Электрический ток. Электрическая цепь. Закон Ома.
Что такое электрический ток?
Сразу начнем с определения, Электрический ток - это направленное
движение заряженных частиц". Это самое простое, но в тоже время точное
определение. Но о каких же частицах идет речь? Из школьной программы вы знаете,
что любое вещество состоит из молекул - мельчайших частиц вещества, которые,
в свою очередь состоят из атомов химических элементов. Например, если мы
возьмем мельчайшую частицу воды - молекулу воды, и попробуем её разделить, то
мы получим два атома водорода и один атом кислорода. Вода - это вещество.
Водород и Кислород - химические элементы. Разные вещества состоят из разных
химических элементов. В мире очень много различных веществ и ученые придумывают
все новые и новые вещества, но химических элементов, из которых состоят все
возможные вещества не так уж и много. В 1869 году, профессор Петербургского
университета, наш соотечественник Д.И.Менделеев, еще не зная как устроен атом
химического вещества, смог увидеть определенные периодические закономерости в
свойствах различных атомов и сообщил об открытой им системе химических
элементов, которая теперь носит его имя.
Атом, в переводе с греческого - неделимый, впрочем неделимым он был до
конца XIX века, когда были открыты субатомные частицы, т.е. частицы, из которых
состоят сами атомы: Протон, Нейтрон, Электрон. Причем, две из этих частиц,
протон и электрон имеют электрический заряд, а нейтрон заряда не имеет.
Любопытно, что что заряд электрона по величине точно такой же как и заряд
протона, но другого "сорта". Принято считать, что электрон имеет "отрицательный"
(сокращенно "-", минус) заряд, а протон "положительный" (сокращенно "+", плюс).
В данном случае слова "положительный" и "отрицательный" не несут никакого смысла,
положительный заряд ни чем не лучше отрицательного, они просто разные, мы могли
бы назвать их "красный" и "синий", просто их надо было как-то назвать. Заряд
обычно обозначают буквой q,а единицей измерения электрического заряда
является - кулон, [q]=1Кл (кулон). Эта единица названа в честь
французкого ученого Шарля Кулона (1736-1806). Электрон обладает элементарным
электрическим зарядом (наименьшим заряд, который только может существовать),
который равен -1,6·10-19 Кл.
Всего три частицы, а сколько химических элементов из них получается! Но как?
В центре любого атома находятся протоны и нейтроны - они образуют тяжелое
ядро атома, вокруг которого "летают" электроны. Все химические элементы
отличаются друг от друга по количеству протонов в ядре, а само количество
протонов соответствует порядковому номеру химического элемента в периодической
системе Д.И.Менделеева. Элементы с одинаковым количество протонов в ядре, но
с разным количество нейтронов - относят к одному химическому элементу, потому
что нейтроны не влияют на химические свойства элемента, но называют изотопами.
Выяснилось также, что количество протонов и электронов в атоме одинаковое,
поэтому в нормальном состоянии атомы являются электрически нейтральными, т.е.
суммарный заряд частиц, из которых состоит атом равен нулю. Но так как электроны
очень подвижные частицы и очень любят путешествовать, перескакивая с одного атома
на другой, то иногда атомы могут содержать чуть больше электронов, и тогда атом
становится отрицательно заряженным (такие атомы называют отрицательными ионами,
анионами) или чуть меньше, и тогда атом становится положительно заряженным
(положительным ионом, катионом). Если натирать эбонитовую или пластмассовую
палочку кусочком ткани, то электроны будут переходить на палочку, и палочка
будет заряжаться отрицательно. А если натирать тканью стеклянную палочку, то
электроны будут из стекла переходить на ткань, заряжая её отрицательно,
а стеклянную палочку положительно.
Заряженные палочки имеют неподвижный заряд, изучением таких неподвижных
(статических) зарядов занимается "Электростатика". А возникающие при
работе с заряженными предметами электрические токи - называют
электростатическими разрядами. Можно провести много интересных экспериментов с заряженными предметами, можно
даже увидеть искры, которые создает возникающий электрический ток, когда мы
гладим кошку или снимаем свитер, или мощные разряды, когда наблюдаем за
молниями во время грозы. Но такой электрический ток очень сложно использовать,
потому что заряженные палочки или грозовые тучи стремятся очень быстро
избавиться от своего заряда.
Но вернемся к нашему определению электрического тока. Мы выяснили что такое
заряженные частицы - это электроны или ионы. В твердых веществах
носителем заряда являются электроны, в жидких - ионы (катионы и анионы), в
газах - ионы и электроны, в вакууме - электроны.
С частицами разобрались. Теперь разберемся с движением. Возьмем кусок провода.
Как и во всех твёрдых телах, в проводе каждый атом занимает определённое место.
Правда, при некоторых условиях атомы твёрдых тел могут покидать свои места,
но во всяком случае они долгое время остаются "привязанными" к определённому
месту. В зависимости от температуры каждый атом более или менее сильно
колеблется около этого места, не удаляясь от него сколько-нибудь далеко.
В отличие от других твёрдых тел металлы обладают одной интересной особенностью:
в пространстве между атомами металлов движутся свободные электроны, то-есть
электроны, не связанные с определёнными атомами. Причем двигаются весьма быстро,
со скоростью 100 км/с, даже если провод просто лежит на столе и ни к чему не
подключен. Это называется тепловым движением. Но является ли это движение
электрическим током? Конечно нет, электроны двигаются хаотично, в разные стороны, поэтому
если посчитать переносимый ими заряд от одного конца провода к другому, то
окажется что суммарный заряд будет равен нулю, поэтому электрического тока
в проводнике нет. Но если мы соединим этим проводом две наши заряженные палочки
(пластмассовую и стеклянную), то электроны в проводе начнут двигаться в одну
сторону - возникнет электрический ток. Поэтому, когда мы говорим об
электрическом токе - мы говорим о направленном движении электрических
зарядов. Можно сделать вывод, что для того, чтобы через провод протекал
электрический ток, нужно не только наличие в проводе свободных зарядов, но и
по-разному заряженные палочки, которые направят эти заряды в одну сторону.
Опытным путем было доказано, что электрический ток движется по проводу со
скоростью света, а именно 300 тысяч км/сек, но при этом сами электроны
в проводнике движутся с гораздо меньшей скоростью.
Под скоростью света в случае с электрическим током понимается показатель
скорости, с которым заряженные частицы приходят в движение друг за другом,
а не движутся относительно друг друга. Носители заряда при этом обладают
средней скоростью менее миллиметра в секунду. Система (в данном случае наш
провод), где работают свободные электроны или ионы, получила название
"электрическая цепь". Слово "цепь" в этом названии появилось скорее всего
потому, что заряды, последовательно, поочередно проходят по нескольким участкам,
как бы по звеньям цепи.
Если говорить на языке аналогий, то можно сказать, что электроны с пластмассовой
палочки, где их много, стремятся попасть на стеклянную палочку, где их не
хватает. Через воздух они это сделать не могут, так как воздух очень плохой
проводник, но если их соединить проводом, то электроны очень быстро перебегут
с одной палочки на другую, создав в проводе электрический ток. Чем больше
зарядов в единицу времени перетечет по нашему проводу - тем больше сила тока.
Таким образом, сила тока - это физическая величина, равная количеству заряда,
прошедшего через некоторую поверхность за некоторое время. В формулах, на схемах,
в технических текстах сила электрического тока, или просто ток, обычно
обозначается буквой I, а единицей измерения силы электрического тока
является - ампер, [I]=1A (ампер). Эта единица названа в честь
французского физика Андре Ампера (1775-1836). Для наглядности, если через
поперечное сечение нашего провода за 1 секунду проходит заряд в 1 Кл (а это
целый квинтиллион, или миллиард миллиардов электронов!), то ток в проводе
составит 1 ампер. Математически это можно записать так:
где I - сила тока, А; q - электрический заряд, Кл; t - время, c.
Проведем еще одну аналогию, для наглядности. Говорят что ток- течет. А что у нас еще течет? Конечно вода!
Представим нашу схему в виде двух перевернутых бутылок с водой, со срезанными
донышками и разным количеством воды в них. В левой бутылке у нас много воды
(электронов), в правой мало воды (электронов). Если теперь бутылки соединить
шлангом (проводом), то вода начнем перетекать из левой бутылки в правую. Вода
(ток) будет течь по шлангу (проводу) пока количество воды (электронов) в обоих
бутылках не выровняется. При этом, не трудно заметить, что чем больше уровень
воды в левой бутылке и меньше в правой, тем сильнее будет переток воды, и тем
больше воды будет перетекать через шланг за 1 секунду. Грубо говоря, разность
уровней будет создавать некоторое напряжение, и чем больше эта разность, тем
это напряжение больше и тем больше будет ток в шланге. Также не трудно заметить,
что чем толще шланг тем быстрее будет перетекать вода. И конечно, если мы будем
зажимать шланг, уменьшая его сечение, то тем дольше вода будет перетекать из
одной бутылки в другую, или другими словами сила тока воды в шланге уменьшится.
Точно так же, протекание тока в нашем проводе зависит от свойств провода и от
напряжение, приложенного к этому проводнику. Напряжение обозначается буквой
U, а единицей измерения напряжения является Вольт, [U]=1В ,
названа в честь итальянского физика и физиолога Алессандро Вольты (1745-1827).
Также протекание тока в проводнике зависит от его проводимости - способности
пропускать электрический ток. Но чаще используется другая характеристика -
сопротивление, величина обратная проводимости, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению
электрического тока. Сопротивление обозначается буквой R, а единицей
измерения сопротивления является Ом, [R]=1 Ом, в честь немецкого физика
Георга Ома.
Георг Ом, исследовавший электрические цепи, заметил одну закономерность, связывающую сопротивление, напряжение и ток, которая в дальнейшем получила его имя, и теперь известна как "Закон Ома для участка цепи" - это основной закон электротехники!. Математически он выглядит так:
где I - сила тока, А; U - напряжение, В; R - сопротивление, Ом.
В некоторых веществах почти нет свободных электронов, так как они
прочно удерживаются ядрами. У молекул и атомов таких тел трудно "отобрать" или
"навязать" им лишние электроны. Такие вещества практически не проводят
электрический ток и обладают огромным сопротивлением, поэтому их называют
диэлектриками. Диэлектриками являются воздух, стекло, парафин, слюда, лаки,
фарфор, резина, пластмассы, различные смолы, маслянистые жидкости, сухое дерево,
сухая ткань, бумага и другие вещества. Фарфоровыми, например, делают изоляторы
для электропроводки, лаки используют для покрытия проводов, чтобы изолировать
провода друг от друга и от других предметов.
Вещества, в которых можно протекать электрический ток, называют
проводниками, они имеют очень маленькое сопротивление, и чем оно
меньше - тем лучше проводник, тем с меньшими потерями через него протекает
электрический ток. Кусок медного провода диаметром 0.1мм и длиной 45 см имеет
сопротивление 1 Ом, а вот сопротивление лампы накаливания от карманного фонаря
составляет уже несколько десятков Ом, а лампы для домашней электросети - сотни Ом.
К проводникам, кроме металлов, относятся также уголь, растворы солей, кислоты,
щелочи, живые организмы и многие другие тела и вещества. Причем в растворах
солей электрический ток создается не только электронами, но и положительными
ионами.
Но есть еще большая группа веществ, называемых полупроводниками.
К полупроводникам, в частности, относятся германий и кремний.
По электропроводности они занимают среднее место между проводниками и
непроводниками. Считавшиеся когда - то непригодными для практических целей,
сейчас они стали основным материалом для производства современных
полупроводниковых приборов.
Условные графические обозначения
Условные графические обозначения (УГО) - это очень простое обозначение компонентов на электрических схемах. Например, не нужно с фотографической точностью рисовать проводник на схемах, достаточно просто провести прямую линию. Если два проводника пересекаются, но не соединяются - рисуем две пересеченные линии, если в месте пересечения они соединяются - ставим точку.
Copyright © R9AL 2021 Все права защищены
