Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие
Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие
1. Дайте определение электрического тока.
Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.
2. При каких условиях возникает электрический ток?
Электрический ток возникает, если имеются свободные заряды, а так же в результате действия внешнего электрического поля. Для получения электрического поля достаточно создать разность потенциалов между какими-то двумя точками проводника.
3. Почему движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие внешнего электрического поля является хаотическим?
Если отсутствует внешнее электрическое поле, то отсутствует и дополнительная составляющая скорости направленная вдоль напряженности электрического поля, а значит, все направления движения частиц равноправны.
4. Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие и при наличии внешнего электрического поля?
5. Как выбирается направление электрического тока? В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?
За направление электрического тока принято направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике электроны движутся в сторону, противоположную направлению тока.
Задача из главы Постоянный электрический ток по предмету Физика из задачника Физика 11, Касьянов (11 класс)
Ответы на вопросы Постоянный электрический ток. § 1. Электрический ток
Постоянный электрический ток. § 1. Электрический ток → номер 1
1. Дайте определение электрического тока.
Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.
2. При каких условиях возникает электрический ток?
Электрический ток возникает, если имеются свободные заряды, а так же в результате действия внешнего электрического поля. Для получения электрического поля достаточно создать разность потенциалов между какими-то двумя точками проводника.
3. Почему движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие внешнего электрического поля является хаотическим?
Если отсутствует внешнее электрическое поле, то отсутствует и дополнительная составляющая скорости направленная вдоль напряженности электрического поля, а значит, все направления движения частиц равноправны.
4. Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие и при наличии внешнего электрического поля?
В отсутствии электрического поля движение заряженных частиц хаотично, а при его наличии — движение частиц это результат хаотичного и поступательного движений.
5. Как выбирается направление электрического тока? В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?
За направление электрического тока принято направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике электроны движутся в сторону, противоположную направлению тока.
9 Высокий уровень
Решебник по физике Л.А. Кирик Самостоятельные и контрольные работы
1. а) Французский физик Араго в 1820 г. сделал открытие, заключающееся в следующем: когда тонкая медная проволока, соединенная с источником тока, погружалась в железные опилки, то они приставали к ней. Объясните это явление.
Ток обладает магнитным действием.
б) Через поперечное сечение проводника за 2 с проходит 12 • 1019 электронов. Какова сила тока в проводнике?
2. а) Годность батарейки для карманного фонарика можно проверить, прикоснувшись кончиком языка одновременно к обоим полюсам: если ощущается кисловатый вкус, то батарейка хорошая. Какое действие тока используется при этом? Объясните свой ответ.
б) Одинаковые ли электрические заряды пройдут через поперечное сечение проводника за 3 с при силе тока 5 А и за полминуты при силе тока 0,5 А?
3. а) Какие виды энергии можно превратить в электрическую энергию? Приведите примеры.
б) Определите число электронов, проходящих за 1 с через поперечное сечение металлического проводника при силе тока в нем, равной 0,8 мкА.
4. а) По каким признакам можно установить, идет в цепи ток или нет? Приведите примеры.
С помощью амперметра, тепловым, химическим, магнитным признакам.
б) Через одну электрическую лампу проходят 450 Кл за каждые 5 мин, а через другую — 15 Кл за каждые 10 с. В какой лампе больше сила тока?
5. а) Сохраняется ли хаотическое движение свободных электронов в проводнике при наличии электрического поля?
Нет, при наличии эл. поля — движение частиц это результат хаотичного и поступательного движений.
б) Безопасной для человека считается сила тока 1 мА. Какой заряд проходит за 1 с при таком токе? Сколько электронов должно пройти через поперечное сечение проводника за 1 с, чтобы создать такую силу тока?
6. а) Чем отличается движение электронов в проводнике в отсутствие электрического поля и при наличии электрического поля?
В отсутствии электрического поля движение заряженных частиц хаотично, а при его наличии — движение частиц это результат хаотичного и поступательного движений.
б) Изображение на экране осциллографа образуется под воздействием быстролетящих электронов. Чему равна сила тока пучка электронов, если в секунду на экран попадает 6,25 • 1014 электронов?
Электродинамика (стр. 1 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 |
§ 1. Электрический ток
Электрические заряды в движении. Гравитационное притяжение испытывают все тела и частицы, обладающие массой. Структура Вселенной формируется гравитационным притяжением тел огромных масс. Неограниченное гравитационное сжатие предотвращает движение этих тел.
Существование тел конечных размеров оказывается возможным потому, что между частицами вещества действуют более мощные, чем гравитационные, силы электромагнитной природы: притяжения и отталкивания, которые могут уравновесить друг друга. Однако, как мы выяснили ранее (см. Ф-10, § 78), система неподвижных (статических) электрических зарядов не может быть устойчивой. Устойчивой может быть лишь система движущихся зарядов, подобно тому как наиболее сейсмически устойчивые здания строятся на подвижной опоре. Поэтому следующим важным шагом в изучении структуры вещества является рассмотрение электромагнитного поля движущихся электрических зарядов.
Электрический заряд является источником электромагнитного поля, которое распространяется в пространстве со скоростью света.
Энергия электромагнитного поля, переносимая в пространстве от одного заряда к другому, убывает при увеличении расстояния между зарядами. Изменить энергию электромагнитного взаимодействия зарядов можно, например приближая один заряд к другому.
Движение зарядов в проводнике. Направленное движение зарядов в проводнике приводит к переносу энергии электромагнитного поля в пространстве.
Для существования электрического тока необходимы свободные заряды — носители тока, например заряженные частицы.
Электрический ток — упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.
В проводнике концентрация свободных зарядов, которые могут перемещаться по всему объему проводника, не покидая его пределов, наибольшая. Поэтому для передачи энергии электромагнитного поля из одной точки пространства в другую используют металлические проводники подобно тому, как для транспортировки воды применяют трубы.
Направленное движение свободных зарядов в проводнике возможно под действием внешнего электрического поля.
В отсутствие внешнего электрического поля (Е = 0) движение зарядов в проводнике является хаотическим (серая линия на рис. 1).
Так движутся, например, положительные и отрицательные ионы в электролитах, электроны в металлических проводниках. После нескольких столкновений с другими частицами заряженные частицы могут вернуться практически к первоначальному положению.
В том случае, когда к проводнику приложено внешнее электрическое поле (Е * 0), на заряды действует дополнительно кулоновская сила. В результате этого положительный заряд, притягиваясь к отрицательному полюсу и отталкиваясь от положительного, приобретает составляющую скорости v+ вдоль напряженности электрического поля, или направленную скорость. За промежуток времени t положительный заряд «дрейфует» на расстояние l+ = v+t в направлении напряженности электрического поля (черная линия на рис. 1). Отрицательный заряд смещается на расстояние l_ — v_t (v_ — скорость дрейфа в направлении, противоположном напряженности электрического поля).
В проводнике, помещенном в электрическое поле, происходит наложение упорядоченного движения зарядов на хаотическое тепловое.
Движение носителей зарядов в проводнике. Наложение упорядоченного движения зарядов на хаотическое тепловое движение в электрическом поле:
Постоянный электрический ток
За направление тока принимают направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Направление тока совпадает с направлением напряженности электрического поля, вызывающего этот ток.
В металлах, где носителями тока
являются свободные, отрицательно _g
ВОПРОСЫ Направление тока в металлическом
__________ ___________ проводнике противоположно
п „ направлению движения электронов
2. При каких условиях возникает электрический ток?
3. Почему движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие внешнего электрического поля является хаотическим?
4. Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие и при наличии внешнего электрического поля?
5. Как выбирается направление электрического тока? В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?
Определение силы тока. Интенсивность направленного движения заряженных частиц в проводнике характеризует величина электрического заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за 1 с, или сила тока. Эта величина может меняться с течением времени.
Сила тока в данный момент времени — скалярная физическая величина, равная пределу отношения величины электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени его прохождения:
Формула (1) в математике представляет собой производную. Поэтому
Сила тока — производная по времени от заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени t.
Единица силы тока (основная единица СИ) — ампер (1 А):
Точное определение ампера будет дано в § 25.
Связь силы тока с направленной скоростью. Для того чтобы рассчитать силу тока, найдем заряд Aq, протекающий через поперечное сечение проводника (электролита) за промежуток времени At (рис. 3). За это время через сечение проводника пройдут только заряды, движущиеся со скоростью v сонаправленно с напряженностью внешнего электрического поля, которые находятся внутри цилиндра сечением S с образующей А1 = vAt. Зная концентрацию п заряженных частиц, можно найти число заряженных частиц в этом объеме N = nSvAt и определить их заряд:
где q0 — заряд одной частицы.
Из формулы (1), следует, что сила тока
Если скорость движения зарядов не зависит от времени, т. е. v = const, то сила тока / = const.
Постоянный электрический ток — ток, сила которого не изменя-
ется с течением времени.
Постоянный ток широко используется в электрических схемах автомобилей, а также в микроэлектронике и т. д.
Электрический ток положительных
шрядов в электролите
Постоянный электрический ток
1. Какая величина характеризует интенсивность направленного движения заряженных частиц?
2. Дайте определение силы тока.
3. Как сила тока связана с зарядом, прошедшим за время t через поперечное сечение проводника?
4. В каких единицах измеряется сила тока?
5. Какой электрический ток называют постоянным? Как сила тока зависит от концентрации заряженных частиц?
1. Какой заряд пройдет через поперечное сечение проводника за 1 мин, если сила тока в проводнике 2 А? [120 Кл]
2. Сколько электронов проходит через спираль лампы накаливания за 1 с при силе тока в лампе 1,6 А? [1019]
3. По проводнику в течение года протекает ток силой 1 А. Найдите массу электронов, прошедших за этот промежуток времени сквозь поперечное сечение проводника. Отношение заряда электрона к его массе е/те = 1,76 • 10^11 Кл/кг. [0,18 г]
4. В проводнике, площадь поперечного сечения которого 1 мм2, сила тока 1,6 А. Концентрация электронов в проводнике 1023м
3 при температуре 20 °С. Найдите среднюю скорость направленного движения электронов и сравните ее с тепловой скоростью электронов. j/QO Mlc ‘ ((£ Ь^ь ‘• [1 мм/с; 124км/с]
5. За 4 с сила тока в проводнике л’инейно возросла с 1 до 5 А. Постройте график зависимости силы тока от времени. Какой заряд прошел через поперечное сечение проводника за это время? [12 Кл]
Условие существования постоянного тока в проводнике. Рассмотрим условия существования постоянного тока в проводнике. При помещении проводника во внешнее постоянное электрическое поле в нем происходит перераспределение свободных зарядов, называемое электростатической индукцией (см. Ф-10, § 86).
Электрическое поле индуцированных (наведенных) зарядов достаточно быстро компенсирует внешнее поле. Напряженность поля внутри проводника становится равной нулю, заряды перестают двигаться направленно, ток прекращается. Для того чтобы ток существовал непрерывно, напряженность внешнего поля должна быть больше напряженности поля индуцированных зарядов. Это возможно, если скорость нарастания внешнего электрического поля превосходит скорость разделения индуцирован-
ных зарядов. Добиться увеличения напряженности внешнего электрического поля можно, подводя дополнительные заряды к проводнику извне. Эти заряды генерирует и подводит к проводнику источник тока.
Источник тока — устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.
Гальванический элемент. Разделение зарядов возможно в результате преобразования механической, тепловой, химической, световой энергий в электрическую. Так, в гальваническом элементе заряды на электродах оказываются разноименными за счет энергии химической реакции между электродами и электролитом.
В элементе Вольта в раствор серной кислоты (H2S04) погружены медный (Си) и цинковый (Zn) электроды. Отрицательные ионы SO|
, находящиеся в растворе вблизи электронейтральных медного и цинкового электродов, притягивают ионы Си2+ и Zn2+, располагающиеся в узлах кристаллической решетки (рис. 4, а). Энергия притяжения разноименных ионов превосходит энергию связи ионов Си2+ и Zn2+ в кристаллической решетке металлических электродов, поэтому эти ионы переходят в раствор.
Кинетическая энергия (Ek)Cu2+ ионов Си2+, переходящих в раствор, оказывается меньше кинетической энергии (Ek)Zn2+ ионов Zn2+, так как энергия связи ЕСи ионов меди Си2+ в кристаллической решетке превышает энергию связи EZn ионов Zn2+ (рис. 5):
где Е± — энергия ионов в растворе.
Чем больше положительных ионов переходит в раствор, тем большим становится по модулю отрицательный заряд электрода (рис. 4, б), что пре-
а)
О природе электрического тока и основах электротехники
В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.
1. Что такое электрический ток.
«Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам» (с)
Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.
1.2 Создание электрического тока.
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно. Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно. Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить. Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.
рис 1. Генератор напряжения величиной U
рис 2. Генератор тока величиной I
рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1
Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.
рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2
2. Закон Ома.
Сначала c точки зрения генератора напряжения
Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R Теперь с точки зрения генератора тока
Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R
рис 5. Последовательное включение резисторов
Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.
3. Делитель напряжения
Схема имеет вид.
рис 6. Делитель напряжения
Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.
Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).
Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.
рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.
Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.
Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.
Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!
В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.