Направление электрического тока

Источник напряжения и источник тока.

В теории электрических
цепей используют понятия идеальные
источники электрической энергии:
источник напряжения и источник тока.

Им приписывают
следующие свойства:

Источник напряженияпредставляет собой активный элемент с
двумя зажимами, напряжение на котором
не зависит от тока, проходящего через
источник

Рис.2. Идеальный
источник напряжения и

его вольтамперная
характеристика(BAX).

Предполагается,
что внутри идеального источника
напряжения пассивные сопротивление,
индуктивность и емкость отсутствуют
и, следовательно, прохождение тока не
вызывает падения напряжения.

Упорядоченное
перемещение положительных зарядов в
источнике напряжения от меньшего
потенциала к большему возможно работа
сторонних сил, которые присущи источнику.

Величина работы,
производимой данными сторонними силами
по перемещению единицы положительного
заряда от отрицательного полюса источника
напряжения к положительному по полюсу,
называется электродвижущей силой(э.д.с.)источникаи обозначаетсяe(t).

На рис.2(а) указано
направление напряжения на зажимах
идеального источника, которое всегда
равно э.д.с. источника по величине и
противоположно ей по направлению.

Идеальный источник
напряжения называют еще источником
бесконечноймощности. Это —
теоретическое понятие. Величина тока
в пассивной цепи зависит от параметров
этой цепи иe(t).
Если зажимы идеального источника
напряжения замкнуть накоротко, то ток
цепи должен быть теоретически равен
бесконечности. В действительности при
замыкании зажимов источника ток имеет
конечное значение, так как реальный
источник обладает внутренним
сопротивлением.

Обычно внутренние
параметры источника конечной мощности
незначительны по сравнению с параметрами
внешней цепи и в не которых случаях (по
условию задачи) могут вообще не
учитываться. Внутреннее сопротивление
источника э.д.с.(r)
на схемах замещения изображается
последовательно соединенным с самим
источником.

Рис.3. Источник
напряжения конечной мощности.

Источник токапредставляет собой активный элемент,
ток которого не зависит от напряжения
на его зажимах.

Рис.4. Идеальный
источник тока и его вольтамперная
характеристика.

Предполагается,
что внутренне сопротивление идеального
источника тока равно бесконечности, и
поэтому параметры внешней цепи, от
которых зависит напряжение на зажимах
источника тока, не влияют на ток источника.

При увеличении
напряжения внешней цепи, присоединенной
к источнику тока, напряжение на его
зажимах, и следовательно, мощность
возрастают. Поэтому идеальный источник
тока теоретически так же рассматривается
как источник бесконечной мощности.

Источник тока
конечной мощности изображен на рис.5.
g– внутренняя
проводимость источника. Она характеризует
внутренние параметры источника и
ограничивает мощность, отдаваемую в
цепь.

Рис.5. Источник
тока конечной мощности.

Часто при решении
задач методом эквивалентных преобразований
возникает необходимость заменить
реальный источник напряжения эквивалентным
источником тока или наоборот. Преобразование
осуществляется по схеме и формулам
рис.6.

(1)

Рис.6. Преобразования
источников конечной мощности.

Модели электрокаминов могут быть оснащены следующими решениями:

• устройствами для имитации живого пламени. Могут представлять собой кусочек ткани, который развевается путем обдува специальным вентилятором, создавая иллюзию живого огня. Второй вариант – комплектация ЖК дисплеем, на котором воспроизводиться картинка горящего пламени. Третий вариант – комплектация специальными галогенными лампами и светодиодными подсветками, которые создают визуальный эффект света и движения пламени. Лампы могут быть дополнены парогенератором, который вырабатывает микроскопические дозы воды: поднимаясь вверх, частицы воды подсвечиваются лампами и становятся практически неотличимыми от настоящего огня.
• Аудио модулями. Специальное устройство воспроизводит звуки потрескивания дров и шум горения пламени.
• Устройствами для очитки и увлажнения воздуха, парогенераторами
• Автоматикой для регулировки и настройки предпочтительного уровня температуры нагрева
• Различными таймерами включения и выключения, смены режимов протопки
• Устройствами для дистанционного управления, в том числе, пультами ДУ
• Устройствами для смены режимов подсветки, высоты огня, яркости подсветки
• Устройствами для имитации дыма и даже его запаха
• Встроенными радио и мультимедийными системами

Направление электротока

Необходимо понимать, что электроток вызывает не каждое перемещение заряженных частиц. Под воздействием тепла электроны также начинают двигаться, но их движение является хаотичным и не имеет конкретного направления. Если к тепловому воздействию на проводник добавить электрополе, то электроны начнут двигаться с определенной направленностью.

Направление перемещения частиц, образующих электроток, зависит от их заряда:

• положительные движутся от «плюса» к «минусу»;
• отрицательные — от «минуса» к «плюсу».

Встречное перемещение частиц наблюдается в электролитических растворах и газах

Поэтому крайне важно точно установить, каково настоящее направление тока в цепи. В результате было принято решение, что движение положительных частиц является направлением электротока

Однако это утверждение не совпадает с действительностью, когда разговор идет о металлических проводниках.

Дело в том, что в них перенос заряда происходит из-за перемещения электронов, заряженных отрицательно. При этом точно известно, что они двигаются от минуса к положительному полюсу. В данном случае приходится считать направление тока противоположным перемещению заряженных частиц.

Решебник к сборнику задач по физике для 7- 9 классов, Перышкин А.В.

1779. На рисунке 240 изображен проводник, который приблизили к магниту. Направление тока в проводнике показано стрелками. В какую сторону будет двигаться проводник?

1780*. На рисунке 241 изображены четыре проводника с током, расположенные между полюсами магнитов. Как движется каждый из них?

1781*. Четыре проводника с током находятся в магнитном поле (рис. 242). Как движется каждый из них? Взаимодействую ли они между собой?

1782. Обозначьте стрелками, как взаимодействуют параллельные точки в случаях а, б, в на рисунке 243.

1783. Взаимодействуют ли два провода троллейбусной линии? Если да, то как именно?

1784. На рисунке 244 показано, как взаимодействуют проводники с током. Покажите стрелками направления токов в проводниках.

1785*. Струя расплавленного алюминия при пропускании по ней тока сужается. Чем объяснить это явление?

1786. На рисунке 245 изображена электрическая цепь с проводником в форме пружины. Нижний конец пружины погружен в ртуть. Что происходит с пружиной в электрической цепи после замыкания ключа? Как при этом изменяется сила тока в цепи?

1787. Какое действие оказывает однородное магнитное поле на рамку с током (рис. 246) ? Как магнитное поле действует на каждую сторону рамки? Что нужно сделать, чтобы магнитное поле сжимало рамку?

1788*. Как будет поворачиваться рамка с током в однородном магнитном поле (рис. 247)? Как магнитное поле действует на каждую сторону рамки? Что нужно сделать, чтобы рамка повернулась в противоположную сторону?

1789. Рамка с током подвешена между полюсами магнита. Направление тока в ней указано стрелками (рис. 248). Как будет двигаться рамка в случае а и в случае б? Как магнитное поле действует на каждую сторону рамки в случае а? в случае б?

1790. Если рукой остановить лопасть работающего настольного вентилятора, его корпус начинает нагреваться. Почему?

1791. На рисунке 249 изображен провод длиной 50 см в однородном магнитном поле с индукцией 0,4 Тл. Провод расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции, и по нему течет ток силой 0,5 А. Найдите модуль и направление силы, действующей на проводник.

1792. Двухметровый прямолинейный проводник, по которому течет ток силой 0,4 А, находится в однородном магнитном поле. На проводние со стороны поля действует сила, по модулю равная 0,4 Н (рис. 250), а вектор индукции магнитного поля перпендикулярен проводнику. Найдите модуль и направление вектора индукции магнитного поля.

1793. На прямолинейный проводник длиной 80 см, помещенный в однородное магнитное поле, сто стороны магнитного поля действует сила, равная 0,2 Н (рис. 251). Определите силу тока и направление тока в проводнике, если индукция магнитного поля равна 0,04 Тл.

Причины появления

Заряженные частицы начинают перемещаться благодаря действию различных источников питания. К их числу принадлежат батареи, аккумуляторы, генераторы и другие устройства, способные превращать всевозможные виды энергии в электрическую. Во время этих преобразований наглядно проявляется закон сохранения энергии. Частицы начинают движение в тот момент, когда электрическая цепь замыкается, что приводит к появлению в проводнике электрополя.

Именно оно и оказывает определенное воздействие на свободные частицы. Во время исследований ученые установили, что каждый источник электротока обладает электродвижущей силой (ЭДС). Следует помнить, что электроны не появляются благодаря источнику питания, а присутствуют в материале проводника. Они начинают двигаться под прямым воздействием электрополя, так как не связаны атомными связями и являются свободными.

В качестве примера можно привести замкнутую систему труб, воду в которых перекачивает насос. В зависимости от размеров труб и числа ответвлений, жидкость будет перемещаться в них с разной скоростью.

Движение частиц в различных проводниках

Электроток способен возникнуть не только в металлах, но и других веществах. При этом они могут находиться в различных агрегатных состояниях. Чтобы лучше понять тему, стоит указать и движение тока в жидкостях, газах и твердых веществах:

• Металлы обладают большим количеством свободных электронов, которые и являются основным источником электротока.
• Электролиты представляют собой жидкости, которые способны проводить электроток. К этой группе проводников принадлежат растворы солей, кислот, щелочей. Оказавшись в воде, молекулы всех этих веществ расщепляются на ионы — заряженные отдельные атомы либо их группы. Ионы могут иметь положительный (катионы) либо отрицательный (анионы) заряд. Именно вследствие их направленного движения в растворах возникает электроток.
• В плазме и газах электроток вызывает перемещение положительных ионов и электронов, имеющих отрицательный заряд.
• В вакууме ток появляется благодаря вылетающим с поверхности металла электронам.

Ток, возникающий вследствие передвижения заряженных частиц внутри тел относительно определенной среды, называется электротоком проводимости.

Почему надо знать историю физических открытий

Природу электрических явлений пытались объяснить многие исследователи задолго до открытия электрона (1897 г.). Впервые к пониманию о существовании двух типов зарядов — положительных и отрицательных пришел американский физик Бенджамин Франклин в 1747 г. На основе своих наблюдений он предположил (выдвинул гипотезу), что существует некая “электрическая материя”, состоящая из мелких, невидимых частиц. Он же первым ввел обозначение для электрических зарядов “−” и “+”. Франклин предложил считать, что если тело наполняется электрической материей, то оно заряжается положительно, а если оно теряет электричество, то заряжается отрицательно. В случае замыкания (соединения) цепи положительный заряд потечет туда, где его нет, то есть к “минусу”. Эта плодотворная гипотеза стала популярной, получила свое признание среди ученых, вошла в справочники и учебные пособия.

Конечно, после открытия отрицательно заряженного электрона, эта “нестыковка” реального направления движения с ранее общепринятым была обнаружена. Однако, мировым научным сообществом было принято решение оставить в силе предыдущую формулировку о направлении тока, поскольку в большинстве практических случаев это ни на что не влияет.

В случае необходимости, для объяснения отдельных физических эффектов в полупроводниках и искусственных материалах (гетероструктурах), принимается во внимание настоящее направление движения электронов. Бенджамин Франклин знаменит еще как выдающийся политический деятель, дипломат и писатель

Он является одним из авторов конституции США. В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет

Бенджамин Франклин знаменит еще как выдающийся политический деятель, дипломат и писатель. Он является одним из авторов конституции США. В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет.

Рис. 3. Изображение купюры 100 долларов США с портретом Бенджамина Франклина.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что направление тока в электрической цепи соответствует направлению движения положительных зарядов, то есть от плюсового потенциала (плюса) к минусовому потенциалу (минусу). Несмотря на то, что чаще всего электрический ток создается отрицательно заряженными электронами, выбор направления тока было решено оставить именно таким. Так сложилось исторически.

Откуда берется электрический ток

С самого начала, когда это явление было открыто, у ученых возникал вопрос: какие движущиеся заряженные частицы образуют направление тока? Чтобы до конца разобраться в данной проблеме, следует остановиться на источниках тока, поскольку именно они инициируют движение заряженных частиц в проводниках.

Движение заряженных частиц появляется в результате действия, производимого аккумуляторами, батареями, генераторами и другими устройствами, преобразующими различные виды энергии в электрическую. Закон сохранения энергии наглядно действует в процессе таких преобразований.

Электроны не появляются из источников тока, они присутствуют в самих проводниках и, являясь свободными, начинают двигаться под действием созданного поля. В качестве наиболее яркого сравнительного примера выступает насос перекачивающий жидкость в трубах, замкнутых между собой. В зависимости от диаметра труб и количества разветвлений, жидкость может двигаться по ним с большей или меньшей скоростью. Эти свойства в полной мере характеризуют течение тока, которое изменяется в соответствии с сечением проводника.

На практике это выглядит следующим образом. Провод, сечением 1,5 мм2, рассчитан на максимальную силу тока в 16 А. К нему может быть подключена нагрузка не более 3-3,5 кВт. При подключении более мощного оборудования проводник не выдержит и выйдет из строя.

Разобравшись с источниками тока, необходимо определить его направление, которое приняли ученые после проведенных исследований в этой области. Условно было принято направление движения положительных зарядов, поскольку ток от положительного полюса движется к отрицательному полюсу источника тока.

Действие тока

Зная, что принимается за направление тока, стоит выяснить и его действие. О появлении силы электротока можно узнать по показаниям специальных приборов. Однако они не всегда есть под рукой. В такой ситуации о наличии электротока можно судить по следующим явлениям:

• Тепловое. Движение заряженных частиц приводит к нагреву материала проводника. Именно это явление используется в работе ламп освещения либо нагревательных приборов.
• Магнитное. Если в цепи есть ток, то он создаст магнитное поле. Проверить этот факт можно с помощью компаса: если поднести его к проводу, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику. Созданное током магнитное поле можно усилить, обмотав железный стержень проволокой. В результате получится электромагнит.
• Химическое. Если ток протекает в электролитах, то химический состав раствора изменится. Например, в растворе CuSO4 электроток возникает благодаря движению положительных ионов Cu. Они перемещаются к отрицательному электроду, который со временем покроется слоем меди.

Сегодня сложно представить человеческую цивилизацию без электричества. Природу этих явления пытались установить многие ученые еще до открытия электронов. Первым физиком, выдвинувшим гипотезу о наличии двух типов зарядов, стал Бенджамин Франклин.

Предыдущая
ФизикаФормула ускорения
Следующая
ФизикаЗависимость силы тока от напряжения — формула, график и законы