КАК СОЗДАЕТСЯ ТОК В ПРОВОДНИКЕ
Еще раз: электрический ток – это организованное.
Направленное движение электронов в проводнике.
Для того, чтобы заставить
электроны двигаться в одну сторону, нужна сила.
Это можно сделать с помощью
электрического поля (или – магнитного поля – об этом в разделе «Электромагнетизм»).
Электрическое
поле
Заряженные тела и частицы взаимодействуют между собой на расстоянии.
Пространство
вокруг заряженного тела, где обнаруживается действие на другие заряженные тела,
называется электрическим полем.
Главные характеристики электрического поля.
Напряженность
поля в данной точке – это сила, действующая на заряд в один кулон: E
= F / q (Н/ Кл).
Здесь F – сила в ньютонах (Н);
q – заряд в кулонах (Кл).
F – это та самая сила, которая будет перемещать
заряды, создавать ток в проводнике.
φ – потенциал поля в данной точке
– это запас энергии, это – работа, которую затрачивает поле, передвигая 1 кулон
электричества из данной точки поля в бесконечность:
φ = A / q (джоуль
/ кулон) – это называется 1 Вольт (1 В).
(Если на передвижение одного кулона
потребовалось затратить работу в один джоуль, то потенциал был равен одному вольту).
Важное
понятие: нас бесконечность не интересует – нас интересует разность потенциалов
между двумя точками. Ведь у любого потребителя и у любого источника – по два вывода
– начало и конец или плюс и минус. Если между этими точками будет разность потенциалов,
то пойдет ток через потребитель и потребитель начнет работать.
Разность
потенциалов между двумя выводами проводника, потребителя, генератора называется
напряжением U (В) между двумя точками или просто напряжением на потребителе, генераторе,
источнике, резисторе и т.п.
Еще раз - вдумайтесь в физический смысл слова
“напряжение”. Напряжение – это работа на перемещение одного кулона электричества
с одной точки (проводника) в другую: U = φ
- φ
.
Только при наличии напряжения и может
переместиться заряд из точки с большим потенциалом в точку с меньшим потенциалом.
Напряжение
– это причина, вызывающая возможность создавать ток в проводнике.
Исчезло
напряжение – нет тока. Темнота … И, надо полагать, чем больше будет напряжение,
тем и сила тока должна быть больше.
Напряжение обозначается буквой U и
измеряется в Вольтах (1 В).
1 милливольт (мВ) = 0,001 В.
1 микровольт
(мкВ) = 0,000001 В.
1 киловольт (кВ) = 1000 В.
Разные потребители
рассчитаны на разное напряжение: лампочка от карманного фонарика – на 3,5 В, бывает
и на 2,5 В, от мотоцикла – на 6 В, от автомобиля – на 12 В.
Напряжение
на телефонных станциях АТС – обычно 60 В. В домашней (бытовой) сети – обычно 220
В, реже 127 В.
Дома – ток переменный, но это физического смысла не меняет.
Если подвести напряжение выше нормы – слишком много совершается работы, слишком
ярко горят лампы, слишком большой ток идет через потребители – потребители должны
выйти из строя. А закон есть закон …
Измерение напряжения (и ЭДС).
Напряжение
можно измерить – прибором вольтметром. У вольтметра – два вывода (щупа). Выводы
подключаются к точкам, между которыми и надо измерить напряжение.
Очень
важное замечание: когда вольтметр подключают к источнику без лампочки, без потребителей,
то вольтметр измеряет не напряжение на источнике, а электродвижущую силу источника,
как говорят ЭДС источника E.
U < E. ЭДС источника тоже измеряется в
вольтах, но это не совсем одно и то же – напряжение на источнике всегда меньше,
чем ЭДС источника. Когда идет ток через источник, то часть ЭДС остается бесполезно
внутри источника.
Электрическая прочность диэлектрика.
Выше говорилось
о напряженности поля в данной точке поля: F – сила, передвигающая заряд в один
кулон (в ньютонах); q – заряд в кулонах.
Новое: зная напряжение и расстояние
между точками приложения напряжения, напряженность можно определить и таким способом:
E
= U / l (В/ м), где U – приложенное
напряжение (В); l – расстояние между точками приложения напряжения, (м).
Пример:
напряжение между клеммами в розетке равно 220 В, расстояние между клеммами – 20
мм (0,02 м).
Определить напряженность.
E
= U / l = 220 В / 0,02 м = 11 000 В/м = 11 кВ/м.
Практически
важный вопрос: каждый диэлектрик выдерживает определенное напряжение на 1 см,
т.е. определенную напряженность, которая называется для него электрической прочностью.
Если
увеличить напряженность (а это можно сделать двумя способами – или увеличить напряжение,
или уменьшить расстояние между клеммами), то диэлектрик пробивается, разрушается
и начинает проводить ток – несвободные электроны отрываются от атомов и становятся
свободными.
Пробой диэлектрика – это авария, замыкание, пожар.
И
еще одно, тоже важное: если диэлектрик нагревается, то свободные электроны появляются
раньше, диэлектрическая прочность уменьшается – пробой наступает раньше.
Вопрос-задача:
1. Сколько вольт выдерживает прокладка из слюды толщиной 0,5 см? Электрическая
прочность слюды 130-200 кВ/см.
2. Какой толщины прокладку из фторопласта
надо поставить между контактами, если будет подведено напряжение 15 кВ?
Постоянный
ток.
В электротехнике, связи, радиотехнике, автоматике применяются в основном
токи четырех видов.
Далее будет идти речь только о постоянном токе.
.
Конспект.
1. Электрический ток – это организованное, направленное движение электронов по
проводнику.
2. Постоянным током называется ток, величина и направление
которого не изменяются с течением времени.
3. Металлы, графит, уголь –
это проводники первого рода, в них ток образуется свободными электронами.
4.
Для возникновения тока на концах проводника надо создавать и поддерживать напряжение
(В).
5. Все источники электрической энергии создают на своих зажимах (клеммах)
электродвижущую силу – ЭДС.
6. Когда к источнику подключают потребители,
то источник поддерживает на потребителях напряжение и через потребитель за счет
этого начинает проходить электрический ток – потребитель начинает работать.
7.
У любого источника - два вывода (два зажима, две клеммы, два полюса – плюс (+)
и минус (-).
8. Принято считать, что ток идет от плюса источника через
потребители к минусу источника.
9. Для того чтобы источник мог создавать
ток в потребителе, надо создать замкнутую электрическую цепь – соединить клеммы
потребителя с клеммами источника соединительными проводами.
На рисунке
и схеме показана работающая, т.е. замкнутая, цепь: (+) источника – соединительный
провод АБ – лампочка – второй – BI – соединительный провод – (-) источника – далее
внутренняя часть источника – (+) источника – и… все сначала.
10. Электрическая
цепь состоит из двух частей – внешней и внутренней. Внешняя часть цепи – все,
что подключено к источнику. Внутренняя часть цепи – все, что внутри источника.(Так,
если телевизор включен в розетку, то он – внешняя часть цепи. А все, что находится
за розеткой – провода, линия, источник – внутренняя часть цепи).
11. Не
надо забывать – ток идет и по внутренней части цепи.
12. Электрическая
цепь должна быть замкнутой – нигде не прерываться – ток не пойдет.
13.
Сила тока показывает, сколько электричества проходит за одну секунду через поперечное
сечение проводника.
14. Если за 1 секунду проходит 1 кулон электричества,
то сила тока равна одному амперу.
15. Сила тока обозначается буквой I,
измеряется в амперах (А):
I = q / t (Кл / с).
16. Проводимость –
это свойство проводника проводить электрический ток.
17. Сопротивление
(электрическое) – это свойство препятствовать (мешать) прохождению тока. Сопротивление
возникает за счет того, что электроны, идущие по проводнику, сталкиваются с атомами.
Чем длиннее проводник, тем больше сопротивление: R↑ - l↑. Чем толще
проводник, тем меньше сопротивление: R↓ - S↑. Сопротивление зависит
и от материала, из которого изготовлен проводник (от удельного сопротивления),
у каждого – свое. Если нагреть проводник, сопротивление увеличивается – атомы
колеблются сильнее, пройти между ними труднее R↑ - l↑.