Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами)

Содержание

В рассмотренных нами электрических явлениях мы все время наблюдали перемещение электрических зарядов. Из механики вы знаете, что, если есть какое-то перемещение, то совершается работа.

Какая же работа совершается при движении электрических зарядов? Лампочки в наших домах и квартирах, все электроприборы, которыми мы ежедневно пользуемся — все это и есть следствие совершения электрическим полем работы по перемещению зарядов.

Тут же возникает следующий логичный вопрос. Как же эти заряды перемещаются? Что заставляет их двигаться? Вы все слышали об электрическом токе, но еще не заглядывали внутрь этого явления с помощью инструментов физики.

В данном уроке вы узнаете, что именно называют электрическим током и как его получают.

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.

Несмотря на определенное неудобство, это правило четко говорит, что принимают за направление электрического тока и куда он течет.

Электрический ток

Само слово «ток» подразумевает под собой движение.

В некоторых телах (проводниках) есть свободные электроны, которые могут переносить электрический заряд. Этот заряд будет отрицательный, ведь электроны именно таким и обладают.

А есть ли еще какие-то частицы в телах, способные переносить заряд? Оказывается, что есть.

Если обычные атомы электрически нейтральны, то ионы обладают некоторым зарядом. Он может быть как отрицательным, так и положительным. Эти частицы крупнее электронов, но тоже могут переносить электрический заряд.

Значит, электроны или ионы могут как-то перемещаться в проводниках. Отсюда и следует определение электрического тока (рисунок 1).

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Рисунок 1. Движение заряженных частиц в проводниках

Обратите внимание, что это движение направленное, а не беспорядочное. Когда мы говорим, что по телу идет ток, мы подразумеваем определенное его направление. О том, какое же это направление мы поговорим в отдельном уроке.

О природе электрического тока и основах электротехники

В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.

1. Что такое электрический ток. «Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам» (с)

1.1 Пара общих слов по физике вопроса Электрический ток — это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы — это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд. Так-то атом электрически нейтрален — заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки. Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню, данная статья — это объяснение физики на пальцах! Подробнее искать по «электронная теория проводимости»).

Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.

1.2 Создание электрического тока. Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно. Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно. Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить. Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.

Бывают два типа генераторов — генератор напряжения и генератор тока. Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание! См. рисунок ниже

рис 1. Генератор напряжения величиной U рис 2. Генератор тока величиной I

На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней — генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток. Верхняя цепь разомкнута, и нижняя — замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения. Представим следующую цепь

рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1

В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 — это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 — это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть — сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше — сопротивление уменьшится, поток воды увеличится. Вроде все интуитивно понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной модели, когда мощность генератора бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.

Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.

рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2

Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью — ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно. Закрыт кран полностью — ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели. Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники — Закон Ома. ( «С красной строки. Подчеркни» (с))

2. Закон Ома.

Сначала c точки зрения генератора напряжения

Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток I =U/R Теперь с точки зрения генератора тока

Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R

Вот как-то надо этот момент осознать. Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается. Можно конечно еще записать R=U/I. Что-то вроде — если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R. Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота. Это чисто технические моменты. Что-то вроде

Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I. Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2? Используйте закон Ома и все! Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока. Еще — говорят «падение напряжения на резисторе», потому что «производит» напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.

Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.

1. Самая важная схема. Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни — это делитель напряжения. ( «С красной строки. Подчеркни» (с))

3. Делитель напряжения Схема имеет вид.

Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.

Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология — сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.

Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2). То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений. Выражение для тока I=U/(R1+R2) Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).

Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.

Второй важный случай — учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)

Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.

Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.

Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!

В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями. Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.

Получение электрического тока

Электрический ток не может возникнуть сам по себе. Что же нужно создать в проводнике, чтобы в нём возник и существовал ток?

Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле.

При появлении электрического поля, возникнут и электрические силы. Они приведут в движение заряженные частицы. Именно так и возникает электрический ток.

Хорошо, вот создали мы электрическое поле, появился ток. Логично предположить, что если электрическое поле исчезнет, то исчезнет и ток.

Значит, для более длительного существования тока нам необходимо поддерживать постоянное существование электрического поля.

В каком направлении течет ток

За направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц; если же ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считается противоположным направлению движения частиц.

Возникает вопрос: почему не был принят очевидный вариант направления, совпадающий с направлением движения электронов? Для того, чтобы это стало понятно, надо немного окунуться в историю физики.

Источники электрического тока

Электрическое поле создается и поддерживается источниками электрического тока.

Они могут быть самыми разными. Но объединяет их одно: в них разделяются положительно и отрицательно заряженные частицы.

При таком разделении у источников тока образуются два полюса. На одном скапливаются положительные заряды, а на другом — отрицательные. Создается электрическое поле.

В итоге, один полюс источника тока всегда будет заряжен положительно, а другой — отрицательно.

К этим полюсам с помощью специальных клемм или зажимов и подсоединяется проводник. Под действием электрического поля источника тока свободные заряженные частицы в проводнике приходят в движение. Так и возникает электрический ток.

Используя простой набор предметов, вы можете самостоятельно создать источник электрического тока. Пусть и слабый, но все же. Например, для этого сгодится даже обычный лимон (рисунок 2).

Рисунок 2. Источник тока из лимона

Для этого нам понадобятся два стержня: железный и медный. Воткнем их в лимон и соединим проводником. В нем возникнет электрический ток.

Это означает, что сок лимона вступает в химические связи с пластинами, провоцируя разделение зарядов. Подключив к этой системе прибор для измерения характеристик тока, мы только удостоверимся, что создали источник тока из подручных материалов.

Электрический ток,

упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц; если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Различают Э. т. проводимости, связанный с движением заряженных частиц относительно той или иной среды (т. е. внутри макроскопических тел), и конвекционный ток —

движение макроскопических заряженных тел как целого (например, заряженных капель дождя).

О наличии Э. т. в проводниках можно судить по тем действиям, которые он производит: нагреванию проводников, изменению их химического состава, созданию магнитного поля. Магнитное действие тока проявляется у всех без исключения проводников; в сверхпроводниках

не происходит выделения теплоты, а химическое действие тока наблюдается преимущественно в
электролитах.
Магнитное поле порождается не только током проводимости или конвекционным током, но и переменным электрическим полем в диэлектриках и вакууме. Величину, пропорциональную скорости изменения электрического поля во времени, Дж. К.
Максвелл
назвал
током смещения.
Ток смещения входит в
Максвелла уравнения
на равных правах с током, обусловленным движением зарядов. Поэтому полный Э. т., равный сумме тока проводимости и тока смещения, может быть определён как величина, от которой зависит интенсивность магнитного поля.

Количественно Э. т. характеризуется скалярной величиной — силой тока 1

и векторной величиной —
плотностью электрического тока j.
При равномерном распределении плотности тока по сечению проводника сила тока

где qo —

заряд частицы,
n —
концентрация частиц (число частиц в единице объёма),
—
средняя скорость направленного движения частиц,
S
— площадь поперечного сечения проводника.

Для возникновения и существования Э. т. необходимо наличие свободных заряженных частиц (т. е. положительно или отрицательно заряженных частиц, не связанных в единую электрически нейтральную систему) и силы, создающей и поддерживающей их упорядоченное движение. Обычно силой, вызывающей такое движение, является сила со стороны электрического поля внутри проводника, которое определяется электрическим напряжением

на концах проводника. Если напряжение не меняется во времени, то в проводнике устанавливается
постоянный ток,
если меняется, —
переменный ток.
Важнейшей характеристикой проводника является зависимость силы тока от напряжения — вольтамперная характеристика.

Она имеет простейший вид для металлических проводников и электролитов: сила тока прямо пропорциональна напряжению (
Ома закон
)
.
В зависимости от способности веществ проводить Э. т.

они делятся на
проводники, диэлектрики
и
полупроводники.
В проводниках имеется очень много свободных заряженных частиц, а в диэлектриках — очень мало. Поэтому сила тока в диэлектриках крайне мала даже при больших напряжениях, и они служат хорошими
изоляторами.
Промежуточную группу составляют полупроводники.

В металлах свободными заряженными частицами — носителями тока являются электроны проводимости, концентрация которых практически не зависит от температуры и составляет 1022—1023см

-3
.
Их совокупность можно рассматривать как «электронный газ». Электронный газ в металлах находится в состоянии вырождения (см.
Вырожденный газ
)
,
т. е. в нём отчётливо проявляются квантовые свойства. Квантовая теория металлов (см.
Твёрдое тело
) объясняет зависимость электрического сопротивления металлов от температуры (линейное увеличение с ростом температуры) и прямую пропорциональность между силой тока и напряжением (см.
Металлы
).

В электролитах Э. т. обусловлен направленным движением положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются в электролитах в результате электролитической диссоциации.

С ростом температуры число молекул растворённого вещества, распадающихся на ионы, увеличивается и сопротивление электролитов падает. При прохождении тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются. Масса выделившегося на электродах вещества определяется законами электролиза Фарадея.

Газы из нейтральных молекул являются диэлектриками. Э. т. проводят лишь ионизованные газы — плазма.

Носителями тока в плазме служат положительные и отрицательные ионы (как в электролитах) и свободные электроны (как в металлах). Ионы и свободные электроны образуются в газе в результате сильного нагревания или внешних воздействий (
ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей,
при соударениях быстрых электронов с нейтральными атомами или молекулами и т. д.; см.
Ионизация
)
.
Э.

т. в электровакуумных приборах (электронных лампах, электроннолучевых трубках и т. д.) создаётся потоками электронов, испускаемых нагретым электродом — катодом (см.
Термоэлектронная эмиссия
)
.
Электроны ускоряются электрическим полем и достигают другого электрода — анода.

В полупроводниках носителями тока являются электроны и дырки.

Лит.:

Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976, гл. 3, 6; Калашников С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977 (Общий курс физики), гл. 6, 14—16, 18.

Г. Я. Мякишев.

Оглавление

Превращение механической энергии в электрическую

Чтобы разделить заряженные частицы в приборе, который станет источником тока, нужно совершить какую-то работу. В ходе этой работы происходит превращение какой-то энергии в электрическую энергию.

Но энергия не может возникнуть из ниоткуда. Значит, и сам источник тока требует какой-то энергии.

Например, на гидроэлектростанции происходит превращение механической энергии течения воды в электроэнергию (рисунок 3).

Рисунок 3. Преобразование механической энергии течения воды в электрическую

Строится плотина и водохранилище. Вода из него под действием силы тяжести течет вниз. Тем самым она вращает гидротурбину. К гидротурбине подсоединено такое устройство, как электрогенератор (о нем подробнее в конце урока). От него уже и выходит электрическая энергия. Ток течет по проводам и поступает к нам домой.

Рассмотрим еще один пример, в котором механическая энергия превращается в электрическую.

Так происходит в устройстве, которое называется электрофорной машиной (рисунок 4).

Она состоит из двух пластмассовых дисков 1. Между ними есть небольшое расстояние. Вращая ручку, находящуюся на задней поверхности машины, мы приведем в движение два диска. Они будут вращаться в разные стороны.

Рисунок 4. Электрофорная машина

В результате, они электризуются благодаря трению о ту небольшую воздушную прослойку между ними. Заряды же накапливаются в лейденских банках 2. Оттуда они передаются на кондукторы 3.

В итоге, на одном кондукторе образуется положительный заряд, а на другом — отрицательный. В какой-то момент при их сближении появляется кратковременный ток в виде электрического разряда, который выглядит как маленькая молния.

Так механическая энергия вращения ручки машины перешла в электрическую.

Каким бывает ток?

Ну, мы думаем, хватит распевать все преимущества электрической энергии, настало время поговорить о ней самой, что же она из себя представляет, и с чем ее едят. Во-первых, хотим уяснить, что все представление об электрической энергии делится на два вида: постоянный ток и переменный. У нас в быту в основном применяется переменный ток, и только в некоторых случаях – постоянный. Например, для зарядки мобильных телефонов, да и компьютеры тоже работают на постоянном токе, батарейки и различного типа аккумуляторы тоже являются источниками постоянного тока. Этим двум видам энергии есть научные определения.

Переменный ток

Начнем с переменного тока. Переменным электрическим током называется направленное упорядоченное движение электрически заряженных частиц, которое изменяется по величине и направлению в течении времени. Существуют несколько электрических величин характеризующих электрическую энергию. Все наверное знают такой термин как напряжение. Обозначается оно буквой U латинского алфавита и измеряется в вольтах (В). Вторая величина, называемая силой тока, обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). Именно ток потребляется из сети, когда мы что-то подключаем к ней. Также существует такое понятие, как частота. Она присуща только переменному току, так как переменный ток изменяется в течении времени по закону синуса. Количество этого изменения в течение одной секунды и является частотой в нашей сети. Частота составляет 50 герц, то есть ток и напряжение в течении секунды изменяются по величине и направлению 50 раз. Замеры различных физических величин можно произвести при помощи электроизмерительных приборов

Превращение внутренней энергии в электрическую

Теперь рассмотрим превращение внутренней энергии в электрическую. Для этого возьмем две проволоки и спаяем их друг с другом. А затем нагреем это место спая (рисунок 5).

Рисунок 5. Превращение внутренней энергии в электрическую

В результате этого нагрева в проволоке возникнет электрический ток. Прибор, соединенный с нашей проволокой называется гальванометром. Принцип его работы мы рассмотрим позже, а пока будем использовать это устройства для определения наличия электрического тока в проводнике. Стрелка отклонилась — ток есть, стрелка осталась на месте — тока нет.

Такой источник тока, состоящий из нагревателя и самого место спая проволок из разных металлов называют термоэлементом.

В термоэлементах внутренняя энергия превращается в электрическую.

Преобразование переменного тока в постоянный

Из переменного тока, можно получить постоянный ток, для этого достаточно подключить сети переменного тока диодный мост или как его еще называют “выпрямитель”. Из названия “выпрямитель” как нельзя лучше понятно, что делает диодный мост, он выпрямляет синусоиду переменного тока в прямую линию тем самым заставляя двигаться электроны в одном направлении.

что такое диод и как работает диодный мост , ты можешь узнать в моих следующих статьях.

К оглавлению

Превращение энергии излучения в электрическую

Рассмотрим еще одно интересное превращение энергий. Возьмем пластину из кремния (или оксида меди, селена). Направим на нее включенную лампу (рисунок 6).

Рисунок 6. Превращение энергии излучения в электрическую

Опять мы увидим, что по проводнику течет ток. При этом у пластины происходит потеря отрицательного электрического заряда, она теряет электроны.

Так энергия излучения (свет от лампы) переходит в электрическую. Это явление называется фотоэффектом, а такой источник тока — фотоэлементом.

Термоэлементы и фотоэлементы вы более подробно изучите в старших классах.

Гальванический элемент

Одним из самых распространенных источников тока является гальванический элемент. Его же мы и будем использовать в различных опытах. Поэтому мы рассмотрим его более подробно.

Что такое гальванический элемент простыми словами? Это всем нам хорошо известная батарейка.

Заглянем внутрь нее (рисунок 7), чтобы разобраться, как она работает.

Рисунок 7. Гальванический элемент

Этот элемент в своей основе (рисунок 7, б) представляет собой цинковый корпус 2, внутри которого находится угольный стержень 3. На верхнем конце этого стержня находится металлическая крышка 1.

Стержень окружен смесью 4 оксида марганца (IV) $MnO_2$ и измельченного углерода $C$. Между этой смесью и самим корпусом находится желеобразный раствор соли 5 (хлорида аммония $NH_4Cl$).

В чем же суть? Дело в том, что цинк $Zn$, из которого состоит корпус, взаимодействует с хлоридом аммония $NH_4Cl$. Идет химическая реакция. Цинковый сосуд приобретает отрицательный заряд.

А вот оксид марганца имеет положительный заряд. Угольный стержень передает его на металлическую крышку.

Итак, мы имеем отрицательно заряженный корпус и положительно заряженный стержень. Они будут называться электродами. Между ними возникает электрическое поле.

Само понятие электрода синонимично с понятием полюса. «Электрод» больше используется в описании электрических явлений и приборов, а «полюс» чаще применяют, когда говорят о магнитах.

Соединим эти два электрода проводником. По нему потечет электрический ток. Так энергия химических реакций превращается в электрическую.

Электрическое поле

Электрическое поле заряда

– это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется
электростатическим
. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Если к электроскопу, не касаясь его оси, поднести на некотором расстоянии заряженную палочку, то стрелка все равно будет откланяться. Это и есть действие электрического поля.

Напряженность электрического поля

Заряды, находясь на некотором расстоянии один от другого, взаимодействуют. Это взаимодействие осуществляется посредством электрического поля. Наличие электрического поля можно обнаружить, помещая в различные точки пространства электрические заряды. Если на заряд в данной точке действует электрическая сила, то это означает, что в данной точке пространства существует электрическое поле. Графически силовые поля изображают силовыми линиями.

Силовая линия

– это линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором напряженности электрического поля в этой точке.

Напряженность электрического поля

– это физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный заряд, помещенный в данную точку поля. За направление вектора напряженности принимают направление силы, действующей на точечный положительный заряд.

Однородное электрическое поле

– это такое поле, во всех точках которого напряженность имеет одно и то же абсолютное значение и направление. Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Силовые линии такого поля являются прямыми одинаковой густоты.

Потенциал.
Разность потенциалов.
Кроме напряженности, важной характеристикой электрического поля является потенциал j. Потенциал j – это энергетическая характеристика электрического поля, тогда как напряженность E – это его силовая характеристика, потому что потенциал равен потенциальной энергии, которой обладает единичный заряд в данной точке поля, а напряженность равна силе, с которой поле действует на этот единичный заряд.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками или изоляторами

называются тела, которые не могут проводить через себя электрические заряды. Это объясняется отсутствием в них свободных зарядов.

Если одни конец диэлектрика внести в электрическое поле, то перераспределения зарядов не произойдет, т. к. в диэлектрике нет свободных носителей заряда. Оба конца диэлектрика будут нейтральны. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т. е. смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества.

Полярные и неполярные диэлектрики

Виды диэлектриков

К неполярным

относятся диэлектрики, в атомах или молекулах которых центр отрицательно заряженного электронного облака совпадает с центром положительного атомного ядра. Например, инертные газы, кислород, водород, бензол.

Полярные

диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Например, спирты, вода. Их молекулы можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такую в целом нейтральную систему называют электрическим диполем.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды. Это свойство проводников объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут быть металлы и растворы электролитов.

Если взять металлический проводник и один его конец поместить в электрическое поле, то на данном конце появится электрический заряд. Согласно закону сохранения электрического заряда, на другом конце проводника появится равный ему по модулю и противоположный по знаку заряд. Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией

.

При внесении в электрическое поле проводника свободные заряды в нем приходят в движение. Перераспределение зарядов вызывает изменение электрического поля. Движение зарядов прекращается только тогда, когда напряженность электрического поля внутри проводника становится равной нулю. Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела. Электростатическое поле внутри проводника равно нулю, весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности.

Аккумулятор

Еще один крайне популярный источник тока — аккумулятор. Он представляет собой ту же батарейку, только теперь ее можно многократно подзаряжать (рисунок 8, а).

Как устроен аккумулятор? Его простейший вариант представляет собой две свинцовые пластины, помещенные в раствор серной кислоты (рисунок 8, б). Пластины будут являться электродами, создающими электрическое поле.

Рисунок 8. Аккумулятор

Но изначально аккумулятор не создает никакого поля. Его нужно зарядить. Для этого берут еще один источник тока, соединяют его с аккумулятором и пропускают через него ток.

Во время такой зарядки внутри аккумулятора начинают происходить химические реакции. Один электрод (пластина) становится положительно заряженной, а другой — отрицательно.

Теперь аккумулятор сам становится источником тока. Он имеет два полюса, обозначенные плюсом (+) и минусом (-).

Помните, что при зарядке аккумулятора важно соблюдать правильное соединение с другим источником тока. Положительный полюс аккумулятора следует соединять с положительным полюсом источника тока, а отрицательный — с отрицательным.

Рассмотренный нами аккумулятор называется свинцовым (по материалу пластин) или кислотным (по названию заполняющей его жидкости).

Наравне с кислотными аккумуляторами широко применяют и щелочные (или никелевые) аккумуляторы. Можно подумать, что в таком устройстве две пластины будут из никеля, но на деле из никеля состоит только одна. Вторая изготавливается из спресованного железного порошка.

Также существуют и другие виды аккумуляторов: литий-ионные, литий-полимерные, гелиевые аккумуляторы, никель-металл-гибридные.

Применение аккумуляторов

Применение аккумуляторов настолько широко, что даже сейчас, изучая данный урок, вы используете аккумуляторы. Они есть в наших телефонах, компьютерах, планшетах.

В большинстве видов транспорта также задействованы аккумуляторы. Двигатель машины не заведется, если аккумулятор под капотом будет разряжен. Аккумуляторы приводят в движение и строительную технику, и сельскохозяйственную, и даже самолеты. Современные электромобили в самой своей основе имеют мощный аккумулятор.

Аккумуляторы играют большую роль в аварийных ситуациях: они могут поддержать работу других электрических приборов достаточное время для устранения неполадок.

Типы зарядных устройств

Если аккумуляторы требуют зарядки, значит существуют специальные устройства, с помощью которых это можно осуществить — зарядные устройства.

Они классифицируются по множеству параметров.

По методу заряда:

• С постоянным током Обеспечивают быструю зарядку, но способствуют более быстрому изнашиванию аккумуляторов
• С постоянным напряжением Более медленная зарядка, но безопаснее для аккумулятора
• Смешанного типа Совмещают в себе два вышеприведенных вида, поэтому являются наилучшим вариантом. Способны увеличивать емкость аккумулятора и увеличивать срок его службы

По способу применения:

• Внешние
• Встроенные

В зависимости от совместимости с другим источником энергии:

• Сетевые Предназначены для подключения к стандартным сетям 220 В или 380 В, т. е. требуют простого подключения к розетке
• Аккумуляторные Имеют собственный накопитель энергии. Используют в качестве резервного накопителя, позволяющего заряжать другие устройства при отсутствии доступа к сети
• Автомобильные Подключаются через прикуриватель. С их помощью в машине можно зарядить телефон, фотоаппарат и другую технику
• Беспроводные Не требуют кабельного соединения, передает энергию без непосредственного физического контакта аккумулятора и источника
• Универсальные Соединяют в себе от нескольких до всех перечисленных видов зарядных устройств

Характеристики тока:

1. Сила тока

– это скалярная физическая величина, равная отношению заряда, протекающего через поперечное сечение проводника, ко времени его протекания.

2. Плотность тока

– величина, равная отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.

Постоянным

называется ток, сила и направление которого с течением времени не изменяется.

I

Переменным

называется ток, величина и направление которого изменяется с течением времени (например, это может быть периодический ток – здесь заряд , сила тока и напряжение изменяются по периодическим законам .

Различают ток проводимости

– он обусловлен перемещением электронов металла относительно ионов решетки. При перемене полюсов заряды создают колебательное движение.

Различают также ток смещения

– он обусловлен смещением электрических зарядов на границе проводник- диэлектрик.

По форме кривой зависимости Iотtразличают:

Для практических целей чаще применяется синусоидальный ток.

Переменный ток характеризуется действующими (эффективными) значениями силы тока и напряжения.

Iдейств. = Imax / 2

Uдейств. =Umax / 2

Действующее значение силы переменного тока равно значению силы постоянного тока, эквивалентного данному переменному по своему тепловому действию.

Первичное действие переменного тока заключается в смещении ионов в растворах электролитов и их перераспределении, а также в изменении поляризации диэлектрика. Т.к. подвижность ионов различна, то происходит изменение их концентрации по обе стороны клеточной мембраны. Это вызывает изменение функционального состояния клетки.

Наиболее сильное раздражающее действие оказывает импульсный ток.

Виды импульсных токов:

t

Где t– длительность импульса,

to– длительность паузы,

х- амплитуда (максимальное значение тока).

Раздражающее действие зависит от длительности импульса, его формы, частоты, амплитуды. Оно проявляется для возбудимых тканей – нервной, мышечной, железистой.

В зависимости от условий

ток оказывает лечебное или поражающее действие. К лечебным действиям относятся:

Генераторы

Получить электрический ток можно с помощью специального устройства — генератора.

Генераторы превращают механическую энергию в электрическую, иногда достаточно сложными способами.

Они применяются во всех транспортных средствах для выработки электроэнергии при движении транспорта. Эта энергия идет в том числе и на зарядку аккумулятора.

Генераторы стоят на электростанциях, гидроэлектростанциях, атомных электростанциях генераторы используются для выработки электроэнергии. Существуют даже геотермальные электростанции, на которых установлены генераторы электрического тока. В таких местах насыщенный пар из пробуренной скважины направляется в паровые турбины, соединенные с генераторами. Так внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию, а затем в электрическую.

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.

Все эти свойства присущи и течению электротока, которое изменяется в зависимости от сечения проводников.