Как возникает электрический ток в металлах


Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л.И. Мандельштаму и Н.Д. Папалекси В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

Рисунок 1.12.1.

Схема опыта Толмена и Стюарта

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует тормозящая сила  которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью Eст поля сторонних сил:

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила , равная

где l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный

 

Здесь I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная скорость проволоки.

Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:

Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен

а его удельный заряд есть

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории . Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).

Рисунок 1.12.2.

Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов

Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работой выхода. При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.

Из-за взаимодействия с кристаллической решеткой потенциальная энергия выхода электрона внутри проводника оказывается меньше, чем при удалении электрона из проводника. Электроны в проводнике находятся в своеобразной «потенциальной яме», глубина которой и называется потенциальным барьером.

Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость  теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 105 м/с.

При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость   дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени Δt через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме

Число таких электронов равно , где n – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δt пройдет заряд   Отсюда следует:

или

Концентрация n атомов в металлах составляет  1028–10 29 м–3.

Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм2, по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости   упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом,

средняя скорость  упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости  их теплового движения

Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

Рисунок 1.12.3.

Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа  сильно преувеличены

Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·108 м/с. Через время порядка l / c (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.

Закон Ома. В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю eE, в результате чего он приобретает ускорение  . Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая скорость электрона равна

где τ – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфа  равно половине максимального значения:

Рассмотрим проводник длины l и сечением S с концентрацией электронов n. Ток в проводнике может быть записан в виде:

где U = El – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:

а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:

Закон Джоуля-Ленца.

К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию

Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.

За время Δt каждый электрон испытывает Δt / τ соударений. В проводнике сечением S и длины l имеется nSl электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δt тепло равно:

Это соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.

Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R, где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти, см. ч. I, § 3.10). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.

Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение  , в то время как из эксперимента получается зависимость ρ ~ T. Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.

Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х.Каммерлинг-Онесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 1.12.4). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Рисунок 1.12.4.

Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении был сделан в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Что такое электрический ток »Электроника

Электрический ток возникает при движении электрических зарядов - это могут быть отрицательно заряженные электроны или положительные носители заряда - положительные ионы.


Учебное пособие по электрическому току Включает:
Что такое электрический ток Единица измерения тока - Ампер ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК


Электрический ток - одно из основных понятий, существующих в электротехнике и электронике. Электрический ток лежит в основе науки об электричестве.

Будь то электрический нагреватель, большая электрическая сеть, мобильный телефон, компьютер, удаленный сенсорный узел или что-то еще, понятие электрического тока является центральным для его работы.

Однако ток как таковой обычно нельзя увидеть, хотя его эффекты можно видеть, слышать и ощущать постоянно, и в результате иногда трудно получить представление о том, что это такое на самом деле.

Удар молнии - впечатляющее зрелище электрического тока
Фотография сделана с вершины башен Петронас в Куала-Лумпуре Малайзия

Определение электрического тока

Определение электрического тока:

Электрический ток - это поток электрического заряда в цепи.Более конкретно, электрический ток - это скорость прохождения заряда через заданную точку в электрической цепи. Заряд может представлять собой отрицательно заряженные электроны или положительные носители заряда, включая протоны, положительные ионы или дырки.

Величина электрического тока измеряется в кулонах в секунду, обычно единицей измерения является ампер или ампер, обозначаемый буквой «А».

Ампер или усилитель широко используются в электрических и электронных технологиях вместе с умножителями, такими как миллиампер (0.001A), микроампер (0,000001A) и т. Д.

Ток в цепи обычно обозначается буквой «I», и эта буква используется в уравнениях, таких как закон Ома, где V = I⋅R.

Что такое электрический ток: основы

Основная идея тока состоит в том, что это движение электронов внутри вещества. Электроны - это мельчайшие частицы, которые существуют как часть молекулярной структуры материалов. Иногда эти электроны плотно удерживаются внутри молекул, а иногда они удерживаются свободно, и они могут относительно свободно перемещаться по структуре.

Одно очень важное замечание относительно электронов - это то, что они заряженные частицы - они несут отрицательный заряд. Если они перемещаются, то перемещается некоторое количество заряда, и это называется током.

Также стоит отметить, что количество электронов, которые могут двигаться, определяет способность конкретного вещества проводить электричество. Некоторые материалы позволяют току двигаться лучше, чем другие.

Движение свободных электронов обычно очень случайное - оно случайное - столько электронов движется как в одном направлении, так и в другом, и в результате отсутствует общее движение заряда.

Случайное движение электронов в проводнике со свободными электронами

Если на электроны действует сила, заставляющая их двигаться в определенном направлении, то все они будут дрейфовать в одном и том же направлении, хотя и в некоторой степени случайным образом, но в целом движение происходит в одном направлении. Одно направление.

Сила, действующая на электроны, называется электродвижущей силой или ЭДС, а ее величина - это напряжение, измеряемое в вольтах.

Электронный поток под действием приложенной электродвижущей силы

Чтобы лучше понять, что такое ток и как он действует в проводнике, его можно сравнить с потоком воды в трубе.У этого сравнения есть ограничения, но оно служит очень простой иллюстрацией тока и протекания тока.

Ток можно рассматривать как воду, текущую по трубе. Когда давление оказывается на один конец, вода движется в одном направлении и течет по трубе. Расход воды пропорционален давлению на конце. Давление или силу, приложенную к концу, можно сравнить с электродвижущей силой.

Когда к трубе прикладывается давление или вода течет в результате открытия крана, вода течет практически мгновенно.То же самое и с электрическим током.

Чтобы получить представление о потоке электронов, требуется 6,24 миллиарда миллиардов электронов в секунду для тока в один ампер.

Обычный ток и поток электронов

Часто существует множество недоразумений относительно обычного потока тока и потока электронов. Сначала это может немного сбивать с толку, но на самом деле все довольно просто.

Частицы, переносящие заряд по проводникам, являются свободными электронами.Направление электрического поля в цепи по определению является направлением проталкивания положительных испытательных зарядов. Таким образом, эти отрицательно заряженные электроны движутся в направлении, противоположном электрическому полю.

Электронный и обычный ток

Это произошло потому, что первоначальные исследования статических и динамических электрических токов были основаны на том, что мы теперь называем носителями положительного заряда. Это означало, что тогда раннее соглашение о направлении электрического тока было установлено как направление, в котором будут двигаться положительные заряды.Это соглашение сохранилось и используется до сих пор.

Итого:

  • Обычный ток: Обычный ток идет от положительного к отрицательному выводу и указывает направление, в котором будут течь положительные заряды.
  • Электронный поток: Электронный поток идет от отрицательного полюса к положительному. Электроны заряжены отрицательно и поэтому притягиваются к положительному полюсу так же, как притягиваются разные заряды.

Это соглашение, которое используется во всем мире по сей день, даже если оно может показаться немного странным и устаревшим.

Скорость движения электрона или заряда

Скорость передачи электрического тока сильно отличается от скорости реального движения электронов. Сам электрон подпрыгивает в проводнике и, возможно, движется по проводнику только со скоростью несколько миллиметров в секунду. Это означает, что в случае переменного тока, когда ток меняет направление 50 или 60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не выходит из провода.

Возьмем другой пример. В почти полном вакууме внутри электронно-лучевой трубки электроны движутся почти по прямым линиям со скоростью примерно в одну десятую скорости света.

Влияние тока

Когда электрический ток течет по проводнику, есть несколько признаков, указывающих на то, что ток течет.

  • Тепло рассеивается: Возможно, наиболее очевидным является то, что тепло выделяется. Если ток небольшой, то количество выделяемого тепла, вероятно, будет очень небольшим и его можно не заметить.Однако если ток больше, возможно, выделяется заметное количество тепла. Электрический огонь - яркий пример того, как ток вызывает выделение тепла. Фактическое количество тепла зависит не только от тока, но также от напряжения и сопротивления проводника.
  • Магнитный эффект: Другой эффект, который можно заметить, состоит в том, что вокруг проводника создается магнитное поле. Если в проводнике течет ток, это можно обнаружить.Если поднести компас к проводу, по которому идет достаточно большой постоянный ток, можно увидеть, что стрелка компаса отклоняется. Обратите внимание, что это не будет работать с сетью, потому что поле слишком быстро меняется, чтобы игла могла реагировать, а два провода (под напряжением и нейтраль), расположенные близко друг к другу в одном кабеле, нейтрализуют поле.

    Магнитное поле, создаваемое током, находит хорошее применение во многих областях. Намотав провод в катушку, можно усилить эффект и создать электромагнит.Реле и множество других предметов используют этот эффект. Громкоговорители также используют переменный ток в катушке, чтобы вызвать колебания в диафрагме, которые позволяют преобразовывать электронные токи в звуки.

Как измерить ток

Одним из важных аспектов тока является знание величины тока, который может протекать в проводнике. Поскольку электрический ток является таким ключевым фактором в электрических и электронных схемах, очень важно знать, какой ток течет.

Есть много разных способов измерения тока. Один из самых простых - использовать мультиметр.

Как измерить ток с помощью цифрового мультиметра:

Используя цифровой мультиметр, цифровой мультиметр, легко измерить ток, поместив цифровой мультиметр непосредственно в цепь, по которой проходит ток. Цифровой мультиметр даст точные показания тока, протекающего в цепи

.

Узнайте , как измерить ток с помощью цифрового мультиметра.

Хотя существуют и другие методы измерения тока, это наиболее распространенный.

Ток - один из наиболее важных и фундаментальных элементов в электрических и электронных технологиях. Ток, протекающий в цепи, можно использовать различными способами: от генерирования тепла до переключения схем или сохранения информации в интегральной схеме.

Дополнительные основные понятия:
Напряжение ток Сопротивление Емкость Сила Трансформеры RF шум Децибел, дБ Q, добротность
Вернуться в меню «Основные понятия».. .

.

электрического тока | Формула и определение

Электрический ток , любое движение носителей электрического заряда, таких как субатомные заряженные частицы (например, электроны с отрицательным зарядом, протоны с положительным зарядом), ионы (атомы, потерявшие или получившие один или несколько электронов), или дырки (недостаток электронов, который можно рассматривать как положительные частицы).

Подробнее по этой теме

электромагнетизм: принцип сохранения заряда

Электрический ток - это мера потока заряда, например, заряда, протекающего по проводу.Размер текущего ...

Электрический ток в проводе, носителями заряда которого являются электроны, является мерой количества заряда, проходящего через любую точку провода за единицу времени. В переменном токе движение электрических зарядов периодически меняется на противоположное; в постоянном токе это не так. Во многих случаях направление тока в электрических цепях принимается за направление потока положительного заряда, направление, противоположное фактическому дрейфу электронов. При таком определении ток называется обычным током.

Узнайте, почему низкое сопротивление меди делает ее отличным проводником электрических токов.

Взаимосвязь между током и сопротивлением в электрической цепи.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео по этой статье

Ток обычно обозначается символом I . Закон Ома связывает ток, протекающий по проводнику, с напряжением В и сопротивлением R ; то есть В = I R .Альтернативная формулировка закона Ома: I = В / R .

Ток в газах и жидкостях обычно состоит из потока положительных ионов в одном направлении вместе с потоком отрицательных ионов в противоположном направлении. Для обработки общего эффекта тока его направление обычно принимается за направление положительного носителя заряда. Ток отрицательного заряда, движущийся в противоположном направлении, эквивалентен положительному заряду той же величины, движущемуся в обычном направлении, и должен быть включен как вклад в общий ток.Ток в полупроводниках состоит из движения дырок в обычном направлении и электронов в противоположном.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Существуют токи многих других видов, такие как пучки протонов, позитронов или заряженных пионов и мюонов в ускорителях частиц.

Электрический ток создает сопутствующее магнитное поле, как в электромагнитах. Когда электрический ток течет во внешнем магнитном поле, он испытывает магнитную силу, как в электродвигателях.Потери тепла или энергия, рассеиваемая электрическим током в проводнике, пропорциональна квадрату тока.

Магнитное поле, создаваемое электрическим током

Магнитное поле, создаваемое небольшим отрезком провода с электрическим током i .

Предоставлено Департаментом физики и астрономии Мичиганского государственного университета

Распространенной единицей электрического тока является ампер, который определяется как поток заряда в один кулон в секунду, или 6.2 × 10 18 электронов в секунду. Единицы тока сантиметр – грамм – секунда - это электростатическая единица заряда (esu) в секунду. Один ампер равен 3 × 10 9 esu в секунду.

Коммерческие линии электропередач обеспечивают ток около 100 ампер в обычном доме; 60-ваттная лампочка потребляет около 0,5 ампер тока, а однокомнатный кондиционер - около 15 ампер. (Подробнее об электрическом токе, см. электричество: Постоянный электрический ток и электричество: Переменные электрические токи.)

.

Что такое электрический ток? | Живая наука

Электрический ток - это движущийся электрический заряд. Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, например, разряда молнии или искры между вашим пальцем и пластиной выключателя заземления. Однако чаще, когда мы говорим об электрическом токе, мы имеем в виду более контролируемую форму электричества от генераторов, батарей, солнечных или топливных элементов.

Большая часть электрического заряда переносится электронами и протонами внутри атома.Протоны имеют положительный заряд, а электроны - отрицательный. Однако протоны в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому перенос заряда из одного места в другое выполняют электроны. Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени могут свободно перемещаться от одного атома к другому по своим зонам проводимости, которые являются высшими электронными орбитами. По словам Серифа Урана, профессора физики в Питтсбургском государственном университете, при достаточной электродвижущей силе (ЭДС) или напряжении возникает дисбаланс заряда, который может заставить электроны перемещаться по проводнику в виде электрического тока.

Хотя сравнивать электрический ток с потоком воды в трубе немного рискованно, есть некоторые сходства, которые могут облегчить понимание. По словам Майкла Дабсона, профессора физики в Университете Колорадо Болдера, мы можем представить поток электронов в проводе как поток воды в трубе. Предостережение: в этом случае труба всегда заполнена водой. Если мы откроем клапан на одном конце, чтобы впустить воду в трубу, нам не нужно ждать, пока эта вода дойдет до конца трубы.Мы получаем воду из другого конца почти мгновенно, потому что поступающая вода выталкивает воду, которая уже находится в трубе, к концу. Это то, что происходит в случае электрического тока в проводе. Электроны проводимости уже присутствуют в проводе; нам просто нужно начать толкать электроны на одном конце, а они почти сразу же начинают течь на другом конце.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Государственного университета Джорджии, фактическая скорость электрона в проводе составляет порядка нескольких миллионов метров в секунду, но он не движется прямо по проводу.Он подскакивает почти наугад и движется только со скоростью несколько миллиметров в секунду. Это называется дрейфовой скоростью электрона. Однако скорость передачи сигнала, когда электроны начинают выталкивать другой конец провода после того, как мы щелкаем переключателем, почти равна скорости света, которая составляет около 300 миллионов метров в секунду (186 000 миль в секунду). В случае переменного тока, когда ток меняет направление 50 или 60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не выходит из провода.

Несбалансированность начислений может быть создана несколькими способами. Первым известным способом было создание статического заряда путем трения друг о друга двух разных материалов, например, протирания кусочка янтаря мехом животного. Затем можно создать ток, прикоснувшись янтарем к телу с меньшим зарядом или к земле. Однако этот ток имел очень высокое напряжение, очень низкую силу тока и длился всего долю секунды, поэтому его нельзя было заставить выполнять какую-либо полезную работу.

Постоянный ток

Следующим известным способом создания дисбаланса зарядов была электрохимическая батарея, изобретенная в 1800 году итальянским физиком Алессандро Вольта, в честь которого названа единица электродвижущей силы - вольт (В).Его «гальваническая куча» состояла из стопки чередующихся цинковых и медных пластин, разделенных слоями ткани, пропитанной соленой водой, и производил устойчивый источник постоянного тока (DC). Он и другие улучшили и усовершенствовали свое изобретение в течение следующих нескольких десятилетий. Согласно Национальному музею американской истории, «батареи привлекли внимание многих ученых и изобретателей, и к 1840-м годам они обеспечивали током новые электрические устройства, такие как электромагниты Джозефа Генри и телеграф Сэмюэля Морса."

Другие источники постоянного тока включают топливные элементы, которые объединяют кислород и водород в воду и вырабатывают в процессе электрическую энергию. Кислород и водород можно подавать в виде чистых газов или из воздуха и химического топлива, такого как спирт. Другой источник постоянного тока ток - это фотоэлектрический или солнечный элемент. В этих устройствах фотонная энергия солнечного света поглощается электронами и преобразуется в электрическую энергию.

Переменный ток

Большая часть электричества, которое мы используем, поступает в виде переменного тока (AC) от электрического Энергосистема.Переменный ток вырабатывается электрическими генераторами, которые работают по закону индукции Фарадея, с помощью которого изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике. В генераторах есть вращающиеся катушки с проволокой, которые проходят через магнитные поля при их вращении. Когда катушки вращаются, они открываются и закрываются относительно магнитного поля и производят электрический ток, который меняет направление на противоположное каждые пол-оборота. Ток проходит полный прямой и обратный цикл 60 раз в секунду, или 60 герц (Гц) (50 Гц в некоторых странах).Генераторы могут приводиться в действие паровыми турбинами, работающими на угле, природном газе, масле или ядерном реакторе. Они также могут приводиться в действие ветряными турбинами или водяными турбинами на плотинах гидроэлектростанций.

Из генератора ток проходит через серию трансформаторов, где он повышается до гораздо более высокого напряжения для передачи. Причина этого в том, что диаметр проводов определяет величину тока или силы тока, которую они могут проводить без перегрева и потери энергии, но напряжение ограничивается только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли.Интересно отметить, что ток передается только по одному проводу, а не по двум. Две стороны постоянного тока обозначены как положительная и отрицательная. Однако, поскольку полярность переменного тока меняется 60 раз в секунду, две стороны переменного тока обозначаются как горячая и заземленная. В линиях электропередачи на большие расстояния провода проходят через горячую сторону, а земля проходит через землю, замыкая цепь.

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на силу тока, вы можете послать больше мощности по линии при той же силе тока, используя более высокое напряжение.Затем высокое напряжение понижается по мере того, как оно распределяется по сети подстанций, пока не достигает трансформатора рядом с вашим домом, где оно наконец понижается до 110 В. (В Соединенных Штатах настенные розетки и лампы работают от 110 В. при 60 Гц. В Европе почти все работает от 230 В при 50 Гц.)

Как только ток достигает конца линии, большая часть его используется одним из двух способов: либо для обеспечения тепла и света через электрическое сопротивление. , или механическое движение за счет электрической индукции.Есть еще несколько приложений - на ум приходят люминесцентные лампы и микроволновые печи, - которые работают на разных принципах, но львиная доля энергии приходится на устройства, основанные на сопротивлении и / или индуктивности. Фен, например, использует и то, и другое одновременно.

Это подводит нас к важной особенности электрического тока: он может выполнять работу. Он может освещать ваш дом, стирать и сушить одежду и даже поднимать дверь гаража одним щелчком выключателя. Однако все более важной становится способность электрического тока передавать информацию, особенно в форме двоичных данных.Хотя для подключения к Интернету вашего компьютера требуется лишь небольшая часть электрического тока, скажем, электрического обогревателя, он становится все более и более важным для современной жизни.

Дополнительные ресурсы

.

Электрический ток - Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Электрический ток - это поток электрического заряда. Уравнение тока: [1]

I = ΔQΔt {\ displaystyle I = {\ frac {\ Delta Q} {\ Delta t}}}
где
I {\ displaystyle I} - текущий текущий
ΔQ {\ displaystyle \ Delta Q} - изменение электрического заряда.
Δt {\ displaystyle \ Delta t} - изменение во времени

Единицей измерения электрического тока в системе СИ является ампер (А).Это равно одному кулону заряда за одну секунду. Ток можно найти в проводах, батареях и молнии.

В проводящих материалах некоторые электроны очень слабо связаны с атомами материала. Когда большое количество этих атомов объединяется, возникает своего рода электронное облако, которое «парит» около атомов материала. Если вы исследуете поперечное сечение куска проводящего материала, электроны будут проходить через него очень быстро. Это движение вызвано температурой, и электроны, текущие в одном направлении, имеют тенденцию равняться электронам, текущим в другом направлении, так что это не то, что вызывает ток.Электроны текут от одного атома к другому, этот процесс сравнивают с передачей ведер с водой от одного человека к другому в бригаде ведер. [2]

Когда на провод воздействует электрическое поле, электроны реагируют почти мгновенно, слегка дрейфуя в направлении, противоположном полю. Они получают энергию от поля, которая очень быстро теряется, когда они сталкиваются с другими электронами в материале. Однако, пока существует поле, электроны будут возвращать ту энергию, которую они потеряли, и процесс будет продолжаться.Этот «толчок», который электроны получают от электрического поля, является источником тока, а не общим потоком самих электронов. Из этого обсуждения мы можем увидеть две вещи, которые сейчас равны , а не :

  • Это не настоящий «поток» электронов в обычном смысле этого слова: если мы посмотрим на скорость, которую дает электронам поле, она обычно очень мала, порядка миллиметров в секунду. Электронам потребуется полчаса, чтобы пересечь комнату размером 10 футов (3 м) с такой скоростью.Поскольку лампочка загорается почти сразу после нажатия на выключатель, должно быть что-то еще.
  • Это тоже не «эффект домино», хотя эта аналогия ближе, чем поток. Поскольку электроны такие крошечные, даже когда они движутся очень быстро, они не двигаются большой силой.

Когда ток течет по проводной цепи, он ускоряется, когда в цепи нет сопротивления. Резисторы используются для увеличения сопротивления в цепи и замедления тока.Связь между сопротивлением, током и напряжением (другая часть цепи) показана законом Ома.

.

Смотрите также