Электрический ток
Изучение электрических явлений представляет собой одну из задач физики. Электротехника занимается использованием этих явлений для нужд промышленного производства и в быту, иными словами, ее область- техническое применение электрической энергии, в соответствие с чем технические расчеты составляют основное содержание всех разделов электротехники. По этой причине электрических явлений в курсе электротехники рассматриваются под несколько иным углом зрения, чем это делается в курсе физики.
Важнейшее электрическое явление- электрический ток. Как известно, он представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов, т.е. движение, имеющее преобладающее направление в пространстве. Носителями тока- заряженными частицами, движение которых создает электрический в металлах) электроны, а значительно реже(в жидкостях и газах) также и ионы. Напомним что в металлах длительное перемещение электронов в одном определенном направлении v накладывается на беспорядочное тепловое движение v.Таким образом, электрический ток в металлах создается дрейфом электронов.
Для возникновения тока необходимо наличие электрической цепи .Это- состоящий из проводников, замкнутый путь для тока, т.е. для направленного движения электрических зарядов. Для поддержания тока в цепи нужен источник электрической энергии. Он должен преобразовывать в электрической энергию какую-либо другую форму энергии. Механическую энергию первичных двигателей (паровых или гидравлических турбин и т.п.) в электрическую энергию на электростанциях преобразуют мощные электромашинные генераторы. Энергия химических процессов преобразуется в электрическую в менее мощных источниках электроэнергии- гальванических элементах и аккумуляторах. Тепло преобразуют непосредственно в электрическую энергию термоэлементы и разрабатываемые в настоящее время новые источники электроэнергии- магнитогидродинамические генераторы. Наконец, лучистую энергию преобразуют в электрическую фотоэлементы, широко используемые на искусственных спутниках Земли и космических межпланетных станциях.
Электрическая энергия, получаемая от источника, преобразуется в другие формы энергии в различных приемниках электроэнергии. Таким образом, основными частями простой электрической цепи служат источник электроэнергии Е приемник электроэнергии r и соединительные провода; для замыкания и размыкания цепи тока нужен выключатель (рубильник) К.
Чтобы припомнить основные явления, сопровождающие электрический ток, составим цепь из различных простейших приемников электроэнергии соединенных между собой последовательно, т.е. так, чтобы через них проходил один и тот же ток, поддерживаемый источником электроэнергии Е. Таким источником может служить батарее аккумуляторов или гальванических элементов. Рубильник 1 должен служить для замыкания и размыкания цепи, а для измерения силы тока в цепь последовательно со всеми приемниками энергии включен амперметр А.
После замыкания цепи, спустя некоторый промежуток времени, тонкая металлическая нить 2, нагревшись. Удлинится, провиснет и может начать светиться. Таким образом, в приемнике 2 происходит преобразование электрической энергии в тепло и лучистую энергию. Приемник 3 служит для наблюдения химического действия тока. Это электролитическая ванна- стеклянный сосуд, в котором на некотором расстоянии друг от друга установлены две медные пластины и налит электролит – раствор медного купороса. Электрический ток вызывает постепенное уменьшение одной пластины и увеличение другой- происходит перенос меди током через электролит. Согласно закону Фарадея количество м любого вещества, выделяющегося из раствора при прохождении тока, пропорционально количеству электричества q, прошедшему через электролит:
M=rq
Здесь r-электрохимический эквивалент выделяемого вещества. На основании наблюдения направления переноса металла током через электролит в прошлом веке ученые решили считать, что в электрической цепи ток проходит в направлении этого переноса. Зажим источника электрической энергий, от которого ток направляется во внешнюю цепь, был назван положительным полюсом и обозначен(+), а второй зажим источника получил соответственно название отрицательного полюса и был обозначен
(-). Когда же впоследствии было установлено, что в металлах носители тока- электроны движутся в направлении. Противоположным принятому направлению тока, то пришлось условиться считать заряд электронов отрицательным, т.е. принять, что электрический ток направлен в сторону, противоположную дрейфу электронов.
Приемник 4 служит для наблюдения электродинамического действия тока. С этой целью гибкий провод 4 закреплен в зажимах так, что образует узкую петлю. Когда цепь тока замкнута, то вследствие электродинамического отталкивания сторон петля существенно расширяется.
С помощью приемника 5 и магнитной стрелки 6 можно наблюдать электромагнитное действие тока. Когда ток проходит по обмотке электромагнита 5, его сердечник намагничивается и притягивается стальные опилки. Одновременная магнитная стрелка 6 становится перпендикулярно направлению провода. Таковы качественные наблюдения ряда простейших явлений в приемниках электрического тока.
Для количественной оценки тока служит понятие силы тока- количества электричества q, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Таким образом, если движение зарядов равномерно и за время t через поперечное сечение проводника переместилось количество электричества q, то постоянная сила тока в проводнике будет I=q/t, если же движение зарядов во времени неравномерно, то изменяющаяся сила тока будет:
i=dq/dt
Хотя сила тока определяется через количество электричества и время, тем не менее основной электрической единицей является единица силы тока, а не количества электричества. Причиной такого выбора основной единице послужило то обстоятельство, что в настоящее время силу тока измерять удобнее и самое измерение выполняется с большей точностью, чем измерение количества электричества.
Единица силы тока-ампер определяется на основании электродинамического взаимодействия проводников, по которым проходит ток. Ампер есть сила неизменяющегося тока, который,проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2*10 н/м. Фактический же ампер точно определяется при помощи ампер-весов. Это прибор, в котором электродинамические силы взаимодействия между проводниками конечных размеров (катушками) могут быть точно рассчитаны.
В системе МКСА (метр, килограмм, секунда, ампер), являющейся частью международной системы единиц СИ*, ампер является единственной основной электрической единицей. Все остальные единицы электрических величин являются производными, т.е. определяются через четыре основные единицы системы МКСА.
В частности, единица количества электричества, протекающее через поперечное сечение проводника в одну секунду при неизменяющейся силе тока в 1 а. Следовательно, 1 к= 1 а *сек.
Отрицательный заряд электрона е=16*10 к.Это элементарная, т.е. наименьшая возможная неделимая, частица электричества, как бы атом электричества.
Движение электричества в данной точке поверхности определяется плотность тока. В простейшем случае, когда поверхность перпендикулярна направлению тока, а ток I распределен по сечению S проводника равномерно, плотность тока
Но в общем случае плотность тока является вектором, направление которого совпадает с направлением движения положительно электрического заряда в данной точке.
