Элтех45. Электрический ток, его определение, величина, направление, плотность
![]()
|
Вопрос 5 Электрический ток, его определение, величина, направление, плотность. Электри́ческий ток – направленное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля. Электрический ток возникает при упорядоченном движении свободных электронов, а металлах и полупроводниках или положительных и отрицательных ионов в электролитах. В газах упорядоченно движутся ионы и электроны. За направление тока принимают то направление, в котором упорядоченно движутся положительно заряженные частицы. В металлах направление тока противоположно направлению движения свободных электронов (отрицательно заряженных частиц). О наличии электрического тока в проводнике можно судить по явлениям, сопровождающим ток, т.е. по его действиям: 1) тепловому — проводник с током нагревается. Например, работа электронагревательных приборов основана на этом действии тока. Но есть вещества, у которых данный эффект отсутствует — сверхпроводники; 2) химическому — изменение химического состава проводника и разделение его на составные части. Это действие наблюдается в электролитах и газах. Например, из раствора медного купороса можно выделить чистую медь. Само явление разложения вещества током называется электролизом; 3) магнитному — вокруг любого проводника с током существует магнитное поле, действующее с некоторой силой на соседние токи или намагниченные тела. Например, вблизи проводника с током магнитная стрелка ориентируется определенным образом. Магнитное действие тока проявляется всюду, независимо от свойств проводника, и поэтому оно является основным действием электрического тока. Количественной характеристикой электрического тока является сила тока I, которая определяется количеством электричества q, протекающего через поперечное сечение проводника за 1 с. ![]() Сила тока равна отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени. Электрический ток, сила и направление которого не меняется с течением времени, называется постоянным током. В СИ заряды (количество электричества) измеряются в кулонах, а время в секундах, единицей силы тока является ампер (А). Название единицы силы тока дано в честь французского физика Андре Ампера (1775-1836). Единица тока определяется на основе магнитного взаимодействия токов. Распределение тока по сечению проводника характеризуется вектором плотности тока j, модуль которого равен: ![]() Плотность тока определяет ток, приходящийся на единицу площади поперечного сечения проводника. Направление вектора плотности тока совпадает с направлением тока. Сила тока может быть как положительной, так и отрицательной. Если направление тока совпадает с положительным направлением вдоль проводника, то I > 0. Если ток направлен в противоположную сторону, то I< 0. Сила тока в металлическом проводнике зависит от заряда, переносимого каждой частицей, концентрации частиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника: ![]() Рассмотрим участок проводника длиной ![]() ![]() Содержится общее число частиц ![]() Рисунок 1.1 Участок проводника ![]() где n=N/V — концентрация частиц (число частиц в единице объема). Общий заряд всех частиц: ![]() ![]() ![]() ![]() Можно выразить скорость упорядоченного движения электронов в проводнике, учитывая, что заряд электрона ![]() ![]() Обычно эта скорость мала. Под скоростью электрического тока понимают скорость распространения вдоль проводника электрического поля, под действием которого электроны (или другие носители тока) приходят в упорядоченное движение. Для возникновения и существования тока в веществе необходимо наличие свободных носителей заряда и электрического поля, действующего на заряды с некоторой силой, под действием которой заряженные частицы приходят в упорядоченное движение. Вопрос 15 Явление электромагнитной индукции. Правило правой руки. Принцип Ленца. Явление самоиндукции. ЭДС самоиндукции. Индуктивность. Электромагнитная индукция имеет исключительно важное научное и практическое значение. Открытием этого явления человечество обязано известному английскому физику М. Фарадею (1791–1867), который был уверен в том, что если электрический ток создает в пространстве магнитное поле, то должно существовать и обратное явление, т. е. магнитное поле должно создавать ток. В 1831 г. М. Фарадей провел серию исследований, в результате которых были выявлены следующие факты: При движении постоянного магнита относительно катушки, подключенной к гальванометру, в ней возникает ток (стрелка гальванометра отклоняется), направление которого изменяется при изменении направления движения магнита (рисунок 2.1 а)). Такое же явление наблюдалось, если магнит был неподвижен, а двигалась катушка. ![]() ![]() а) б) в) Рисунок 2.1 Опыты Фарадея 2. В катушке, подключенной к гальванометру, возникает электрический ток, если относительно нее двигалась другая катушка, подключенная к источнику постоянного тока (рис рисунок 2.1 б)). 3. Если две катушки располагались на общем каркасе и одна из них подключалась к гальванометру, а другая – к источнику постоянного тока, то в первой катушке возникает ток при изменении тока в другой (рисунок 2.1 в)). Направление тока в цепи гальванометра на рисунок 2.1 в) соответствует возрастанию тока в другой катушке, это значит, что ползунок реостата перемещают вверх или замыкают ключ К. Во всех рассмотренных случаях ток в цепи гальванометра возникал только при изменении магнитного потока, который пронизывал витки катушки, подключенной к гальванометру. При этом направление тока, вызванного возрастанием магнитного потока, было противоположно направлению тока, вызванного его уменьшением. Явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур получило название явления электромагнитной индукции. Правило правой руки можно сформулировать так: «Если отведённый в сторону большой палец правой руки расположить вдоль проводника так, чтобы он совпал с направлением электрического тока, то остальные пальцы будут указывать направление образованных электрическим полем магнитных силовых линий. (см. схему на рисунок 2.2). ![]() Рисунок 2.2. Иллюстрация правила правой руки При использовании правила правой руки для соленоидов, пальцами охватывают (условно) катушку так, чтобы направление тока в витках совпадало с пространственным расположением пальцев. Тогда большой палец укажет на ориентацию вектора электромагнитных линий внутри катушки. Данные правила можно применять с целью определения направления тока. Например, если с помощью магнитной стрелки определить устремление линий магнитной индукции, то путём применения правила правой руки, легко определяется, в какую сторону течёт ток. При движении проводника длиной l со скоростью v в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ![]() ![]() где α – угол между векторами ![]() ![]() Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы. Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю. Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника. |