Berezka7km.ru

Березка 7км
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Постоянный ток тепловое действие тока

Постоянный ток тепловое действие тока

Реферат на тему:
Тепловое действие тока
Сверхпроводимость
Источники постоянного тока

Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока увеличивается скорость колебаний ионов и атомов и внутренняя энергия проводника увеличивается. Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока. Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле:
А = U•I•t.
Обозначим количество теплоты буквой Q. Согласно сказанному выше Q = A, или Q = U•I•t. Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Зная, что U = IR, получим: Q = I•R•I•t, т. е. Q=I •R•tКоличество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. К этому же выводу, но на основании опытов впервые пришли независимо друг от друга английский ученый Джоуль и русский ученый Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля — Ленца.
Рассмотрим устройство лампы накаливания. Нагреваемым элементом в ней является свернутая в спираль тонкая вольфрамовая нить 1. Вольфрам для изготовления нити выбран потому, что он тугоплавок и имеет достаточно большое удельное сопротивление. Спираль с помощью специальных держателей 2 укрепляется внутри стеклянного баллона, наполненного инертным газом, в присутствии которого вольфрам не окисляется. Баллон крепится к цоколю 3, к которому припаян один конец токоведущего провода в точке 4. Второй конец провода через изолирующую прокладку 5 припаян к нижнему контакту. Лампа ввертывается в патрон. Он представляет собой пластмассовый корпус А, в котором имеется металлическая гильза Б с резьбой; к ней присоединен один из проводов сети. Патрон контактирует с цоколем 3. Второй провод от сети присоединен к контакту В, который касается нижнего контакта лампы. Лампы накаливания удобны, просты и надежны, но экономически они невыгодны. Так, например, в лампе мощностью 100 Вт лишь небольшая часть электроэнергии (4 Вт) преобразуется в энергию видимого света, а остальная энергия преобразуется в невидимое инфракрасное излучение и в форме тепла передается окружающей среде.
Для оценки эффективности того или иного устройства в технике введена специальная величина — коэффициент полезного действия (КПД). Коэффициентом полезного действия называют отношение энергии, полезно преобразованной (работы или мощности), ко всей потребленной энергии, или затраченной (работе или мощности):
Часто КПД выражают в процентах (%). Вычислим КПД электрической лампы накаливания по данным, приведенным выше: h=4/100=0.04=4%;
Для сравнения укажем, что КПД лампы дневного света примерно 15%, а у натриевых ламп наружного освещения около 25%.
Существует большое число электрических нагревательных приборов, например электрические плиты, утюги, самовары, кипятильники, обогреватели, электрические одеяла, фены для сушки волос, в которых используется тепловое действие тока. Основным нагревательным элементом является спираль из материала с большим удельным сопротивлением. Она помещается в керамические изоляторы с хорошей теплопроводностью, которые изготовлены в виде своеобразных бус. В приборах, предназначенных для нагревания жидкостей, изолированная спираль помещается в трубки из нержавеющей стали. Ее выводы тоже тщательно изолируются от металлических частей приборов. Температура спирали при работе нагревательного прибора остается постоянной. Объясняется это тем, что очень быстро устанавливается баланс между потребляемой из сети электроэнергией и количеством теплоты, отдаваемым путём теплообмена окружающей среде.
Очень эффективным преобразователем электрической энергии, дающим много тепла и света, является электрическая дуга. Ее широко используют для электрической сварки металлов, а также в качестве мощного источника света. Для наблюдения электрической дуги надо два угольных стержня с присоединенными к ним проводами закрепить в хорошо изолирующих держателях, а затем подключить стержни к источнику тока, дающему невысокое напряжение (от 20 до 36 В) и рассчитанному на большие силы тока (до 20 А). Последовательно стержням обязательно надо включить реостат. Ни в коем случае нельзя подключать угли в городскую сеть (220 или 127 В), так как это приведет к сгоранию проводов и к пожару. Коснувшись углями друг друга, можно заметить, что в месте соприкосновения они сильно раскалились. Если в этот момент угли раздвинуть, между ними возникает яркое слепящее пламя, имеющее форму дуги. Это пламя вредно для зрения. Пламя электрической дуги имеет высокую температуру, при которой плавятся самые тугоплавкие материалы, поэтому электрическая дуга используется в дуговых электрических печах для плавки металлов. Пламя дуги является очень ярким источником света, поэтому его часто используют в прожекторах, стационарных кинопроекторах и т. д.
Электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Если по той или иной причине сила тока в цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция — воспламениться. Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока, например электрических плиток, или короткое замыкание. Коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте проводки под током (рис. 86) или при случайном соприкосновении оголенных проводов. Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители. Назначение предохранителей — сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы.
Рассмотрим устройство предохранителей, применяемых в квартирной проводке. Главная часть предохранителя, изображенного на рисунке проволока С из легкоплавкого металла (например, из свинца), проходящая внутри фарфоровой пробки П. Пробка имеет винтовую нарезку Р и центральный контакт К. Нарезка соединена с центральным контактом свинцовой проволокой. Пробку ввинчивают в патрон, находящийся внутри фарфоровой коробки Свинцовая проволока представляет, таким образом часть общей цепи. Толщина свинцовых проволок рассчитана так, что они выдерживают определенную силу тока, например 5, 10 А и т.д. Если сила тока превысит допустимое значение, то свинцовая проволока расплавится и цепь окажется разомкнутой. Предохранители с плавящимся проводником называют плавкими предохранителями.
Сверхпроводимость
Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающимся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.
Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4.2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

Читайте так же:
Тепловая пушка 9 квт 380 вольт ток потребления

Источники постоянного тока
Простейшим источником постоянного тока является химический источник (гальванический элемент или аккумулятор), поскольку полярность такого источника не может самопроизвольно измениться.
Для получения постоянного тока используют также электрические машины — генераторы постоянного тока.
В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения постоянного тока используют выпрямитель. Далее для уменьшения пульсаций может быть использовансглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор тока или стабилизатор напряжения.Сочинения курсовыеСочинения курсовые

Постоянный и переменный токи

Мы завершаем изучение темы «Постоянный электрический ток». Тем не менее, в этом параграфе мы рассмотрим и переменный ток. С чем это связано? Причина в самих терминах «постоянный ток» и «переменный ток», названия которых не вполне удачны, поскольку могут трактоваться по-разному в физике и электротехнике: так сложилось исторически. Обратимся к определениям.

В физике постоянным током называют электрический ток, не изменяющийся по силе и направлению с течением времени. Графиком такого «истинно постоянного» тока должна быть прямая, параллельная оси времени (см. рис. «а»). Тем не менее, в электротехнике постоянным током считают ток, который постоянен только по направлению, но может меняться по силе. Такой ток можно получить «выпрямлением» синусоидального переменного тока, например, того, который существует в домашней осветительной сети (см. рис. «б»). В результате получается пульсирующий однонаправленный ток (см. рис. «в»).

В физике переменным током называют электрический ток, изменяющийся с течением времени: по силе и/или направлению. С точки зрения физики, «пульсирующий» ток на рисунке «в» является переменным, поскольку меняется по силе (оставаясь постоянным по направлению). Такой однонаправленный ток в электротехнике считают «постоянным», так как по своим действиям он похож на настоящий постоянный ток. Например, он будет пригоден для зарядки аккумуляторов, работы электродвигателей, проведения электролиза. Переменный по направлению ток для этих целей непригоден.

Примечание. Почему ток в электрических сетях является именно синусоидальным и меняет своё направление 100 раз в секунду, мы расскажем позднее (см. § 10-ж). А пока рассмотрим, как из него можно получить однонаправленный пульсирующий ток – «постоянный» с точки зрения электротехники. Другими словами, как «перебросить» нижние части синусоиды вверх, то есть преобразовать форму тока без потери мощности этого тока? Для этого служат различные приборы, один из которых – полупроводниковый диод, пропускающий через себя ток лишь в одном направлении (см. § 09-и).

Ниже на левой схеме показано включение двух диодов в цепь переменного тока. При этом верхние части синусоиды проходят через верхний диод (по направлению его «стрелочки»), а нижние части синусоиды не проходят через нижний диод (против его «стрелочки»). Таким образом получается пульсирующий однонаправленный ток, и ровно половина исходной мощности не попадает к потребителю, так как образуются «равнины» с нулевым значением силы тока. Для особо интересующихся физикой заметим, что точно такой же результат будет, если оставить только один диод, причём, любой.

На правой схеме показано включение четырёх диодов по так называемой мостовой схеме. Она более выигрышна по сравнению с предыдущей: диоды попарно пропускают как верхние, так и нижние части синусоиды соответственно к клеммам «+» и «–». В результате из исходного переменного тока, на графике кторого можно условно выделить «холмы и овраги», на графике получающегося однонаправленного тока образуются «не холмы и равнины», а «удвоенные холмы». Это означает, что теперь к потребителю попадает вся мощность исходного тока.

И в заключение рассмотрим, как к непостоянному току можно применить закон Джоуля-Ленца Q=I²Rt, описывающий тепловое действие тока. Как быть, если сила тока постоянно меняется? Нужно её заменить на условно-постоянную силу тока, которая производит такое же тепловое действие. Такое условно-постоянное значение силы тока в физике называют эквивалентным (эффективным, действующим) значением силы непостоянного тока.

Читайте так же:
Тепловой обратный ток диода

Определение: эквивалентное значение непостоянного тока равно значению такого постоянного тока, который, проходя через то же сопротивление, выделяет в нём то же количество теплоты за то же время. Именно эквивалентное значение тока показывают нам все амперметры. Аналогично и по отношению к напряжению и вольтметрам. Итак, определить эквивалентные значения непостоянных токов позволяют калориметрические измерения (см. § 06-в).

Упорядоченное движение заряженных частиц: понятие и характеристики

Огромное множество физических явлений как микроскопического, так и макроскопического характера имеют электромагнитную природу. К ним относятся силы трения и упругости, все химические процессы, электричество, магнетизм, оптика.

Одно из таких проявлений электромагнитного взаимодействия – упорядоченное движение заряженных частиц. Оно представляет собой совершенно необходимый элемент практически всех современных технологий, находящих применение в самых различных областях – от организации нашего быта до космических полетов.

Общее понятие о феномене

Мыс принца Уэльского - крайняя западная материковая точка Северной Америки: координаты Вам будет интересно: Мыс принца Уэльского — крайняя западная материковая точка Северной Америки: координаты

green tea

Упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Такое перемещение зарядов может осуществляться в разных средах посредством тех или иных частиц, иногда – квазичастиц.

Обязательным условием тока является именно упорядоченное, направленное движение. Заряженные частицы — это объекты, которые (как, впрочем, и нейтральные) обладают тепловым хаотическим движением. Однако ток возникает, только когда на фоне этого непрерывного беспорядочного процесса происходит общее перемещение зарядов в некотором направлении.

Прогнозирование спроса: понятие, виды и функции Вам будет интересно: Прогнозирование спроса: понятие, виды и функции

При движении какого-либо тела, в целом электрически нейтрального, частицы в составе его атомов и молекул, конечно, движутся направленно, но, поскольку разноименные заряды в нейтральном объекте компенсируют друг друга, никакого переноса заряда нет, и говорить о токе в этом случае также не имеет смысла.

Как возникает ток

Рассмотрим простейший вариант возбуждения постоянного тока. Если к среде, где в общем случае присутствуют носители зарядов, приложить электрическое поле, в ней начнется упорядоченное движение заряженных частиц. Явление называется дрейфом зарядов.

Потенциалы электрического поля

Вкратце его можно описать следующим образом. В различных точках поля возникает разность потенциалов (напряжение), то есть энергия взаимодействия электрических зарядов, расположенных в этих точках, с полем, отнесенная к величине этих зарядов, будет различной. Поскольку всякая физическая система, как известно, стремится к минимуму потенциальной энергии, отвечающему равновесному состоянию, заряженные частицы начнут движение, направленное к выравниванию потенциалов. Иначе говоря, поле совершает некоторую работу по перемещению этих частиц.

Организационная система: определение, основные функции, методы управления, задачи и процессы развития Вам будет интересно: Организационная система: определение, основные функции, методы управления, задачи и процессы развития

Когда потенциалы выравниваются, обращается в нуль напряженность электрического поля – оно исчезает. Вместе с тем прекращается и упорядоченное движение заряженных частиц – ток. Для того чтобы получить стационарное, то есть не зависящее от времени, поле, необходимо использовать источник тока, в котором, благодаря выделению энергии в тех или иных процессах (например, химических), заряды непрерывно разделяются и поступают на полюса, поддерживая существование электрического поля.

Ток можно получать различными способами. Так, изменение магнитного поля воздействует на заряды во внесенном в него проводящем контуре и вызывает их направленное движение. Такой ток называется индукционным.

Движение заряда в электрическом поле

Количественные характеристики тока

Главный параметр, с помощью которого ток описывают количественно, – это сила тока (иногда говорят «величина» или просто «ток»). Она определяется как количество электричества (величина заряда или число элементарных зарядов), проходящее за единицу времени сквозь некоторую поверхность, обычно через сечение проводника: I = Q/t. Измеряется ток в амперах: 1 А = 1 Кл/с (кулон в секунду). На участке электрической цепи сила тока прямой зависимостью связана с разностью потенциалов и обратной – с сопротивлением проводника: I = U/R. Для полной цепи эта зависимость (закон Ома) выражается как I = Ԑ/R+r, где Ԑ — электродвижущая сила источника и r – его внутреннее сопротивление.

Отношение силы тока к сечению проводника, через который происходит перпендикулярно ему упорядоченное движение заряженных частиц, называют плотностью тока: j = I/S = Q/St. Данная величина характеризует количество электричества, которое протекает за единицу времени через единицу площади. Чем выше напряженность поля E и электропроводность среды σ, тем больше и плотность тока: j = σ∙E. В отличие от силы тока, эта величина — векторная, и имеет направление по движению частиц, несущих положительный заряд.

Направление тока и направление дрейфа

Решетнев Михаил Федорович: биография, личная жизнь, разработка космических систем и награды Вам будет интересно: Решетнев Михаил Федорович: биография, личная жизнь, разработка космических систем и награды

В электрическом поле объекты, переносящие заряд, под действием кулоновских сил будут совершать к противоположному по знаку заряда полюсу источника тока упорядоченное движение. Частицы, заряженные положительно, дрейфуют в сторону отрицательного полюса («минуса») и, наоборот, свободные отрицательные заряды притягиваются к «плюсу» источника. Частицы могут перемещаться и в двух противоположных направлениях сразу, если в проводящей среде присутствуют носители зарядов обоих знаков.

По историческим причинам принято считать, что ток направлен так, как движутся положительные заряды – от «плюса» к «минусу». Чтобы избежать путаницы, следует помнить, что хотя в наиболее знакомом всем нам случае тока в металлических проводниках реальное перемещение частиц – электронов – происходит, конечно, в обратном направлении, указанное условное правило действует всегда.

Дрейф электрона в проводнике

Распространение тока и дрейфовая скорость

Нередко возникают проблемы и с пониманием того, насколько быстро движется ток. Не следует путать два разных понятия: скорость распространения тока (электрического сигнала) и скорость дрейфа частиц – носителей зарядов. Первое – это скорость, с которой передается электромагнитное взаимодействие или — что то же самое — распространяется поле. Она близка (с учетом среды распространения) к скорости света в вакууме и составляет почти 300 000 км/с.

Читайте так же:
Что такое тепловое действие электрического тока краткое

Частицы же совершают свое упорядоченное движение очень медленно (10-4–10-3 м/с). Дрейфовая скорость зависит от напряженности, с которой действует на них приложенное электрическое поле, но во всех случаях она на несколько порядков уступает скорости теплового беспорядочного движения частиц (105–106 м/с). Важно понимать, что под действием поля начинается одновременный дрейф всех свободных зарядов, поэтому ток возникает сразу во всем проводнике.

Виды тока

В первую очередь токи различают по поведению носителей заряда во времени.

  • Постоянным называют ток, не изменяющий ни величину (силу), ни направление перемещения частиц. Это самый простой вариант перемещения заряженных частиц, и с него всегда начинают изучение электрического тока.
  • У переменного тока эти параметры изменяются во времени. В основе его генерирования лежит явление электромагнитной индукции, возникающей в замкнутом контуре, благодаря изменению (вращению) магнитного поля. Электрическое поле в этом случае периодически меняет вектор напряженности на противоположный. Соответственно, изменяются знаки потенциалов, а величина их проходит от «плюса» до «минуса» все промежуточные значения, в том числе и нулевое. В результате этого явления упорядоченное движение заряженных частиц все время меняет направление. Величина такого тока колеблется (обычно синусоидально, то есть гармонически) от максимума до минимума. Переменный ток имеет такую важную характеристику скорости этих колебаний, как частота – количество полных циклов изменения в секунду.

Помимо этой важнейшей классификации, различия между токами можно проводить и по такому критерию, как характер движения носителей заряда по отношению к среде, в которой ток распространяется.

Электрический разряд

Токи проводимости

Наиболее известный пример тока – это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля внутри какого-либо тела (среды). Оно именуется током проводимости.

В твердых телах (металлы, графит, многие сложные материалы) и некоторых жидкостях (ртуть и другие расплавы металлов) электроны являются подвижными заряженными частицами. Упорядоченное движение в проводнике – это их дрейф относительно атомов или молекул вещества. Проводимость такого рода называют электронной. В полупроводниках перенос зарядов также происходит за счет движения электронов, но по ряду причин удобно пользоваться для описания тока понятием дырки – положительной квазичастицы, представляющей собой перемещающуюся электронную вакансию.

В электролитических растворах прохождение тока осуществляется за счет движущихся к разным полюсам – аноду и катоду – отрицательных и положительных ионов, входящих в состав раствора.

Упорядоченное движение зарядов в электролите

Токи переноса

Газ – в обычных условиях диэлектрик – также может стать проводником, если подвергнуть его достаточно сильной ионизации. Газовая электропроводность носит смешанный характер. Ионизированный газ уже представляет собой плазму, в которой перемещаются и электроны, и ионы, то есть все заряженные частицы. Упорядоченное движение их формирует плазменный канал и называется газовым разрядом.

Коннотация - это лексический термин, которым мы пользуем каждый день Вам будет интересно: Коннотация — это лексический термин, которым мы пользуем каждый день

Направленное перемещение зарядов может происходить не только внутри среды. Допустим, в вакууме движется пучок электронов или ионов, испускаемых с положительного или отрицательного электрода. Это явление носит название электронной эмиссии и широко используется, к примеру, в вакуумных приборах. Безусловно, такое движение представляет собой ток.

Еще один случай – перемещение электрически заряженного макроскопического тела. Это – тоже ток, поскольку подобная ситуация удовлетворяет условию направленного переноса зарядов.

Все приведенные примеры необходимо рассматривать как упорядоченное движение заряженных частиц. Называется такой ток конвекционным или током переноса. Его свойства, например, магнитные, совершенно аналогичны таковым у токов проводимости.

Молния - движение зарядов в атмосфере

Ток смещения

Существует явление, не имеющее отношения к переносу зарядов и возникающее там, где наличествует изменяющееся во времени электрическое поле, которое обладает свойством, присущим «настоящим» токам проводимости или переноса: оно возбуждает переменное магнитное поле. Это происходит, например, в цепях переменного тока между обкладок конденсаторов. Явление сопровождается передачей энергии и называется током смещения.

По сути, данная величина показывает, как быстро изменяется индукция электрического поля на некоторой поверхности, перпендикулярной к направлению ее вектора. Понятие электрической индукции включает в себя векторы напряженности поля и поляризации. В вакууме учитывается только напряженность. Что же касается электромагнитных процессов в веществе, то поляризация молекул или атомов, в которых при воздействии поля имеет место движение связанных (не свободных!) зарядов, вносит некоторый вклад в ток смещения в диэлектрике или проводнике.

Название возникло в XIX веке и носит условный характер, так как действительный электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Ток смещения с дрейфом зарядов никак не связан. Поэтому он, строго говоря, током не является.

Проявления (действия) тока

Упорядоченное движение заряженных частиц всегда сопровождается теми или иными физическими явлениями, по которым, собственно, и можно судить о том, протекает данный процесс или нет. Можно разделить такие явления (действия тока) на три основных группы:

  • Магнитное действие. Движущийся электрический заряд обязательно создает магнитное поле. Если поместить компас рядом с проводником, по которому протекает ток, стрелка совершит поворот перпендикулярно направлению этого тока. На основе данного явления действуют электромагнитные устройства, позволяющие, например, преобразовать электрическую энергию в механическую.
  • Тепловое действие. Ток совершает работу по преодолению сопротивления проводника, результатом чего становится выделение тепловой энергии. Это происходит потому, что при дрейфе заряженные частицы испытывают рассеяние на элементах кристаллической решетки или молекулах проводника и отдают им кинетическую энергию. Если бы решетка, скажем, металла, была идеально правильной, электроны практически не замечали бы ее (это следствие волновой природы частиц). Однако, во-первых, атомы в узлах решетки сами подвержены тепловым колебаниям, нарушающим ее правильность, а во-вторых, дефекты решетки – примесные атомы, дислокации, вакансии – тоже влияют на движение электронов.
  • Химическое действие наблюдается в электролитах. Разноименно заряженные ионы, на которые диссоциирован электролитический раствор, при наложении электрического поля разводятся на противоположные электроды, что приводит к химическому разложению электролита.
Читайте так же:
Автоматический выключатель для теплого пола

Электричество в жизни человека

За исключением случаев, когда упорядоченное движение заряженных частиц является предметом научных исследований, оно интересует человека в своих макроскопических проявлениях. Важен для нас не ток сам по себе, а перечисленные выше явления, которое он вызывает, благодаря превращениям электрической энергии в другие виды.

Все действия тока играют двоякую роль в нашей жизни. В одних случаях от них необходимо защищать людей и технику, в других – получение того или иного эффекта, вызываемого направленным переносом электрических зарядов, является прямым назначением самых разнообразных технических устройств.

Постоянный ток тепловое действие тока

Раздел 8 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Если в проводнике создать электрическое поле, то носители зарядов начнут двигаться упорядоченно: носители положительных зарядов в направлении поля, отрицательных — в противоположную сторону. Упорядоченное движение зарядов называют электрическим током. Его характеризуют силой тока — скалярной величиной, численно равна электрическому заряду, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени:

где dq — электрический заряд, проходящий через сечение проводника за бесконечно малый промежуток времени dt .

В общем случае электрический ток может вызываться движением как положительных, так и отрицательных зарядов. При этом перенос положительного заряда в одном направлении эквивалентно переносу такого же по значению отрицательного заряда в противоположном направлении. Если за время dt через некоторое сечение проводника положительные носители переносят заряд dq + , а отрицательные в противоположном направлении dq _ , то

За направление тока принимают направление движения положительных зарядов. Электрический ток называют постоянным, если со временем остаются постоянными сила тока и его направление.

Единица силы тока в СИ — ампер (А) — определяется на основе электромагнитного взаимодействия двух параллельных прямолинейных проводников, по которым проходит постоянный ток.

Различают ток проводимости и конвекционный ток. Ток проводимости обусловлено перемещением напрямленим заряженных частиц (электронов, ионов) внутри неподвижного проводника (твердого, жидкого или газообразного) при наличии в нем электрического поля. Однако упорядоченное движение электрических зарядов можно осуществить и другим способом — перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела (проводника или диэлектрика). Такой ток называют конвекционным. Примером конвекционного тока может быть орбитальный движение Земли, которая имеет избыток отрицательных зарядов.

Ограничимся изучением тока проводимости, поскольку он самый простой и имеет большое практическое значение. Для появления и существования тока проводимости нужны такие условия:

1) наличие в определенной среде электрических зарядов, которые бы имели возможность в нем двигаться. Такими зарядами в случае металлических проводников являются свободные электроны, в полупроводниках — электроны и «дырки», в электролитах — положительные и отрицательные ионы, в газах — преимущественно положительные ионы и электроны;

2) наличие в определенной среде электрического поля, энергия которого расходуется на перемещение зарядов. Следовательно, имеет быть разность потенциалов между двумя точками проводника. Для того чтобы ток был длительным, энергию электрического поля нужно пополнять, т.е. поддерживать разность потенциалов на концах проводника. Для этого к концам проводника подсоединяют специальное устройство — источник тока. Следовательно, для образования непрерывного электрического тока нужно создать электрическую цепь.

Электрической цепью называют совокупность источников тока, потребителя электрической энергии, измерительных и регулировочных приборов, выключателей и других элементов, соединенных проводниками. Простейшая электрическая цепь состоит из проводника, концы которого подключен к источника тока. В таком электрической цепи ток будет проходить по внешней его части — проводнике и внутренний — источнику тока. Источник тока имеет два полюса: положительный и отрицательный. При розімкненому внешнем круге на отрицательном полюсе источника тока будет избыток электронов, а на положительном их не хватать. Понятно, что такое разделение зарядов в пределах источника тока происходит под действием сил, имеющих некулонівську природу, поскольку под воздействием силы кулоновского разноименные заряды притягиваются. Эти дополнительные силы неэлектрического происхождения, которые действуют в пределах источника тока, называются посторонними. Природа сторонних сил может быть химической (гальванические элементы, аккумуляторы), тепловой (термоэлементы) и т.п.

Разделения и переноса зарядов в внутри источника тока тормозится его внутренним электрическим полем и сопротивлением с стороны среды источника тока. Поэтому в случае замкнутого электрического круга сторонние силы источника тока будут выполнять работу А, которая состоит из работы Ау, что выполняется против сил электрического поля источника тока, и работы А’, которая осуществляется против механических сил сопротивления среды этого источника:

Работу, которую выполняют сторонние силы при перемещении единичного положительного электрического заряда, называют електрорушійною силой (ЭДС) и определяют так:

Электродвижущая сила в единицах СИ выражается в вольтах. Термин «электродвижущая сила» является неудачным, поскольку ЭДС характеризует источник тока с энергетического стороны.

Читайте так же:
Уставка теплового расцепителя автоматического выключателя это

Если полюса источника тока разомкнутые, то А’ = 0, так как при этом сторонняя сила не перемещает зарядов, а только поддерживает распределение их. Тогда

Однако, по определению, работа против сил электрического поля будет

Следовательно, электродвижущая сила равна разности потенциалов на полюсах разомкнутой источника тока.

В случае замкнутого электрического круга на любом участке его внешней части есть некоторая разность потенциалов φ ‘ — φ’ ‘ = U , ее называют напряжением, или спадом напряжения на этом участке цепи.

В 1826 г. немецкий физик Г. Ом опытно установил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника

Соотношение (8.50) называют законом Ома для участка цепи.

Пользуясь им, можно достать единицу сопротивления. В СИ сопротивление проводника выражается в омах. Ом — сопротивление такого проводника, в котором возникает сила тока в один ампер, когда разность потенциалов на его концах составляет один вольт.

Если замкнутый круг состоит из источника тока с ЭДС и внутренним сопротивлением г и внешней части с сопротивлением R , то силу тока в цепи определяют по соотношению

Соотношение (8.51) называют законом Ома для полной цепи.

Опыт показывает, что сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров, материала, внешних условий (особенно температуры). Согласно экспериментальным исследованиям Г. Ома сопротивление однородного проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения:

Коэффициент пропорциональности ρ , характеризующий материал, из которого изготовлен проводник, называют удельным сопротивлением вещества проводника.

Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление проводника зависят от температуры. В общем случае такая зависимость довольно сложная. Однако для металлических проводников при небольших интервалов температур можно пользоваться приближенными формулами

где ρ и R — соответственно удельное сопротивление при температуре 0 °С; а — температурный коэффициент сопротивления; t — температура, °С. При точных расчетах надо учитывать зависимость а от температуры.

При очень низких температурах, близких до абсолютного нуля (0,5. 8 К), сопротивление некоторых металлов (алюминий, цинк, свинец и др.) скачкообразно уменьшается почти до нуля. Такое явление называют надпровідністю. Его открыл в 1911 г. Г. Камерлинг-Оннес. Природа явления сверхпроводимости раскрывается в квантовой теории.

В 1986 и 1987 гг . были открыты высокотемпературные сверхпроводники — металлооксидные соединения с температурой сверхпроводящего перехода около 100 К, что значительно выше температуры кипения жидкого азота (77 К) — дешевого и доступного холодоагенте, что выпускается промышленностью в больших количествах.

В 1987 г. вышла в свет статья ученых из г. Цюриха И. Беднорца и К. Мюллера под названием «Возможность высокотемпературной сверхпроводимости в системе Ba — La — Cu — О», в которой сообщалось об обнаружении резкого уменьшения сопротивления керамики этого типа при температурах 30. 35 К. Исследована керамика была смесью нескольких фаз. Было установлено, что уменьшение сопротивления сопровождается діамагнітною аномалией и отвечает сверхпроводящем переходе.

В январе 1987 г. были опубликованы сообщение из Хьюстонского университета и лаборатории Белла, в которых уже называлась фаза, ответственное за сверхпроводимость. Эта фаза описывается химическими формулами La 2- x BaxCuO 4 для бариевой керамики и La 2- x SrCuO 4 для стронцієвої. Важно, что для керамики La 2- x Sr 0,2 CuO 4 наблюдается очень узкий сверхпроводящий переход при Тс = 36 К, что на 13 градусов выше предыдущего рекорда за Тс (23,2 K для Nb 3 G ).

После этого успеха все ведущие лаборатории мира, которые изучали сверхпроводимость, начали поиск и исследования новых металооксидних сверхпроводников. В марте 1987 г. сделано новое открытие в Алабамському и Хьюстонському университетах на керамике Y — Ва — Cu — О, где была достигнута температура сверхпроводящего перехода Тс = 92 К. Так было преодолено азотный барьер за Тс на пути широкого практического использования сверхпроводников, и это еще больше привлекло внимание исследователей к новым высокотемпературных сверхпроводников.

Итак, физика высокотемпературной сверхпроводимости находится на начальной стадии. Сейчас в ней интенсивно накапливаются экспериментальные данные, характеризующие свойства металооксидних соединений в нормальной и надпровідній фазах.

Прохождение тока через проводник, если он не находится в состоянии сверхпроводимости, сопровождается его нагревом. Это объясняется тем, что электрические заряды, двигаясь направленно, испытывают сопротивления в среде проводника. Изучая тепловое действие тока, английский физик Дж. Джоуль (1818-1889) и российский физик Э. X. Ленц (1804-1865) независимо друг от друга пришли к такому выводу: количество теплоты Q , выделяемое на определенном участке проводника, прямо пропорциональна силе тока, проходящего через проводник, напряжении на его концах U и времени t прохождения тока:

Этот вывод называется законом Джоуля — Ленца. Если силу тока взято в амперах, напряжение в вольтах, а время в секундах, то количество теплоты, которое выделяется, выражается в джоулях.

Кроме нагрев проводников энергия электрического тока может подвергаться самых разнообразных преобразований. Так, за наличии во внешнем круге электродвигателя часть электрической энергии источника тока превращается в механическую энергию. Прохождение электрического тока через проводник второго рода — электролит — сопровождается преобразованием части источники энергии в химическую. Если внешняя часть электрической цепи состоит только из металлических проводников, то при больших температур энергия электрического тока частично тратиться на излучение.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector