Меню

Электрический ток в проводниках лекция

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

  • Главная
  • Мир физики
    • Физика в формулах
    • Теоретические сведения
    • Физический юмор
    • Физика вокруг нас
    • Физика студентам
      • Для рефератов
      • Экзамены
      • Лекции по физике
      • Естествознание
  • Мир астрономии
    • Солнечная система
    • Космонавтика
    • Новости астрономии
    • Лекции по астрономии
    • Законы и формулы — кратко
  • Мир психологии
    • Физика и психология
    • Психологическая разгрузка
    • Воспитание и педагогика
    • Новости психологии и педагогики
    • Есть что почитать
  • Мир технологий
    • World Wide Web
    • Информатика для студентов
      • 1 курс
      • 2 курс
    • Программное обеспечение компьютерных сетей
      • Мои лекции
      • Для студентов ДО
      • Методические материалы
  • Физика школьникам
  • Физика студентам
  • Астрономия
  • Информатика
  • ПОКС
  • Арх ЭВМ и ВС
  • Методические материалы
  • Медиа-файлы
  • Тестирование

Как сказал.

Если вы студент, значит перед вами стоит тысяча возможностей. Найдите в себе силы, чтобы использовать хотя бы одну из них.

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Урок 27. Лекция 27-1. Электрический ток, его характеристики. Сопротивление. Закон Ома.

Проводники отличаются от диэлектриков тем, что в них есть свободные заряды, которые могут перемещаться по всему объему проводника.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле , то на свободные заряды qв проводнике будет действовать сила . В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, не скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника равно нулю.

Однако, в проводниках может при определенных условиях возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током.

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.

За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов.

В металлах носителями зарядов являются электроны — отрицательно заряженные частицы, поэтому электрический ток в металлах всегда направлен против дижения электронов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I.

Сила тока – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Сила тока численно равна количеству зарядов, прошедших через поперечное сечение проводника за 1 секунду.

Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике
I — сила тока, S – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле.

Единица измерения силы тока в Международной системе единиц СИ ампер [А].

Прибор для измерения силы тока называется амперметр.

Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток.

На схемах электрических цепей амперметр обозначается .

Амперметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. Внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным .

Кратковременный ток в проводнике можно получить, если соединить этим проводником два заряженных проводящих тела, которые имеют различный потенциал. Ток в проводнике исчезнет, когда потенциал тел станет одинаковым. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем и длительное время поддерживать электрическое поле.

Условия существования электического тока:

1.Наличие свободных зарядов внутри проводника,

2. Наличие разности потенциалов на концах проводника (создание электрического поля внутри проводника)

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создается электрическим полём, а оно при этом совершает работу. Работа токаэто работа сил электрического поля, создающего электрический ток.

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. При перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы.

Работа электростатических сил при перемещении единичного заряда равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Величину U 12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2.

Напряжениеэто физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы, численно равно работе электрического поля по перемещению заряда из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2.


В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов: U 12 = φ 1 – φ 2

Единица измерения напряжения в Международной системе единиц СИ вольт [В].

Прибор для измерения напряжения называется вольтметр.


Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов.

На схемах электрических цепей амперметр обозначается .

Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RB. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Аналогично тому, как трение в механике препятствует движению, сопротивление проводника создает противодействие направленному движению зарядов и определяет превращение электрической энергии во внутреннюю энергию проводника. Причина сопротивления: столкновение свободно движущихся зарядов с ионами кристаллической решетки.

Читайте также:  Конспект лекции постоянный электрический ток

Величина, характеризующая противодействие электрическому току в проводнике, которое обусловлено внутренним строением проводника и хаотическим движением его частиц, называется электрическим сопротивлением проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом [Ом]. Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Электрическое сопротивление проводника зависит от размеров и формы проводника и от материала, из которого изготовлен проводник.

S – площадь поперечного сечения проводника
l – длина проводника
ρ – удельное сопротивление проводника.

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Величину ρ, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением проводника. Оно численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью сечения 1 мм 2 , изготовленного из данного вещества. Единица удельного сопротивления в СИ [1 Ом*м = 1 Ом*мм 2 /м]

Сопротивление проводника зависит и от его состояния, а именно от температуры.

Эта зависимость выражается формулой или

α – температурный коэффициент сопротивления. Для всех чистых металлов .

При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а при охлаждении – уменьшается.

Закон Ома для участка цепи.

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными.

Графическая зависимость силы тока I от напряжения U называется вольт-амперная характеристика (сокращенно ВАХ). Она изображается прямой линией, проходящей через начало координат.

По вольт-амперной характеристике проводника можно судить о его сопротивлении: чем больше угол наклона графика к оси напряжения, тем меньше сопротивление проводника.

Источник

Лекция по теме 1.1. «Постоянный электрический ток»

Лекция по теме 1.1. «Постоянный электрический ток».

1. Что такое электрический ток

2. Проводники и диэлектрики

3.Направление движения электрического тока

4.Основные параметры тока

5.Закон Ома

1.Что такое электрический ток

Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных элементарных частиц от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому, например, под воздействием электрического поля.

2.Проводники и диэлектрики

Заряженные частицы, способные перемещаться, существуют только в определённых веществах, называемых проводниками.
Другими словами, проводники — это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этих тел.

Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны:

углерод (в виде угля и графита).

Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов.

Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма).

Вещества, не содержащие свободных носителей заряда, принадлежат к категории диэлектриков (изоляторов) .

3.Направление движения электрического тока

В различных средах электрический ток обусловлен движением различных зарядов, как отрицательных (электронов), так и положительных (положительных и отрицательных ионов).

Возникает вопрос, движение каких частиц принять за направление движения электротока?

Волевым путём з а направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц , а в том случае, если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения этих частиц.
Хотя не все согласны с таким выбором. Например, при описании работы выпрямителей, часто за направление движения принимают именно направление движения отрицательно заряженных частиц.

Кроме того, многие исследователи считают, что заряженные частицы разных знаков вообще движутся в противоположные стороны одновременно и говорить о направлении движения тока не имеет смысла!

4.Основные параметры тока

Чтобы движение свободных электронов в проводнике от одного полюса к другому было возможным, между полюсами должна существовать разность потенциалов или напряжение. Напряжение (U) равно отношению работы электрического поля по перемещению заряда к величине перемещаемого заряда на участке цепи.

В качестве примера потенциала можно привести некоторый груз лежащий на горе. Чем выше гора, тем большей силы удар может нанести это груз при падении. Разность потенциалов в этом случае — разница между высотой горы и точкой падения.

Также и с электричеством: если в некоторой точке потенциал 220V, а в другой 0V, то напряжение (разность потенциалов) равно 220 – 0 = 220V.
А если в первой точке потенциал 220V, а в другой 50V, то напряжение (разность потенциалов) равно 220 – 50 = 170V.

Напряжение измеряется в вольтах (В) .

Количество заряженных частиц, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени, может быть разным. Оно определяет один из важнейших параметров — силу тока .

Если вместо заряженных частиц представить поток воды в трубе, то то количество воды проходящей через поперечное сечение трубы является аналогом силы тока в проводнике.

Сила (величина) тока измеряется в амперах (А).

Сопротивление

Так уж повелось, что любое движение в нашем мире не обходится без сопротивления. Например, человеку трудно пройти через толпу из-за сопротивления встречных людей, или автомобиль с выключенным мотором обязятельно остановится из-за трения качения.

Способность проводника препятствовать прохождению тока называется сопротивлением . Оно зависит от материала, длины и сечения материала. Сопротивление может проявляться, в частности, в нагреве проводника.

Интересно, что сопротивление может меняться:

Сопротивление металлических проводников увеличивается с повышением температуры.

Читайте также:  Что является потреблением тока

У полупроводников сопротивление сильно уменьшается при повышении температуры.

У некоторых металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, сопротивление скачком уменьшается до нуля (явление сверхпроводимости).

В таблицах значения удельного сопротивления проводников обычно приводятся для температуры 20°C. Сопротивление или удельное сопротивление при других значениях температуры можно найти пересчетом.

Сопротивление зависит от размеров проводника: чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление, но в то же время, чем больше сечение проводника, тем сопротивление меньше.

Сопротивление измеряется в омах (Ом).

Сила ток, напряжение и сопротивление связаны между собой законом Ома, который гласит: «Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению»:

Электрические приборы и машины окружают человека повсеместно, выполняя самые разные работы. Одним из их важнейших параметров является мощность .

Мощность электрического тока это работа, совершаемая током за единицу времени.

Работа, совершаемая электрическим током подсчитывается по формуле А=UIt.

А мощность по формуле P=I 2 R .

Также используются формулы P=IU, или P=U 2 /R.

Мощность измеряется в ваттах (W) . 1000 ватт составляют 1 киловатт.

Один ватт — есть мощность, которую развивает электрический ток величиной в один ампер при напряжении в один вольт.

Что такое постоянный ток и его применение.

Ток, который не меняет своего направления называется постоянным . При этом он может менять свою величину.

Постоянный ток применяется:

в высоковольтных линиях электропередач (500 кV), так как если применять переменный ток, такого же действующие напряжения, учитывая амплитудные значения напряжений и их перепад, эти напряжения могут в несколько раз превышать величину напряжения постоянного тока, это требует дополнительных затрат на изоляционные материалы и значительно удорожает ЛЭП.

в контактной сети электротранспорта до 3000V,

в прокатных станах и других устройствах с тяжелыми условиями пуска электродвигателей до 1000V,

в сети грузоподъемных механизмов до 500V,

в различных приборах, переносных, бытовых, например, переносные фонари, магнитофоны, диагностические приборы различного назначения.

В условиях тяжелого запуска, когда большой пусковой момент (прокатные станы, электротранспорти т. д.) или требуется плавное регулирование скорости и пускового момента (тягового усилия) применяют двигатели постоянного тока

Этот вид тока чаще всего встречается в различных элементах питания: батарейках и аккумуляторах. Например, в компьютерах для питания микросхемы CMOS применяются батарейки напряженим 3V, в автомобилях аккумуляторы имеют напряжение 12V, в строительной технике — 24V.

Источник постоянного тока имеет две клеммы (разъёма): плюс (+) и минус (-) . Нажав на кнопку включения на схеме расположенной ниже, можно видеть как постоянный ток движется от плюсовой клеммы (+) через лампочку к минусовой (-).

Источник



Лекция на тему: «Электрический ток»

Лекции Электрический ток

Тема: “Электрический ток”

Цель лекции: Дать студентам основные понятия и определения, используемые в разделе электрический ток: вектор тока, сила тока, сопротивление, напряжение. Дать основные законы и определения.

План лекции.

1. Понятие о токе проводимости. Вектор тока и сила тока.

2. Дифференциальная форма закона Ома.

3. Последовательное и параллельное соединение проводников.

4. Причина появления электрического поля в проводнике, физический
смысл понятия сторонних сил.

5. Вывод закона Ома для всей цепи.

6. Первое и второе правила Кирхгофа.

7. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления.

8. Электрический ток в различных средах.

9. Ток в жидкостях. Электролиз. Законы Фарадея.

1. Понятие о токе проводимости. Вектор тока и сила тока.

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Носителями тока могут быть электроны, ионы, заряженные частицы.

Если в проводнике создать электрическое поле, то в нем свободные электрические заряды придут в движение – возникает ток, называемый током проводимости. Если в пространстве перемещается заряженное тело, то ток называется конвекционным.

Ток может течь в твердых телах (металлах), жидкостях (электролитах) и газах (газовый разряд обусловлен движением как положительных, так и отрицательных зарядов).

Носителями тока являются:

— в металлах – направленное движение электронов;

— в жидкостях – ионов;

— в газах – электронов и ионов.

За направление тока принято принимать направление движения положительных зарядов.

Для возникновения и существования тока необходимо:

1) наличие свободных заряженных частиц;

2) наличие электрического поля в проводнике.

Основной характеристикой тока является сила тока, которая равна величине заряда, прошедшего за 1 секунду через поперечное сечение проводника.

где Dq – величина заряда;

Dt – время прохождения заряда.

Сила тока величина скалярная.

Ток, сила и направление которого не изменяются с течением времени, называются постоянным, в противном случае – переменным.

Электрический ток по поверхности проводника может быть распределен неравномерно, поэтому в некоторых случаях пользуются понятием плотность тока i.

Средняя плотность тока равна отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.

где DJ – изменение тока;

DS – изменение площади.

2. Дифференциальная форма закона Ома.

В 1826 г. немецкий физик Ом опытным путем установил, что сила тока J в проводнике прямо пропорциональна напряжению U между его концами

где k – коэффициент пропорциональности, называемый
электропроводностью или проводимостью; [k] = [См] (сименс).

называется электрическим сопротивлением проводника.

закон Ома для участка электрической цепи, не содержащей источника тока

Выражаем из этой формулы R

Электрическое сопротивление зависит от формы, размеров и вещества проводника.

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S.

где r – характеризует материал, из которого изготовлен проводник и
называется удельным сопротивлением проводника.

Сопротивление проводника зависит от температуры. С увеличением температуры сопротивление увеличивается

где R0 – сопротивление проводника при 0°С;

Читайте также:  Полное сопротивление импеданс цепи переменного тока выберите один ответ

a – температурный коэффициент сопротивления
(для металла a » 0,04 град-1).

Формула справедлива и для удельного сопротивления

где r0 – удельное сопротивление проводника при 0°С.

Источник

Электрический ток

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).

Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. — Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. — Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.

В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.

В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест — дырок.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.

На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE, которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.

Заряды в электрическом поле

На рисунке показано, что вектор силы F = -qE, действующей на отрицательный заряд -q, направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.

Электрический ток

Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:

Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m 2 :

Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ1 и φ2 между этими точками из расчёта:

U = A/Q = φ1φ2

Электрический ток может быть постоянным или переменным.

Постоянный ток — электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.

Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:

Электрический ток в проводниках

В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.

В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.

Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. — Электролиз.
Анионы — положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду — катоду.
Катионы — отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду — аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.

Электрический ток в газах — плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.

Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах — лампах.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники — изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов.

К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Источник