Электрический ток

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда с одного места в другое. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит. Электрический заряд перемещается через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении. В этом случае говорят, что в проводнике устанавливается электрический ток.
Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов.
Полный заряд, переносимый через любое сечение проводника равен нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.
Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.
Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока говорят следующие действиям или явлениям, которые его сопровождают:
1. проводник, по которому течет ток, нагревается,
2. электрический ток может изменять химический состав проводника,
3. ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела.
Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока. Если через поперечное сечение проводника за время Δt переносится заряд Δq, то сила тока равна:

Сила тока равна отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени. Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.
Сила тока — величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принять за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I < 0.
Сила тока зависит от:
1. заряда, переносимого каждой частицей (q₀);
2. концентрации частиц (n);
3. скорости направленного движения частиц (v);
4. площади поперечного сечения проводника (S).

В Международной системе единиц силу тока выражают в амперах (А). Измеряют силу тока амперметрами.
Условия возникновения и существования постоянного электрического тока:
1. наличие свободных заряженных частиц;
2. на заряженные частицы должны действовать силы, обеспечивающие их упорядоченное перемещение в течение конечного промежутка времени.
Для того чтобы в проводнике мог существовать постоянный ток проводимости, необходимо выполнение следующих условий:
а) напряженность электрического поля в проводнике должна быть отлична от нуля и не должна изменяться с течением времени;
б) цепь постоянного тока проводимости должна быть замкнутой;
в) на свободные электрические заряды, помимо кулоновских сил, должны действовать неэлектростатические силы, называемые сторонними силами. Сторонние силы могут быть созданы источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами и др.).

Закон Ома для участка цепи

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна, сопротивлению проводника:

Сопротивление проводника R — величина, характеризующая противодействие проводника установлению в нем электрического тока. Сопротивление измеряется в омах (Ом). Если при напряжении в 1 В в проводнике устанавливается ток в 1 А, то сопротивление такого проводника равно 1 Ом.
Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади его поперечного сечения S:

где коэффициент пропорциональности ρ называется удельным сопротивлением. Удельное сопротивление зависит от рода вещества и от температуры (с повышением температуры удельное сопротивление большинства металлов увеличивается), численно оно равно сопротивлению проводника единичной длины с единичной площадью поперечного сечения.

Электродвижущая сила

Физическая величина, равная отношению работы стороннего поля по перемещению заряда к величине этого заряда, называется электродвижущей силой:

Электродвижущую силу выражают в вольтах.
Сторонним называется поле неэлектростатического происхождения, работа которого по любой замкнутой цепи не равна нулю. Такое поле наряду с кулоновским создается в источниках тока: аккумуляторах, гальванических элементах, генераторах и др. Именно стороннее поле компенсирует энергетические потери в электрической цепи.

Закон Ома для полной цепи

Сопротивление источника часто называют внутренним сопротивлением r в отличие от внешнего сопротивления R цепи. В генераторе r - это сопротивление обмоток, а в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.
Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление R+r цепи.

Произведение силы тока и сопротивления участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи.
Закон Ома для замкнутой цепи записывают в форме

Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.
Сила тока зависит от трех величин; ЭДС, сопротивлений R и r внешнего и внутреннего участков цепи. Полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных элементов.

Последовательное и параллельное соединение проводников

Последовательное соединение проводников. При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений. Все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

сила тока	напряжение	сопротивление	связь напряжения с сопротивлением

Параллельное соединение проводников

сила тока	напряжение	сопротивление	связь силы тока с сопротивлением

Параллельное соединение – самый распространенный способ соединения различных потребителей. В этом случае выход из строя одного прибора не отражается на работе остальных, тогда как при последовательном соединении выход из строя одного прибора размыкает цепь.

Правила Кирхгофа

1. В каждой точке разветвления проводов алгебраическая сумма сил токов равна нулю. Токи, идущие к точке разветвления, и токи, исходящие из нее, следует считать величинами разных знаков.

2. В любом замкнутом контуре цепи алгебраическая сумма произведений сил токов в отдельных участках на их сопротивление равна алгебраической сумме ЭДС источников в этом контуре.

1. Направления токов выбираются произвольно. Если после вычислений I>0, то направление выбрано верно, если I<0, то направление противоположно.
2. Произвольный замкнутый контур обходится в одном направлении. Если это направление совпадает с направлением стрелки, то IR>0, если противоположно, то IR<0. Если при обходе контура источник тока проходит от "-" к "+", то его ξ>0.
3. Все ЭДС и все R должны входить в систему уравнений.

Работа и мощность тока

Кулоновские и сторонние электрические силы совершают работу А при перемещении зарядов вдоль электрической цепи. Если электрический ток постоянен, а образующие цепь проводники неподвижны, то энергия W, которая необратимо преобразуется за время t в объеме проводник, равна совершенной работе:
W = А = IUΔt,

где I - сила тока, U - падение напряжения в проводнике.
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.
Необратимые преобразования энергии в проводнике с током обусловливаются взаимодействием электронов проводимости с узлами кристаллической решетки металла. В результате столкновения электронов с положительными ионами, находящимися в узлах решетки, электроны передают ионам энергию. Эта энергия идет на нагревание проводника.
Мощность электрического тока равна отношению работы тока за время к этому интервалу времени:

где А - работа, которая совершается током за время - сила тока, U - падение напряжения на данном участке цепи. Единица мощности электрического тока - ватт, [Р] =.

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время:

Последняя формула выражает закон Джоуля-Ленца: количество теплоты, которое выделяется током в проводнике, прямо пропорционально силе тока, времени его прохождения по проводнику и падению напряжения на нем.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Ток в полупроводниках — это упорядоченное движение электронов и дырок, возникающее под действием электрического поля. Сопротивление полупроводников резко убывает с ростом температуры в отличие от металлов.
Собственная проводимость полупроводников обычно невелика. При наличии примесей в полупроводниках наряду с собственной проводимостью дополнительно возникает примесная.
Если в качестве примеси используется элемент, валентность которого на единицу меньше, чем валентность данного полупроводника (акцепторная примесь), то для образования нормальных парно-электронных связей с соседними атомами атому примеси недостает одного электрона: в результате образуется дырка. Такие полупроводники называют полупроводниками р-типа (основные носители заряда в них — дырки, неосновные — электроны). Если же валентность примеси на единицу больше, чем у полупроводника (донорная примесь), то один из электронов в атоме примеси, не участвуя в химической связи, легко покидает атом и становится свободным. Получается полупроводник n-типа (основные носители — электроны, неосновные — дырки).
Область контакта полупроводников двух типов называют р-n-переходом. При образовании такого контакта электроны начинают диффундировать из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, а дырки — им навстречу. В результате этого n-область заряжается положительно, а р-область — отрицательно, и появляется электрическое поле, которое прекращает диффузию электронов и дырок. Если включить полупроводник с р- n -переходом в электрическую цепь, присоединив р-область к положительному полюсу, а n -область — к отрицательному (прямое включение), сопротивление перехода будет незначительным. При обратном включении р-n - переход практически не пропускает тока. Это свойство используется в полупроводниковых диодах.
Полупроводниковые диоды используются в электронной технике для выпрямления электрического тока наряду с вакуумными двухэлектродными лампами. Причем при производстве бытовой электроники лампы уже практически не используются, поскольку полупроводниковые диоды обладают целым рядом преимуществ.
Например, для работы двухэлектродной лампы необходим специальный источник энергии для накаливания нити катода (иначе не будет происходить термоэлектронная эмиссия, и в лампе не появятся носители зарядов — термоэлектроны). Для полупроводниковых диодов подобного источника энергии не требуется, и при их использовании в достаточно больших и сложных схемах получается значительная экономия энергии. Кроме того, при тех же значениях выпрямленного тока полупроводниковые диоды значительно более миниатюрны, чем электронные лампы.

Электрический ток в электролитах

Опыты показывают, что жидкости могут быть диэлектриками, полупроводниками или проводниками. Самой известной жидкостью - диэлектриком является вода. В том, что вода — диэлектрик, легко убедиться, если опустить в банку с водой два электрода, подключив их к источнику тока. В такой цепи тока практически не будет.
Совсем по-другому будет обстоять дело, если воду заменить на какой-либо проводящий раствор. Подобные растворы, обладающие электрической проводимостью, называют электролитами. При создании в электролитах электрического поля в них возникает ток, вследствие чего положительные ионы начинают двигаться к катоду, а отрицательные ионы (и электроны) — к аноду.
Ионная проводимость в таких электролитах, каковыми являются растворы кислот, щелочей и солей, объясняется электролитической диссоциацией. Диссоциация — это распад молекул на ионы под действием электрического поля полярных молекул растворителя. Разноименно заряженные ионы при столкновении могут снова объединиться в нейтральные молекулы — рекомбинировать. В отсутствие электрического поля в растворе устанавливается динамическое равновесие, когда процессы диссоциации и рекомбинации уравновешивают друг друга.
При прохождении через электролит тока наблюдается процесс электролиза — выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита.

Электрический ток в газах

Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях не содержат свободных носителей тока (электронов и ионов). Газы в нормальных условиях являются диэлектриками. Носители электрического тока в газах могут возникнуть только при ионизации газов — отрыве от их атомов или молекул электронов. При этом атомы (молекулы) газов превращаются в положительные ионы. Отрицательные ионы в газах могут возникнуть, если атомы (молекулы) присоединят к себе электроны.
Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Для осуществления газового разряда к трубке, где имеется ионизованный газ (газоразрядная трубка), должно быть приложено электрическое или магнитное поле.

Плазма.

Вещество, содержащее смесь нейтральных атомов, свободных электронов и положительных ионов, называют плазмой. Плазма, возникающая в результате сравнительно слаботочных электрических разрядов (напр. в трубках “дневного света”) характеризуется весьма малыми концентрациями заряженных частиц по сравнению с нейтральными (). Обычно ее называют низкотемпературной, поскольку температура атомов и ионов близка к комнатной. Средняя же энергия гораздо более легких электронов оказывается гораздо большей. Т.о. низкотемпературная плазма является существенно неравновесной, открытой средой. Как отмечалось, в подобных средах возможны процессы самоорганизации. Хорошо известным примером является генерация в плазме газовых лазеров высоко упорядоченного когерентного излучения.
Плазма может так же может быть термодинамически равновесной. Для ее существования необходима очень высокая температура (при которой энергия теплового движения сравнима с энергией ионизации). Такие температуры существуют на поверхности Солнца, могут возникать при очень мощных электрических разрядах (молнии), при ядерных взрывах. Такую плазму называют горячей.

Атмосферное электричество.

Земля является достаточно хорошим проводником электрического тока (по сравнению с сухим воздухом). На высоте около 50 км ионизирующее космическое излучение обуславливает наличие ионосферы - слоя сильно ионизированного газа. Измерения показывают, что между ионосферой и поверхностью Земли существует огромная разность потенциалов (около 5000000 В), причем ионосфера имеет положительный по отношению к Замле заряд. Наличие разности потенциалов между Землей и “небом” приводит к появлению тока очень малой плотности (j=10^-9A/M²) даже в таком плохом проводнике как воздух. Полный ток, приходящий на поверхность планеты, весьма велик, а выделяемая им мощность сравнима с мощностью всех построенных электростанций. Возникают естественные вопросы о механизме поддержания указанной разности потенциалов и о причинах, по которым ее наличие до сих пор никак не используется человеком.
В настоящее время установлено, что основным механизмом, заряжающим “небо” относительно Земли являются грозы. Капли воды и кристаллы льда, перемещаясь вниз к основанию грозовой тучи собирают на себе имеющиеся в атмосфере отрицательные заряды и тем самым заряжают нижнюю часть грозового облака отрицательным электричеством до потенциалов, во много раз превосходящих потенциал Земли. В результате между Землей и тучей возникает очень большое электрическое поле, направленное в противоположную сторону по сравнению с полем, существующем в безоблачную погоду. Вблизи выступающих с поверхности Земли проводящих предметов это поле еще усиливается и оказывается достаточным для ионизации газа, которая нарастает по лавинообразному закону. В результате возникает очень мощный электрический разряд, называемый молнией. Вопреки бытующему мнению, молния начинается на Земле и бьет в тучу, а не наоборот.
Характерное для ясной погоды электрическое поле напряженностью 100В/м не удается не только использовать, но даже ощутить, хотя на равной росту человека высоте при его отсутствии оно создает разность потенциалов около 200В. Причиной этого является низкая проводимость воздуха и, как следствие, малые плотности текущих на поверхность Земли токов. Введение в электрическую цепь хорошего проводника (человека), шунтирующего двухметровый воздушный столб, практически не изменяет суммарного сопротивления цепи “небо-Земля”, ток в которой остается неизменным. Вызываемое им падение напряжения на теле человека составляет около U=IR=0.2мкВ, что лежит значительно ниже порога чувствительности нашего организма.

Электрический ток в живых тканях.

Важная роль электрических импульсов для жизнедеятельности организмов предполагалась еще более 200 лет назад. Сейчас известно, что эти импульсы используются для обеспечения управления работой органов и передачи информации между ними в процессе жизнедеятельности. Роль кабелей для передачи сигналов в сложнейшем “биологическом компьютере” играют нервы, основу которых составляют узко специализированные клетки - нейроны. Основные функции этих клеток - прием, обработка и усиление электрических сигналов. Нейроны связываются друг с другом в “сеть” при помощи специальных удлиненных выростов - аксонов, выполняющих функции проводников. Исследования распространения электрических сигналов в аксонах выполнялись совместно биологами, химиками и физиками в 30-60 годах нашего века и явились одним из первых удачных примеров плодотворного сотрудничества представителей смежных естественных наук.
Как оказалось, свойства электрических импульсов, распространяющихся в аксонах существенно отличаются от привычных для электротехники: 1) скорость распространения импульсов по аксону оказывается на несколько порядков меньше характерных для металлических; 2) после прохождения электрического импульса существует “мертвое” время, в течение которого распространение следующего импульса невозможно; 3) существует пороговое значение напряжения (импульсы с амплитудой ниже пороговой не распространяются); 4) при медленном нарастании напряжения даже до превышающего порог значения импульс по аксону не передается (“аккомодация”).
Перечисленные нехарактерные для традиционной электротехники особенности проводимости аксонов нашли объяснения в рамках весьма специфического электро-химического механизма, центральная роль в котором принадлежит полу проницаемой для ионов клеточной мембране, отделяющей содержащий аномально высокую концентрацию ионов K+ и низкую - Na+ внутренний объем клетки (и ее аксона) от окружающей среды, заполненной физиологическим раствором. В результате хаотического теплового движения частиц через границу между областями с различными концентрациями положительных ионов возникают диффузионные потоки (K+ - из клетки, Na+ - внутрь ее), скорости которых регулируются проницаемостью клеточной мембраны и электрической разностью потенциалов по обе стороны от нее. Изменения проницаемости мембраны для каждого из ионов приводит к изменению количества заряженных частиц, пересекающих границу и, следовательно, к изменению электрического потенциала аксона относительно внешней среды. Как показали опыты, проводимость участка мембраны изменяется в зависимости от приложенной к нему разности потенциалов. Т.о. подаваемый на участок аксона электрический импульс изменяет на небольшое время (зависящее от свойств аксона) проводимость мембраны, что ведет к перераспределению зарядов, усилению импульса и формированию его заднего фронта. При этом аксон одновременно играет роль проводника и “усиливающих подстанций - ретрансляторов”, что позволяет избежать затухания сигналов, передаваемых в организме на достаточно большие расстояния.
Интересно, что весьма сходную проблему с той, что была решена природой, незадолго до раскрытия механизма проводимости аксона пришлось решать в радиотехнике при попытке организовать транс Атлантическую кабельную связь. Для того, чтобы избежать затухания и искажения сигнала в длинной линии, кабель пришлось разделить на сравнительно короткие звенья, между которыми были помещены усилители. Опыт, накопленный физиками при создании длинных линий кабельной связи существенно облегчил решение проблемы о механизме электропроводности аксона.

Дата добавления: 2014-01-15