. д. Соотношение V = IR всегда можно использовать для определить сопротивление при каком-то конкретном I и V для любого устройства.

Даже в проводниках ток будет течь только между двумя точками А и Б, когда

Существует разность потенциалов между A и B (производящая электрическое поле, которое заставляет заряды двигаться) и,
A и B являются частью полной цепи.

Мощность

Предположим, что заряд dq движется из точки A в точку B, где разность потенциалов между A и B равна V _AB , тогда энергия, выделяемая за время dt, равна

, так что скорость, с которой энергия переданная (мощность), P, дается,
В единицах измерения мы можем сказать, что Ампер x Вольт = Ватт.

Форма «высвобождаемой» энергии зависит от электрический компонент, расположенный между A и B, для например,

Двигатель — высвобожденная механическая энергия (работа)
Аккумулятор — химическая энергия, накопленная в аккумуляторе
Сопротивление — выделяется тепловая энергия (тепло)

Электродвижущая сила — «ЭДС»

При обсуждении электрических цепей вам может встретиться термин «ЭДС» — электродвижущая сила. Важно понимать, что «ЭДС» НЕ сила!

Если устройство имеет «ЭДС», оно может поддерживать разность потенциалов (напряжение). Так, например, батарея поддерживает ЭДС между положительной и отрицательной терминалы.

ЭДС устройства можно определить как ε = dW/dq, где dW работа, совершенная положительным зарядом dq при его взятии через разность потенциалов устройства. в случай простой схемы с батареей (см. выше) в качестве заряд проходит по внешней (по отношению к аккумулятору) цепи ее теряет энергию. В цепи выше появляется энергия как тепло и свет в лампочке. Когда заряд возвращает аккумулятору ЭДС аккумулятора восполняет свою энергию.

На этом вводном уровне мы можем рассмотреть ЭДС «источник» (аккумулятор, генератор и т. д.) должен быть точно эквивалентен к напряжению, обеспечиваемому источником.

Направление ЭДС всегда представляет направление a положительный заряд будет перемещаться во внешней цепи. См. схему справа. Направление ЭДС – это важным фактором, когда мы используем законы Кирхгофа для анализа схемы.

Внутреннее сопротивление

Все ЭДС – батареи, генераторы и т. д. – и электрические измерительные приборы — амперметры, вольтметры и т.п. — имеют «внутреннее сопротивление».

Что касается анализа цепи обеспокоены тем, что эти внутренние сопротивления могут быть просто рассматривать как резисторы, включенные последовательно с «идеальным» ЭДС/метр.

Для амперметров (токоизмерительных приборов) целью является иметь как можно более низкое внутреннее сопротивление, чтобы ток не влияет.

Что такое электрический ток и как он возникает