Электрический ток
Мы выяснили, что подвижные носители зарядов в проводнике перемещаются под действием внешнего электрического поля, пока не выровняются потенциалы всех точек проводника. Однако если в двух точках проводника каким-то образом искусственно поддерживать различные потенциалы, то это поле будет обеспечивать непрерывное движение зарядов: положительных — от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом, а отрицательных — наоборот. Когда эта разность потенциалов не меняется со временем, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.
Вспомним из курса физики некоторые сведения об электрическом токе.
Упорядоченное движение свободных зарядов в проводнике называется электрическим током проводимости, или электрическим током.
Основными условиями существования электрического тока являются:
- наличие свободных заряженных частиц;
- наличие источника тока, создает электрическое поле, действие которого приводит упорядоченное движение свободных заряженных частиц;
- замкнутость электрической цепи, которая обеспечивает циркуляцию свободных заряженных частиц.
В зависимости от величины удельного сопротивления, который вещества оказывают постоянному току, они делятся на проводники, полупроводники, диэлектрики.
В зависимости от среды различают особенности прохождения электрического тока, в частности в металлах, жидкостях и газах, где носителями тока могут быть свободные электроны, положительные и отрицательные ионы.
Полная электрическая цепь содержит источник тока и электроприборы, а также устройство для замыкания (размыкания) электрической цепи. За направление тока в цепи условно выбирают направление от положительного полюса источника тока к отрицательному (реальное движение носителей тока — электронов — происходит в обратном направлении).
Основными физическими величинами, характеризующими электрический ток, являются следующие:
Сила тока I — физическая величина, характеризующая скорость перераспределения электрического заряда в проводнике и определяется отношением заряда q, проходящий через любой сечение проводника за время t, к величине этого интервала времени, I=q/t. Единица силы тока — ампер, 1А =1Кл/сек.
Термин «сила тока» предложили задолго до установления научных положений электродинамики. Он несколько неудачный, поскольку никакого отношения к «силе» он не имеет.
Электрическое сопротивление R — это физическая величина, характеризующая свойство проводника противодействовать прохождению электрического тока. Единица электрического сопротивления — ом, 1 Ом.
Сопротивление проводника зависит от его физических параметров — длины l, площади поперечного сечения S и от удельного сопротивления вещества p, из которой он изготовлен: R = р*l/S.
И как мы знаем, образования тока в проводнике обуславлено наличием разности потенциалов ϕ 1 – ϕ 2 , которую еще называют напряжением.
Напряжение U — это физическая величина, определяемая работой электрического поля по перемещению единичного положительного заряда между двумя точками поля, U = A/q. Единица напряжения — вольт, 1 В.
Электродвижущая сила
При подключении к полюсам источника проводник, благодаря наличию разности потенциалов, свободные электроны проводимости, не прекращая хаотического движения, под действием кулоновских сил начнут двигаться направлено — от конца проводника с более низким потенциалом к концу с высшим, то есть от отрицательного полюса источника тока к положительному. Но силы электрического поля не могут переместить электрические заряды между полюсами внутри источника, поскольку действуют на них в противоположном направлении. Поэтому внутри источника, кроме электрических сил F кл , действуют еще и сторонние силы F ст. Природа сторонних сил может быть различной: в химических элементах — это действие химических реакций, в фотоэлементах — действие солнечных лучей, электрогенераторах — изменение магнитного потока.
Сторонние силы перемещают отрицательные заряды от положительного полюса батареи к отрицательному и противодействуют электрическим силам, которые стремятся выровнять потенциалы на полюсах. Благодаря этому заряды циркулируют по замкнутому кругу, создавая ток. Участок круга, в которой заряды движутся под действием кулоновских сил, называют однородной, а ту, в которой носители заряда движутся под действием как кулоновских, так и сторонних сил, — неоднородной. Если соединить концы неоднородного участка, получим полный круг, в котором ту часть замкнутого круга, в которой заряды движутся под действием кулоновских сил (электростатической разности потенциалов), называют внешней, а ту, в которой носители заряда движутся под действием сторонних сил, — внутренней. Полюса источника тока разделяют внутренний и внешний участки цепи.
б — неоднородный участок; в — полный круг, содержащий внешнюю и внутреннюю части
Для перемещения зарядов сторонние силы выполняют соответствующую работу А. Чем больше заряд перемещается, тем больше работа выполняется. Иными словами, A ст ~ q или, используя знак равенства, A ст = εq, где ε — постоянный коэффициент пропорциональности, характеризующий соответствующий источник и называеющийся электродвижущей силой источника тока (сокращенно ЭДС).
Электродвижущая сила ε — это физическая величина, характеризующий энергию стороних сил источника тока и измеряется: работой сторонних сил (то есть сил не электростатического происхождения), выполненной для перемещения единичного позитивного электрического заряда, ε = A ст/q.
Единица электродвижущей силы — вольт, 1 В = 1 Дж/ 1Кл.
В результате разделения внутри источника положительных и отрицательных зарядов, источник приобретает запас потенциальной электрической энергии, которая тратится на выполнение работы по перемещению зарядов по всей окружности. Работа сторонних сил равна сумме работ, выполняемых по перемещению заряда на внутренней и внешней участках цепи.
В источниках тока постоянно происходит разделение положительных и отрицательных зарядов, которые сосредотачиваются на его полюсах, что вызывает появление электрического поля (стационарного). Свойства этого поля отличаются от электрического поля неподвижных зарядов, которое мы изучали в электростатике. В таблице 2 представлены сравнения свойств электрических полей подвижных и неподвижных зарядов.
| Электростатическое поле неподвижных зарядов | Стационарное электрическое поле движущихся зарядов |
| Линии напряженности являются незамкнутыми.
Работа поля по замкнутому контуру равна нулю |
Имеет замкнутые линии напряженности.
Работа поля по перемещению заряда вдоль замкнутой линии напряженности не равна нулю. Такое поле называют вихревым |
Закон Ома для полной цепи
Источник тока, как и любой проводник, имеет определенное сопротивление, который называют внутренним сопротивлением источника и обозначают r, в отличие от сопротивления внешней цепи R. Как известно из курса физики, по закону Ома, для участка цепи сила тока I на участке цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению R этого участка, I=U/R. Формулу закона Ома записывают и в таком виде: U = IR, где произведение IR называют падением напряжения на данном участке цепи. Для участка, который не содержит источника тока, понятие напряжения и падения напряжения совпадают.
Согласно закону Ома, для внешней и внутренней участков цепи можно записать U вн = Ir, U вн = IR. Тогда ε = IR + Ir, то есть сумма падений напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи равна ЭДС источника.
Соотношение, записанное в виде I = ε/R+r, называют законом Ома для полной цепи: сила тока в замкнутоq электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
Следовательно, сила тока в цепи зависит от трех величин, две из которых (ЭДС и внутреннее сопротивление) характеризуют источник, а третья зависит от самой цепи. Если пользоваться определенным источником электрической энергии, то ε и r можно считать постоянными величинами. Если менять сопротивление внешней цепи, то соответственно будет меняться сила тока I в цепи и падение напряжения IR на наружной части круга. С увеличением сопротивления внешней цепи сила тока уменьшается, а напряжение растет. Если R = ∞ (цепь разомкнута), то I = 0, падение напряжения внутри источника отсутствует, а напряжение на полюсах источника равна его ЭДС. На этом основывается метод измерения ЭДС источника. Вольтметр присоединяют к полюсам источника при разомкнутой внешней цепи. В этом случае вольтметр показывает падение напряжения IR на самом себе. А поскольку сопротивление вольтметра обычно очень большое, т.е R >> r, U = IR ≈ ε. Чем больше сопротивление вольтметра по сравнению с внутренним сопротивлением источника тока, то точнее будет измеренное значение ЭДС.
Работа и мощность электрического тока
Электрическое поле, создавая упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике, выполняет работу, которую принято называть работой тока.
Работа электрического тока А — физическая величина, характеризующая: изменение электрической энергии тока — превращение ее в другие виды.
Единица работы электрического тока — джоуль, 1 Дж. В быту и технике используют также внесистемная единица — киловатт-час (кВт • ч), 1 кВт • ч = 3,6 • 106 Дж.
Если рассматривать внешний участок электрической цепи, то работа тока определяется как А = qU = UIt, где q — заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t, U — электрическое напряжение на участке цепи, I — сила тока.
Если на участке цепи, по которой проходит ток, не выполняется механическая работа и не происходят химические реакции, то результатом работы электрического тока будет только нагрев проводников. Нагретый проводник вследствие теплообмена отдает полученную энергию в окружающую среду. Согласно закону сохранения энергии, количество выделенной теплоты равна работе тока: Q = А и вычисляется по закону Джоуля — Ленца: количество теплоты Q, выделяемой за время t в проводнике с сопротивлением R во время прохождения по нему тока силой I, равна Q = I2Rt.
Воспользовавшись законом Ома I = U/R, математически можно получить и такие формулы закона Джоуля — Ленца: Q =U2t/R и Q = UIt. Однако, если в цепи выполняется механическая работа или происходят химические реакции, эти формулы использовать нельзя.
Мощность электрического тока Р — физическая величина, характеризующая способность электрического тока выполнять определенную работу и измеряется работой, выполненной в единицу времени, Р = A/t, здесь А — работа электрического тока, t — время, за которое эта работа выполнена. Мощность во внешнем участке электрической цепи можно определить по формулам Р = UI, Р = I2R, Р = U2/R, где U — электрическое напряжение, I — сила тока, R — электрическое сопротивление участка цепи. Единица мощности — ватт, 1 Вт = 1.
Если цепь состоит из нескольких потребителей, то при параллельном их соединения общая мощность тока во всей цепи равна сумме мощностей отдельных потребителей. Это стоит принять во внимание. В быту мы пользуемся мощными электрическими приборами. Если одновременно их включить, то общая мощность может превышать ту, на которую рассчитана электрическая сеть в помещении.
Выясним, в каком случае в электрической цепи выделяется максимальная мощность. Для этого запишем закон Ома для полной цепи в таком виде: ε = IR + Ir. Умножив обе части уравнения на I, получим: εI = I 2 R + I 2 r, где εI — полная мощность, которую развивает источник тока, I2R — мощность потребителей внешней участка цепи, I2г — мощность, которую потребляет внутренняя часть круга. Итак, потребляемая мощность внешней частью цепи, составляет: P = εI – I 2 r.
Графиком зависимости Р (I) является парабола, вершина которой имеет координаты {ε/2r;ε2/4r}. Из графика видно, что максимальная мощность потребляется во внешнем цепи при силе тока I = ε/2r.
Короткое замыкание
С уменьшением сопротивления внешней цепи, R -> 0, сила тока достигает максимального значения Iк.з. Этот случай называют коротким замыканием. Для источников тока, имеющих сравнительно малое внутреннее сопротивление (например, в свинцовых аккумуляторах r=0,1-0,001 Ом), сила тока короткого замыкания может достичь очень больших значений. Проводники могут расплавиться, а сам источник — выйти из строя. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питающихся от трансформаторных подстанций, ЭДС которых измеряется сотнями вольт. Сила тока короткого замыкания в них может достичь нескольких тысяч ампер.