Сила тока с точки зрения электронной теории

В металлах содержится большое количество электронов. Совокупность всех электронов образует «электронный газ». К «электронному газу» полностью применимы законы идеального газа.

Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т. е. Электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металлов. Это представление о природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде и разработанной в последствии нидерландским физиком Х. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории. Поэтому: электрический ток в металлах – направленное движение электронов, а не ионов (опыт Рикке: при длительном пропускании тока не наблюдалось взаимного проникновения вещества).

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Итак:

Электроны в металлах совершают хаотичное (тепловое) движение со скоростью , любой электрон имеет энергию:

;

Эта энергия равна ,T – температура электронного газа.

— скорость хаотичного движения электрона.

В обычных условиях — порядок скорости приблизительно . Под действием источника ЭДС электроны упорядоченно движутся со скоростью.

;

;

;

– концентрация электронов ().

– плотность тока ().

.

Казалось бы, что полученные результаты противоречат факту практически мгновенной передачи электрических сигналов на большие расстояния. Дело в том, что замыкание цепи влечет за собой распространение электрического поля со скоростью света. И через время (-длина цепи) вдоль цепи установится стационарное электрическое поле, и в ней начнется упорядоченное движение электронов. Поэтому электрический ток в цепи возникает практически одновременно с её замыканием.

Объяснение закона Ома с точки зрения классической электронной теории.

Пусть в металлическом проводнике существует электрическое поле с напряженностью . Тогда движение электронов в проводнике носит характер свободных пробегов от столкновения к столкновению с ионами. Сила, которая действует со стороны источника, – вызывает ускорение электрона на путиза время.

;

;

где -максимальная скорость электрона на участке свободного пробега.

;

;

;

— тепловая скорость электронов, а — средняя скорость упорядоченного движения электронов.

;

Плотность тока в металлическом проводнике:

;

Коэффициент пропорциональности между и— ни что иное как проводимость, следовательно:

;

;

Температура определяется энергией ионов металла. Электроны при столкновении с ионами отдают энергию, следовательно, температура повышается. К концу свободного пробега электрон под действием поля приобретает дополнительную энергию:

Один электрон в одну секунду может отдать энергию:

;

где Z-число столкновений.

В объеме за время t выделяется теплота:

;

приводим к виду:

, где .

Следовательно, закон Джоуля-Ленца был доказан классической теорией.

Металл обладает как электропроводностью, а так как электроны – газ, то и теплопроводностью. Электроны, перемещаясь в металле переносят не только электрический заряд, но и присущую им электрическую энергию.

-теплопроводность электронного газа.

– плотность электронного газа

– удельная теплопроводность при V=const

— электропроводность.

;

;

— закон, полученный из опыта.

Из опыта , из теории ;

Квантовая теория сообщает, что электронный газ вообще не имеет теплоемкости.

Потенциальность электростатического поля. Скалярный потенциал. Неоднозначность скалярного потенциала и его нормировка. Потенциал точечного заряда, системы точечных зарядов и непрерывного распределения зарядов.

Потенциал электростатического поля.Способы описания электростатического поля:

Векторный () – силовая характеристика,

Скалярный (φ) – энергетическая характеристика.

φ (x,y,z) — потенциал электростатического поля, скалярная характеристика электростатического поля полностью (!) описывающая электростатическое поле

φ (x,y,z) (x,y,z) (т.е зная φ можно восстановитьи наоборот). В СИ единица измерения φ = [В]

Определение Разностью потенциалов в двух точках (1) и (2) φ_-φ₂ — называется отношение A₁₂ (работы по перемещению пробного единичного положительного заряда из (1) в (2), которую совершает поле) к заряду q_пр.

интеграл может быть взят по любому пути соединяющему (1) и (2)

если (1) и (2) лежат на силовой линии, то в качестве линии, соединяющей (1) и (2) нужно взять силовую.

Понятие потенциала можно ввести для любого потенциального векторного поля. (потенциал гравит. силы, потенциал скорости и т.д.)

Потенциал Часто в качестве точки (2) выбирают точку, потенциал которой по определению = 0.

В теории – такая точка бесконечно удаленная: .

Замечание Это можно сделать лишь тогда, если заряды располагаются в ограниченной области пространства и их нет на бесконечности.

На практике — потенциал земли = 0.

Потенциал электростатического поля в т. B(x,y,z) назыв.

потенциал какой-то точки, когда в  = 0.

Расчетная формула:

Потенциал поля точечного заряда

Путь из точки B в ∞ может быть любым, т.к. поле потенциально. Наиболее удобно выбрать L вдоль радиуса вектора, проведенного из точечного заряда

E_l= E_r = E(r); => =>

формула имеет смысл для r ≠ 0, т.к. r →∞ .

Т.к. поле точечного заряда фундаментально => для нахождения потенциала поля системы зарядов нужно применить принцип суперпозиций:

потенциал поля системы точечных зарядов равен сумме потенциалов, издаваемых в рассматриваемой точке каждым из зарядов.

а) потенциал поля системы точечных зарядов:

б) потенциал поля непрерывного распределения зарядов:

где dq = ρ∙dV — при объемном распределении заряда,

dq = σ∙dS — при поверхностном

dq = λ∙dl — при линейном.

Применение формулы поля точечного заряда и принципа суперпозиций составляет основу метода непосредственного интегрирования и позволяет рассчитать потенциал поля новой системы зарядов. Графически потенциал изображается в виде эквипотенциальных поверхностей и линий на которой он принимает постоянное значение = const.

Примеры расчета потенциала

Равномерно заряженная бесконечная нить. (Рис. 19)

Дано:;

Т.к. поле нити имеет осевую симметрию и => в качестве линииL, соединяющей 1 и 2 берем отрезок силовой линии, соединяющей точки 1 и 2. => =>

Электронная теория проводимости металлов

В 1900 году немецкий физик П. Друде создал теорию электропроводности металлов. В основе этой теории лежат следующие допущения:

1. Свободные электроны в металлах ведут себя подобно молекулам идеального газа. Электронный газ подчиняется законам идеального газа.
2. Движение свободных электронов подчиняется законам Ньютона.
3. Свободные электроны в процессе хаотического движения сталкиваются только с ионами кристаллической решетки.
4. При столкновении электронов с ионами электроны передают ионам свою кинетическую энергию полностью.

Согласно данной модели, на отрезке проводника свободные электроны совершают хаотическое тепловое движение. Действующее в проводнике электрическое поле перемещает электроны с небольшой скоростью (скорость дрейфа электронов

0,1 мм/с) вдоль проводника.

Сила тока в проводнике:

где n – концентрация свободных электронов в проводнике

– средняя скорость дрейфа электронов

S – поперечное сечение проводника.

С позиции электронной проводимости металлов удалось объяснить причину нагревания проводников при прохождении электрического тока.

Электронная теория проводимости металлов экспериментально подтверждена в 1913 году российскими физиками Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси и в 1916 году американскими физиками Т. Стюартом и Р. Толменом.

Направление электрического тока в проводнике выбрано в сторону движения положительно заряженных частиц.

Отношение заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени называется силой тока.

В СИ [I] = 1 А (Ампер)

Для поддержания электрического тока в проводнике необходимо электрическое поле. Его действие характеризуется электрическим напряжением.

В СИ [U] = 1 В (Вольт)

Для поддержания постоянного направленного движения заряженных частиц в проводнике электрическое поле должно совершать работу. Эту работу принято называть работой электрического тока.

Работа сил электрического поля или работа электрического тока на участке цепи сопротивлением R и за время t равна:

В СИ [A] = 1 Дж (Джоуль)

При нагревание проводника растет его температура, следовательно, увеличивается внутренняя энергия. С прекращением роста температуры проводника он начинает передавать окружающим телам некоторое количество теплоты, равное работе электрического тока. Таким образом, формула A=IUt определяет количество теплоты, переданное проводником другим телам.

Для последовательного соединения проводников удобнее воспользоваться формулой:

При параллельном соединении удобно использовать формулу:

Для характеристики электрических приборов удобнее пользоваться физической величиной, получившей название мощность тока.

Классическая электронная теория проводимости Друде-Лоренца

Электронная теория проводимости

Интерпретация разных свойств вещества с точки зрения движения и существования электронов является содержанием электронной теории. Эту теорию создал Друде, а доработал Лоренц. Он исходил из того, что электроны в металле ведут себя как молекулы идеального газа. В классической теории металлов считают, что движение электрона описывают законы Ньютоновой механики.

В этой теории считают, что взаимодействие электронов между собой несущественно, а взаимодействие ионов и электронов осуществляется только как соударения.

В промежутках между соударениями электроны движутся свободно, проходя в среднем путь $\lambda $. Взаимодействия электронов и ионов (их соударения) ведут к тому, что кристаллическая решетка и электронный газ приходят в состояние теплового равновесия. На электронный газ Друде распространил результаты кинетической теории газов.

Так, например, среднюю скорость движения электронов делают в соответствии с формулой:

где $k$ — постоянная Больцмана, $m_e$ — масса электрона.

В том случае, если проводник находится во внешнем электрическом поле, то на тепловое движение электронов накладывается упорядоченное движение с некоторой скоростью $\left\langle u\right\rangle .$ Размер этой скорости можно оценить из формулы:

\[j=nq_e\left\langle u\right\rangle \left(2\right),\]

где $n$ — концентрация свободных электронов, $q_e$ — величина заряда электрона, $j$ — плотность тока. Расчеты показывают, что $\left\langle u\right\rangle \approx ^\frac$, тогда как $\left\langle v\right\rangle \approx ^5\frac$ . Получается, что при больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов в $^8$ раз меньше, чем их средняя скорость хаотического движения. Следовательно, если требуется вычислить модуль суммарной скорости, то полагают, что:

Определим, насколько внешнее электрическое поле изменяет среднее значение кинетической энергии электронов. Средний квадрат суммарной скорости равен:

\[\left\langle +\overrightarrow\right)>^2\right\rangle =\left\langle v^2+2\overrightarrow\cdot \overrightarrow+u^2\right\rangle =\left\langle v^2\right\rangle +\left\langle 2\overrightarrow\cdot \overrightarrow\right\rangle +\left\langle u^2\right\rangle \left(4\right),\]

То, что электроны будут иметь скорость теплового движения равную $\left\langle v\right\rangle ,\ $а скорость упорядоченного движения составит $\left\langle u\right\rangle $ — независимые события, следовательно, из теоремы об умножении вероятностей можно записать, что:

\[\left\langle \overrightarrow\cdot \overrightarrow\right\rangle =\left\langle \overrightarrow\right\rangle \cdot \left\langle \overrightarrow\right\rangle \left(5\right).\]

Но мы знаем, что $\left\langle \overrightarrow\right\rangle =0$, значит выражение (4) примет вид:

\[\left\langle +\overrightarrow\right)>^2\right\rangle =\left\langle v^2\right\rangle +\left\langle u^2\right\rangle \left(6\right).\]

Можно сделать вывод о том, что наложение внешнего поля увеличивает кинетическую энергию электронов в среднем на величину, равную:

Друде считал, что при соударении электрона с ионом, энергия, представленная в выражении (7) передается от электрона иону, при этом скорость электрона после удара становится равной нулю. Исходя из этой предпосылки Друде получал закон Ома в виде:

где величина, которая стоит перед напряженностью электрического поля (E), есть не что иное, как коэффициент удельной проводимости ($\sigma $), равный:

Поучилось, что по классической электронной теории электросопротивление металлов вызвано соударениями электронов об ионы, в узлах кристаллической решетки.

Также, классическая теория объяснила закон Джоуля — Ленца. Опять — таки, соударениями электронов с ионами решетки, и выделением тепла в их результате.

Эта теория дала качественное толкование закона Видемана — Франца исходя из посыла о том, что теплопередача осуществляется в металле не кристаллической решеткой, а свободными электронами и рассматривая эти электроны как одноатомный газ. При этом было использовано выражение для коэффициента теплопроводности из кинетической теории газов.

Однако эта теория не смогла объяснить все явления связанные с поведением металлов в электрических полях. Так, например, не было дано объяснение того, что электросопротивление металлов растет пропорционально температуре в первой степени. Следующая серьезная проблема, с которой столкнулась классическая теория электронной проводимости, было объяснение того, что теплоемкость металлов несущественно отличается от теплоемкости неметаллических кристаллов (тогда как согласно классической теории получалось, что молярная теплоемкость металла должна быть в 1,5 раза больше, чем у диэлектриков).

Опыты Толмена и Стюарта

Прямое доказательство того, что электрический ток в металлах вызван движением электронов было сделано в опытах Толмена и Стюарта (1916 г.). Идея этих опытов была выдвинута Мандельштамом и Папалески еще в 1913 г.

Проводящая катушка может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки замыкают на гальванометр посредством скользящих контактов. Катушку, вращающуюся с высокой скоростью, резко тормозят. При этом свободные электроны продолжают по инерции двигаться. Гальванометр регистрирует импульс тока.

Если через $\dot$ обозначить линейное ускорение катушки в момент торможения (оно направлено по касательной к поверхности катушки, а при плотной намотке и тонких проводах можно положить, что ускорение направлено вдоль проводов), при торможении каждому свободному электрону приложена сила инерции ($F_i$), направленная противоположно ускорению, равная:

где $m_e$ — масса электрона. Под воздействием силы $F_i$ электрон ведет себя так, как на него действовало бы поле ($E_$):

Следовательно, ЭДС в катушке может быть записана как:

где $L$ — длина провода на катушке. Считаем, что все токи провода тормозятся с одним ускорением. Закон Ома для нашей цепи можно записать в виде:

где $I$ — сила тока в цепи, $R$ — полное сопротивление цепи. Заряд, который протекает по цепи за время dt, будет равен:

\[dq= >В таком случае за время торможения от скорости $v\left(t=0\right)=v_0$ до остановки, через гальванометр пройдет заряд, равный:

В опыте величину $q$ находили по показаниям гальванометра, $L,\ R$, $v_0$ были известны. Следовательно, можно найти знак и величину $\frac$. Опыты показали, что найденное отношение соответствует отношению заряда электрона к его массе. Так, доказано, что ток, который проходит через гальванометр, вызван движением электронов.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Задание: Вычислите среднюю скорость теплового движения электронов при T=300K.

Так как электронный газ подчиняется тем же законам, что идеальный газ, то среднюю скорость вычислим используя формулу:

Ответ: $\left\langle v\right\rangle \approx ^5\frac.$

Задание: Вычислите скорость упорядоченного движения электронов, если металл находится в электрическом поле. Сравните ее со средней скоростью теплового движения электронов в медных проводах, если предельная допустимая плотность тока для них равна $^7\frac$, концентрация электронов меди n=$^м^.$

Используем формулу для вычисления плотности тока:

\[j=nq_e\left\langle u\right\rangle \left(2.1\right).\]

Скорость упорядоченного движения электронов выразим как:

\[\left\langle u\right\rangle =\frac\left(2.2\right),\]

Используем результат, полученный в примере 1, получим, что отношение ($\frac$)=$^8$.

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Эта работа посвящена теоретическим исследованиям электрического тока. Работа написана на предельно простом языке для общего понимания.

Современное представление электрического тока.

На сегодняшний день считается, что электрический ток это направленное движение заряженных частиц – то есть движение электронов. В любом учебнике описано классическое понятие электрического тока, приводить его не имеет смысла. В это понятие не укладываются некоторые электрические явления и примеры.

1. Не имеет решения с точки зрения классического определения электрического тока следующая задача. Ток проходя через свинцовый предохранитель пережигает его. Найти скорость движения электронов в предохранителе. Нам дано: материал из которого сделан предохранитель – свинец. В справочниках мы можем посмотреть температуру плавления свинца Т пл знаем комнатную температуру при которой находится предохранитель Т ком . Разница этих температур и есть искомая температура на которую надо нагреть предохранитель

Т иск =Т пл -Т ком

Q = Т иск mC + l m (Дж)

Где: m — масса предохранителя

C- удельная теплоёмкость свинца

l — плавление свинца

Соответственно ту же работу Q 1 =Q совершают и электроны несущие электрический ток.

Где: m э — масса электрона.

V- скорость электрона.

k — количество электронов.

Зная что по классическому определению тока в процессе участвует только один электрон от каждого атома, то k-количество атомов свинца в предохранителе. При решении этой задачи V получается просто запредельная . Учитывая то, что электроны движутся по касательной к ядру атома, а не попадают в него перпендикулярно. Можно сделать предположение, что всё таки электрический ток это не движение электронов, а что то другое.

2. Явление пьезоэффекта трудно объяснить с точки зрения электрического тока. Невозможно объяснить как с механическое воздействие на объект вызывает электрический ток. И обратный процесс, электрический ток деформирует объект.

3. В промышленном производстве используется электросварка. При начале сварки в момент контакта электрода со свариваемым предметом, когда электрическая дуга ещё не зажглась. По сварочным кабелям течёт максимальный электрический ток. Так вот в этот короткий момент кабели начинают двигаться-дёргаться. Объяснить это явление с точки зрения классической теории электрического тока также невозможно.

4. Кроме того невозможно объяснить явление статического электричества. При натирании шерсти янтарём и янтарь и шерсть являются диэлектриками.

Возможно электрический ток это не упорядоченное движение электронов, а упорядоченное движение ядер атомов вещества которое проводит электрический ток.

Попытаемся обосновать это предположение.

Пусть электрический ток это упорядоченное колебание ядер атомов проводника.

При отсутствии электрического тока ядро покоится в центре атома, а при воздействии электрического тока начинает вращаться. Причём если ток течёт по проводнику от вас, то ядро вращается по часовой стрелке, а при течении тока на вас, против часовой.

Эта гипотеза легко объясняет такое явление как магнетизм. Рассмотрим схематично самый простой стержневой магнит.

Предположим для простоты, что стержневой магнит имеет один виток провода. В правом проводе ток идёт от нас, а в левом проводе на нас. Соответственно правое ядро атома проводника будет вращаться по часовой стрелке, а левое ядро проводника против часовой. Во всех атомах стержневого магнита ядра сместятся в верх . Соответственно в верху будет S в низу N. При пропадании электрического тока ядра вновь займут своё положение. Соответственно обратный процесс. При внесении постоянного магнита в катушку атомы ядер проводника начинают раскручиваться в зависимости от полярности магнита в ту или иную сторону. Эту гипотезу подтверждает и другой электротехнический опыт.

Если на ферромагнитный стержень намотать например 100 витков провода, потом этот же самый провод перегнуть и намотать в другую сторону те же 100 вит ков этого же самого провода, то сопротивление такой индуктивности будет бесконечным по переменному току.

Соответственно ядро в правом проводнике будет вращаться по часовой стрелке, а в левом проводнике то же по часовой стрелке и смещения ядер атомов в стержневом магните не произойдёт.

Эту гипотезу может подтвердить другой более сложный электротехнический опыт.

Возьмём обыкновенный соленоид. Подвесим его на нити в такое положение, что если на него подать ток, с условием, что возникшее в соленоиде магнитное поле будет перпендикулярно магнитному полю земли. Это делается для того, чтобы магнитное поле земли не влияло на проведение опыта. Таким образом мы можем раскачать этот соленоид до практически любой амплитуды. Переменное напряжение подаваемое на соленоид естественно должно совпадать с частотой качания соленоида. Этот опыт приведён на рисунке ниже.

Раскачивание соленоида происходит из-за того, что, при подаче на него тока все ядра атомов соленоида одновременно начинают двигаться в одну сторону, соответственно возникает импульс, и соленоид качнётся в ту же сторону, куда и будет направлено движение этих ядер.

При первом импульсе когда соленоид максимально отклонится, начнёт двигаться в обратную сторону и в момент его прохождения точки покоя следует отключить ток. Ядра атомов возвратятся на своё прежнее место ив соленоиде вновь возникнет импульс только в обратную сторону. Сразу после прохождения соленоидом точки покоя следует опять подать на него ток только обратной полярности, а при прохождении соленоидом точки покоя в обратном направлении этот ток отключить.

Таким образом соленоид можно раскачать до любой амплитуды.

Этот эффект очень хорошо слышен. Если соленоид установить вертикально и подать на него переменный электрический ток, то вы услышите гудение. То ест соленоид колеблется в верх в низ. Колеблется он с той частотой с какой подаётся на него переменное напряжение. По сути инженерная задача сводится к тому, чтобы заставить соленоид колебаться не в вех в низ на одном месте, а чтобы он колебался в верх в верх в верх.

Можно привести ещё один пример из школьной учебной программы. Известный всем опыт по притягиванию и отталкиванию между собой проводников. Опыт заключается в том, если по двум параллельным проводникам пропустить ток в одном направлении, то проводники будут притягиваться между собой. А если ток по ним идёт в разных направлениях, то они отталкиваются между собой. Весь фокус заключается в том, что проводники должны обязательно питаться от одного источника тока, иначе опыт не удаётся, или удаётся частично.

Эта теория подтверждается и другим опытом, более сложным. Возьмём полнотелый металлический шар из ферромагнетика. Намотаем на него две перпендикулярные обмотки А и В . На эти обмотки подадим различные переменные напряжения сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов. Причём, если напряжение на обмотку А будет синусоидальным, то есть положительные и отрицательные импульсы одинаковые. То напряжение на обмотку В будет иметь большую положительную составляющую, а отрицательная составляющая будет равна полу периоду обмотки А. Рисунок намотки на шар приведён ниже. В этом случае можно изменять вес шара, не меняя его массы.

Все ядра атомов шара будут двигаться в этом шаре не только вверх-вниз, а в плоскости по фигуре Листажу. А значит в самом шаре появится сила направленная в верх. И сам шар либо потеряет вес либо начнёт двигаться с ускорением в туже сторону.

Это явление наблюдается при включении силового трансформатора. При включении трансформатор начинает гудеть, то есть колебаться в верх и в низ. Колебания силового трансформатора можно так же ощутить коснувшись его рукой. Вы почувствуете его вибрацию. Представленный выше опыт практически повторяет силовой трансформатор. Только колебания шара не происходят в верх в низ на одном месте а колеблются в верх в верх в верх. Подобный процесс хорошо видно при катании детей на скейтборде. Ребёнок может начать движение не отталкиваясь не от чего, а резко перемещая массу своего тела в одну сторону, и плавно возвращая его в исходную точку. При этом происходит движение в заданном направлении. Здесь практически представлена модель скейтбордиста , только в микромире.

Проведённый эксперимент показывает очень низкий КПД безопорного двигателя, всего порядка 7%. Есть возможность повысить КПД двигателя изменив напряжения подаваемые на обмотки шара. Если на обмотку А будет подаваться то же переменное синусоидальное напряжение, то на обмотку В будет подаваться пилообразносинусоидальное напряжение по частоте в два раза превышающее частоту подаваемую на обмотку А. Поясняющий рисунок ниже.

В этом случае КПД возрастает значительно. А ядро атома будет двигаться по фигуре Листажу. Затем собирается установка для определения КПД.

Это явление можно использовать для добычи редкоземельных и драгоценных металлов, перемещения в пространстве и т.д. и т.п.

Что такое электрический ток

Что такое электрический ток? В учебнике физики есть определение:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля. Частицами могут быть: электроны, протоны, ионы, дырки.

В академических учебниках определение описывается так:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это скорость изменения электрического заряда во времени.

• • Заряд электронов отрицателен.

• • протоны — частицы с положительным зарядом;

• нейтроны — с нейтральным зарядом.

СИЛА ТОКА – это количество заряженных частиц (электроны, протоны, ионы, дырки), протекающих через поперечное сечение проводника.

Все физические вещества, в том числе металлы состоят из молекул, состоящих из атомов, которые в свою очередь состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. Во время химических реакций электроны переходят от одних атомов к другим, поэтому, атомы одного вещества испытывают недостаток в электронах, а атомы другого вещества имеют их избыток. Это означает, что вещества имеют разноименные заряды. В случае их контакта, электроны будут стремиться перейти из одного вещества в другое. Именно это перемещение электронов и есть ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. Ток, который будет течь, до тех пор, пока заряды этих двух веществ не уравняются. Взамен ушедшего электрона приходит другой. Откуда? От соседнего атома, к нему — от его соседа, так до крайнего, к крайнему — от отрицательного полюса источника тока (например — батарейки). С другого конца проводника электроны уходят на положительный полюс источника тока. Когда все электроны на отрицательном полюсе закончатся, ток прекратится (батарея «села»).

НАПРЯЖЕНИЕ — это характеристика электрического поля и представляет собой разность потенциалов двух точек внутри электрического поля.

Вроде как то не понятно. Проводник – это в простейшем случае — проволока, сделанная из металла (чаще применяется медь и алюминий). Масса электрона равна 9,10938215(45)×10 -31 кг. Если электрон имеет массу, то это означает, что он материален. Но проводник сделан из металла, а металл то, твёрдый, как по нему текут какие то, электроны?

Число электронов в веществе, равное числу протонов лишь обеспечивает его нейтральность, а сам химический элемент определяется количеством протонов и нейтронов исходя из периодического закона Менделеева. Если чисто теоретически отнять от массы любого химического элемента все его электроны, он практически не приблизится к массе ближайшего химического элемента. Слишком большая разница между массами электрона и ядра (масса только 1-го протона примерно в 1836 больше массы электрона). А уменьшение или увеличение числа электронов должно приводить лишь к изменению общего заряда атома. Число электронов у отдельно взятого атома всегда переменно. Они, то покидают его, вследствие теплового движения, то возвращаются обратно, потеряв энергию.

Если электроны движутся направленно, значит, они «покидают» свой атом, а не будет теряться атомарная масса и как следствие, меняться и химический состав проводника? Нет. Химический элемент определяется не атомарной массой, а количеством ПРОТОНОВ в ядре атома, и ничем другим. При этом наличие или отсутствие электронов или нейтронов у атома роли не играет. Добавим — убавим электроны — получим ион, добавим — убавим нейтроны — получим изотоп. При этом химический элемент останется тем же.

С протонами другая история: один протон — это водород, два протона — это гелий, три протона — литий и.т.д (см. таблицу Менделеева). Поэтому, сколько ни пропускай ток через проводник, химический состав его не изменится.

Другое дело электролиты. Здесь как раз ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЕНЯЕТСЯ. Из раствора под действием тока выделяются элементы электролита. Когда все выделятся, ток прекратится. Всё потому, что носители заряда в электролитах — ионы.

Бывают химические элементы без электронов:

1. Атомарный космический водород.

2. Газы в верхних слоях атмосферы Земли и других планет с атмосферой.

2. Все вещества в состоянии плазмы.

3. В ускорителях, коллайдерах.

Под действием электрического тока химические вещества (проводники) могут «рассыпаться». Например, плавкий предохранитель. Движущиеся электроны на своем пути расталкивают атомы, если ток сильный — кристаллическая решетка проводника разрушается и проводник расплавляется.

Рассмотрим работу электровакуумных приборов.

Напомню, что во время действия электрического тока в обычном проводнике, электрон, покидая своё место, оставляет там «дырку», которая затем заполняется электроном от другого атома, где в свою очередь так же образуется дырка, в последствии заполняемая другим электроном. Весь процесс движения электронов происходит в одну сторону, а движение «дыр», в противоположную. То есть дырка – явление временное, она заполняется всё равно. Заполнение необходимо для сохранения равновесия заряда в атоме.

А теперь рассмотрим работу электровакуумного прибора. Для примера возьмём простейший диод – кенотрон. Электроны в диоде во время действия электрического тока испускаются катодом в направлении анода. Катод покрыт специальными окислами металлов, которые облегчают выход электронов из катода в вакуум (малая работа выхода). Никакого запаса электронов в этой тоненькой пленке нет. Для обеспечения выхода электронов катод сильно разогревают нитью накала. Со временем раскаленная пленка испаряется, оседает на стенках колбы, и эмиссионная способность катода уменьшается. И такой электронно-вакуумный прибор попросту выкидывают. А если прибор дорогой, его восстанавливают. Для его восстановления колбу распаивают, заменяют катод на новый, после чего колбу обратно запаивают.

Электроны в проводнике двигаются «перенося на себе» электрический ток, а катод пополняется электронами от проводника, подключенного к катоду. На замену электронам, покинувшим катод, приходят электроны от источника тока.

Понятие «скорость движения электрического тока» не существует. Со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с), по проводнику распространяется электрическое поле, под действием которого все электроны начинают движение с малой скоростью, которая приблизительно равна 0,007 мм/с, не забывая ещё и хаотически метаться в тепловом движении.

Давайте теперь разберёмся в основных характеристиках тока

Представим картину: У вас имеется стандартная картонная коробка с горячительным напитком на 12 бутылок. А вы пытаетесь засунуть туда ещё бутылку. Предположим вам это удалось, но коробка едва выдержала. Вы засовываете туда ещё одну, и вдруг коробка рвётся и бутылки вываливаются.

Коробку с бутылками можно сравнить с поперечным сечением проводника:

Чем шире коробка (толще провод), тем большее количество бутылок (СИЛУ ТОКА), она может в себя поместить (обеспечить).

В коробке (в проводнике) можно поместить от одной до 12 бутылок – она не развалится (проводник не сгорит), а большее число бутылок (большую силу тока) она не вмещает (представляет сопротивление).
Если сверху на коробку, мы поставим ещё одну коробку, то на одной единице площади (сечении проводника) мы разместим не 12, а 24 бутылки, ещё одну сверху — 36 бутылок. Одну из коробок (один этаж) можно принять за единицу аналогичную НАПРЯЖЕНИЮ электрического тока.

Чем шире коробка (меньше сопротивление), тем большее количество бутылок (СИЛУ ТОКА) она может обеспечить.

Увеличив высоту коробок (напряжение), мы можем увеличить общее количество бутылок (МОЩНОСТЬ) без разрушения коробок (проводника).

По нашей аналогии получилось:

Общее количество бутылок это — МОЩНОСТЬ

Количество бутылок в одной коробке (слое) это — СИЛА ТОКА

Количество ящиков в высоту (этажей) это — НАПРЯЖЕНИЕ

Ширина коробки (вместимость) это — СОПРОТИВЛЕНИЕ участка электрической цепи

Путём перечисленных аналогий, мы пришли к «ЗАКОНУ ОМА«, который ещё называется Законом Ома для участка цепи. Изобразим его в виде формулы:

Закон Ома

где I – сила тока, U – напряжение (разность потенциалов), R – сопротивление.

По-простому, это звучит так: Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Кроме того, мы пришли и к «ЗАКОНУ ВАТТА«. Так же изобразим его в виде формулы:

Закон Ватта

где I – сила тока, U – напряжение (разность потенциалов), Р – мощность.

По-простому, это звучит так: Мощность равна произведению силы тока на напряжение.

Сила электрического тока измеряется прибором называемым Амперметром. Как вы догадались, величина электрического тока (количество переносимого заряда) измеряется в амперах. Для увеличения диапазона обозначений единицы изменения существуют такие приставки кратности как микро — микроампер (мкА), мили – миллиампер (мА). Другие приставки в повседневном обиходе не используются. Например: Говорят и пишут «десять тысяч ампер», но никогда не говорят и не пишут 10 килоампер. Такие значения в обычной жизни не реальны. То же самое можно сказать про наноампер. Обычно говорят и пишут 1×10 -9 Ампер.

Электрическое напряжение (электрический потенциал) измеряется прибором называемым Вольтметром, как вы догадались, напряжение, т. е. разность потенциалов, которая заставляет течь ток, измеряется в Вольтах (В). Так же, как для тока, для увеличения диапазона обозначений, существуют кратные приставки: (микро — микровольт (мкВ), мили – милливольт (мВ), кило – киловольт (кВ), мега – мегавольт (МВ). Напряжение ещё называют ЭДС – электродвижущей силой.

Электрическое сопротивление измеряется прибором называемым Омметром, как вы догадались, единица измерения сопротивления – Ом (Ом). Так же, как для тока и напряжения, существуют приставки кратности: кило – килоом (кОм), мега – мегаом (МОм). Другие значения в обычной жизни не реальны.

Ранее, Вы узнали, что сопротивление проводника напрямую зависит от диаметра проводника. К этому можно добавить, что если к тонкому проводнику приложить большой электрический ток, то он будет не способен его пропустить, из-за чего будет сильно греться и, в конце концов, может расплавиться. На этом принципе основана работа плавких предохранителей.

Атомы любого вещества располагаются на некотором расстоянии друг от друга. В металлах расстояния между атомами настолько малы, что электронные оболочки практически соприкасаются. Это дает возможность электронам свободно блуждать от ядра к ядру, создавая при этом электрический ток, поэтому металлы, а также некоторые другие вещества являются ПРОВОДНИКАМИ электричества. Другие вещества – наоборот, имеют далеко расставленные атомы, электроны, прочно связанные с ядром, которые не могут свободно перемещаться. Такие вещества не являются проводниками и их принято называть ДИЭЛЕКТРИКАМИ, самым известным из которых является резина. Это и есть ответ на вопрос, почему электрические провода делают из металла.

О наличии электрического тока говорят следующие действия или явления, которые его сопровождают:

;1. Проводник, по которому течет ток, может нагреваться;

2. Электрический ток может изменять химический состав проводника;

3. Ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела.

При отделении электронов от ядер освобождается некоторое количество энергии, которое нагревает проводник. «Нагревательную» способность тока принято называть рассеиваемой мощностью и измерять в ваттах. Такой же единицей принято измерять и механическую энергию, преобразованную из электрической энергии.

Опасность электрического тока и другие опасные свойства электричества и техника безопасности

Электрический ток нагревает проводник, по которому течёт. Поэтому:

1. Если бытовая электрическая сеть испытывает перегрузку, изоляция постепенно обугливается и осыпается. Возникает возможность короткого замыкания, которое очень опасно.

2. Электрический ток, протекая по проводам и бытовым приборам, встречает сопротивление, поэтому «выбирает» путь с наименьшим сопротивлением.

3. Если происходит короткое замыкание, сила тока резко возрастает. При этом выделяется большое количество тепла, способное расплавить металл.

4. Короткое замыкание может произойти и из-за влаги. Если в случае с коротким замыканием происходит пожар, то в случае с воздействием влаги на электроприборы в первую очередь страдает человек.

5. Удар электричеством очень опасен, вероятен смертельный исход. При протекании электрического тока через организм человека, сопротивление тканей резко уменьшается. В организме происходят процессы нагревания тканей, разрушения клеток, отмирания нервных окончаний.

Как обезопасить себя от поражения электрическим током

Чтобы обезопасить себя от воздействия электрического тока, используют средства защиты от поражения электрическим током: работают в резиновых перчатках, используют резиновый коврик, разрядные штанги, устройства заземления аппаратуры, рабочих мест. Автоматические выключатели с тепловой защитой и защитой по току, так же являются не плохим средством защиты от поражения током, способным сохранить жизнь человека. Когда я не уверен в отсутствии опасности поражения электрическим током, при выполнении не сложных операций в электрощитовых, блоках аппаратуры, я как правило работаю одной рукой, а другую руку ложу в карман. Тем самым исключается возможность поражения током по пути рука-рука, в случае случайного прикосновения к корпусу щита, или другим массивным заземлённым предметам.

Для тушения пожара, возникшего на электрооборудовании используют только порошковые или углекислотные огнетушители. Порошковые тушат лучше, но после засыпания аппаратуры пылью из огнетушителя, эту аппаратуру не всегда возможно восстановить.

Видео по теме: что такое электрический ток

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ