Постоянный ток
ила тока, плотность тока
Под электрическим током понимают упорядоченное движение заряженных частиц, причем за направление тока принимают направление движения положительных зарядов. Электрический ток существует при наличии свободных зарядов и электрического поля.
Такие условия для движения зарядов можно создать в вакууме (термоэлектронная эмиссия) и в различных средах, таких как твердые тела (металлы, полупроводники), жидкости (жидкие металлы, электролиты) и в газах. Носителями тока могут быть различные частицы, например, в металлах – свободные электроны, в газах – электроны и ионы и т.д.
Протекание тока по проводнику характеризует сила тока I, определяемая по формуле:
[I = \frac{dq}{dt}]Для постоянного тока величина I остается одинаковой и по модулю, и по направлению, что позволяет в формуле выбирать конечные значения заряда и времени:
[Q = It]Распределение тока по сечению проводника характеризует вектор плотности j, направление которого в каждой точке проводника совпадает с направлением тока, т.е. с направлением скорости упорядоченных положительных зарядов. Модуль вектора j определяется как:
[j = \frac{dI}{dS}]где dS – сила тока, протекающего в данной точке внутри проводника через элементарную площадку, расположенную перпендикулярно к направлению тока.
Угол между вектором j к элементарной площадке площадью S представляет интерес и может быть выражен через характеристики, описывающие движение свободных зарядов в проводнике.
Электрический ток в металле
В металлах валентные электроны образуют газ свободных частиц, заполняющих кристаллическую решетку положительно заряженных ионов.
При отсутствии электрического поля в проводнике свободные электроны участвуют только в тепловом движении, а при включении электрического поля у электронов появляется добавочная скорость, которая обеспечивает наличие тока в проводнике.
Средняя скорость направленного движения свободных электронов определяется формулой:
[v = \sqrt{\frac{2kT}{m}}]где k – постоянная Больцмана, m – масса электрона, T – температура.
Модуль средней скорости
Модуль средней скорости направленного движения свободных электронов в металле можно оценить как:
[v = \sqrt{\frac{2kT}{m}}]где e – заряд электрона, N – число заряженных частиц в объеме V.
Рисунок 6.1
Закон Ома для однородного участка цепи. Сопротивление проводников. Понятие о сверхпроводимости
Однородным участком электрической цепи называют участок, на котором направленное движение зарядов происходит под действием только кулоновских сил.
Закон Ома
Для однородного участка цепи с силой тока (I), текущего через него, разностью потенциалов (U) и сопротивлением (R) справедливо следующее соотношение:
[U = I \cdot R ]где (U) – разность потенциалов между начальной и конечной точками участка. Это соотношение позволяет определить единицу сопротивления – ом (Ом): 1 Ом – сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В течет постоянный ток 1 А.
Сопротивление однородного участка цепи
Сопротивление однородного участка проводника (R) характеризует его способность препятствовать прохождению электрического тока. Оно зависит от материала проводника, его геометрических размеров, формы, и температуры.
Для однородного линейного проводника с площадью поперечного сечения (S) и длиной (l) сопротивление определяется по формуле:
[R = \rho \cdot \frac{l}{S} ]где (\rho) – удельное электрическое сопротивление проводника.
Удельное сопротивление и температурные изменения
Удельное сопротивление обычно возрастает с повышением температуры. Температурный коэффициент сопротивления (TKS) определяет, насколько изменится удельное сопротивление при изменении температуры на 10°C:
[TKS = \frac{\Delta \rho}{\rho \cdot \Delta T} ]Для чистых металлов (TKS) положительно и примерно равно 1/273 K-1.
Таким образом, понимание закона Ома и свойств проводников позволяет эффективно управлять электрическими цепями и обеспечивать их надежную работу.
Сверхпроводимость металлов
Для многих металлов при определенной температуре Тс (ее называют температурой перехода в сверхпроводящее состояние, Тс ≤ 20 К) сопротивление металла R обращается в ноль (R = 0), металл при Т < Тс будет находиться в сверхпроводящем состоянии.
Отметим, что ТКС может уменьшаться с повышением температуры, что, например, наблюдается для растворов электролитов и для полупроводников и связано с увеличением в них концентрации свободных носителей заряда при повышении температуры.
Практическое использование сверхпроводящих материалов (в обмотках сверхпроводящих магнитов, в системах памяти ЭВМ и др.) затруднено из-за их низких критических температур. В настоящее время обнаружены и активно исследуются керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при температуре выше 100 К.
Источники тока. ЭДС источника тока. Напряжение. Закон Ома для неоднородного участка цепи
Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (предполагается что они положительные) от точек с бОльшим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля.
Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.
Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе – за счет механической энергии вращения ротора генератора и т.п.
Роль источника тока
Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток. Источник тока и потребители тока (сопротивление R) составляют замкнутую цепь.
Характеристики источника тока
Источник тока можно охарактеризовать сопротивлением r (сопротивление внутренней части цепи) и электродвижущей силой (ЭДС) ε – она определяет работу сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда в один кулон от отрицательного полюса к положительному.
Работа и мощность в электрической цепи
Изображение источника тока на схемах приведено на рис. 6.3,б. Нужно отметить, что выделение в электрической цепи отдельного участка, на котором действуют сторонние силы, не всегда возможно. Сторонние силы могут действовать на всех участках цепи. Например, ЭДС индукции возникает во всех точках проводящего контура, находящегося в переменном во времени магнитном поле. Участок цепи, где одновременно действуют сторонние и кулоновские силы, называют неоднородным участком цепи (рис.6.4). Работу кулоновских сил по перемещению электрического заряда на этом участке характеризует разность потенциалов, а работу сторонних сил – действующая на этом участке цепи ЭДС ε1,2.
Для неоднородного участка цепи вводится новая величина, называемая напряжением U1,2, она характеризует общую работу сторонних и кулоновских сил на неоднородном участке цепи при перемещении единичного положительного заряда:
U1,2 = ΔΦ1,2/Δq
На однородном участке цепи (E1,2=0) напряжение равно разности потенциалов:
U = ΔΦ/Δq
Для описания силового действия на помещенные в поле сторонних сил заряды (по аналогии с электростатическим полем) вводят его силовую характеристику – напряженность поля сторонних сил. Тогда формулы (6.7) и (6.8) можно представить в виде:
U = ΔΦ/Δq
ε = ΔΦε
Для ЭДС ε, действующей в замкнутой цепи, из выражения (6.9) получим ε = ∮εdl, где ε равна циркуляции вектора напряженности сторонних сил по произвольному замкнутому контуру. Это свидетельствует о том, что поле сторонних сил в отличие от электростатического поля, не является потенциальным.
Работа, мощность и тепловое действие постоянного тока
Рассмотрим участок цепи, не содержащий ЭДС (рис. 6.5). На этом участке приложена разность потенциалов, и идет ток I. За некоторый промежуток времени t через участок пройдет заряд q=It. При этом силы электрического поля совершат работу по переносу заряда q от точки с более высоким к точке с более низким потенциалом:
A = Uq
В соответствии с законом Ома (6.4) эту работу можно выразить через сопротивление участка R:
A = I^2Rt
Если на участке цепи находится источник тока (см.рис.6.4), то при переносе заряда q работу совершают как силы электрического поля, так и сторонние силы:
A = I^2Rt + εqt
Полная работа электрических сил в замкнутой цепи равна нулю, так как в одной части цепи ток течет по полю, а в другой части – против поля. Внутри источника тока работают сторонние силы; они разделяют заряды, создают электрическое поле и запасают энергию. Эта энергия расходуется во внешней цепи на поддержание в ней электрического тока. Поэтому, в конечном счете, в замкнутой цепи совершает работу только приложенная ЭДС. Мощность определяется работой, совершенной за единицу времени для участка цепи, для замкнутой цепи.
Мощность, выделяемая во внешней цепи,
Для поддержания в цепи постоянного тока необходимо совершать работу А; энергия электрического тока в проводнике непрерывно расходуется и переходит в другие формы энергии. Действительно, опыт показывает, что проводник, по которому течет ток, нагревается, и в нем выделяется некоторое количества тепла Q. Если при этом не возникает никаких других форм энергии (например, механической), то по закону сохранения энергии
. (6.10) Выражение (6.10) определяет количество теплоты, выделяемое при прохождении тока в проводнике. Его называют законом Джоуля-Ленца.
6.5. Законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме
Рассмотрим изотропный однородный проводник, в котором упо-рядоченное движение носителей тока происходит в направлении вектора
. Тогда направления векторов
совпадают. Выделим мысленно в окрестности некоторой точки проводника элементарный объем в виде цилиндра с образующими, параллельными векторам
(рис.6.6). Через поперечное сечение цилиндра течет ток силой jdS. Напряжение, приложенное к цилиндру, равно Edl, где
– напряженность поля в данной точке. Сопротивление цилиндра, согласно формуле (6.5), равно
. Подставив эти выражения в формулу (6.4) и учитывая, что для однородного проводника напряжение
Воспользовавшись тем, что векторы
имеют одинаковое направление, можно написать
(6.11) Обратная
называется удельной электрической проводимостью материала. Единицей
является сименс на метр (См/м). Введем удельную тепловую мощность W:
она определяет количество теплоты dQ, выделяемое в элементарном (бесконечно малом) объеме dV, расположенном вблизи точки, взятой внутри проводника, за малое время dt. Для рассматриваемого здесь вывода вместо элементарных значений dQ, dV, dt можно подставить их конечные значения Q, V, t и, используя закон Джоуля-Ленца (6.10), получим
(6.12) Формулы (6.11) и (6.12) представляют собой дифференциальную форму законов Ома и Джоуля-Ленца. В случае неоднородного участка цепи, когда в проводнике одновременно действуют сторонние и кулоновские силы, формулы (6.11) и (6.12) примут вид:
6.6. Правила Кирхгофа
Расчет разветвленных цепей значительно упрощается, если пользоваться правилами, сформулированными Кирхгофом. Этих правил два. Первое из них относится к узлам цепи. У з л о м называется точка, в которой сходится более чем два проводника (рис. 6.7). Ток, текущий к узлу, считается имеющим один знак (плюс или минус), текущий от узла – имеющий другой знак (минус или плюс).Первое правило Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:
(6.13) Например, для рис. 6.7 первое правило Кирхгофа запишется так:
. Уравнение (6.13) можно написать для каждого из N узлов цепи. Однако независимыми являются только N-1 уравнений, N-е будет следствием из них. Второе правило относится к любому выделенному в разветвленной цепи замкнутому контуру (см., например, контур 1-2-3-4-1 на рис.6.7). Зададимся направлением обхода (например, по часовой стрелке, как указано на рис.6.7) и применим к каждому из неразветвленных участков контура закон Ома:
При сложении этих выражений потенциалы сокращаются, и получится уравнение
Уравнение (6.14) может быть составлено для всех замкнутых контуров, которые можно выделить мысленно в данной разветвленной цепи. Однако независимыми будут только уравнения для тех контуров, которые нельзя получить наложением других контуров друг на друга. Так, например, для цепи, изображенной на рис.6.7, можно составить только три уравнения:
При расчете цепей по правилам Кирхгофа необходимо: 1) выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи; действительное направление токов определяется при решении задачи: если искомый ток получится положительным, то его направление было выбрано правильно, отрицательным – его истинное направление противоположно выбранному; 2) выбрать направление обхода контура и строго его придерживаться; произведение IR положительно, если ток на данном участке совпадает с направлением обхода, и наоборот, ЭДС, действующие по выбранному направлению обхода, считаются положительными, против – отрицательными; 3) составить столько уравнений, чтобы их число было равно числу искомых величин (в систему уравнений должны входить все сопротивления и ЭДС рассматриваемой цепи); каждый рассматриваемый контур должен содержать хотя бы один элемент, не содержащийся в предыдущих контурах, иначе получатся уравнения, являющиеся простой комбинацией уже составленных.
Роберт Эндрюс Милликен (1923 год)
Схема устройства. A — распылитель, B — электрическая батарея, C — переключатели, D — распылительная камера, G — ёмкость с моторным маслом, M и N — пластины конденсатора, между которыми создаётся электрическое поле, X — источник рентгеновских лучей, g — два окна, m — манометр, a — телескоп, а w и d — вода и раствор хлорида меди (II) для поглощения рентгеновских лучей на выходе
Схема устройства, использованного в опыте Милликена
Падение капель масла в воздухе определяется законом Стокса, то есть скорость падения, , обусловлена вязкостью среды (в данном случае воздуха). Эту скорость можно определить, разделив пройденную дистанцию на время падения .
Расчёты с каплями
На тело, подчиняющееся закону Стокса, действуют две силы: гравитационная и лобового сопротивления. В тот момент, когда обе силы уравниваются, ускорение тела становится равным нулю, а его скорость — постоянной
Силы, возникающие при подъёме капли масла под действием электрического поля
Милликен использовал закон Стокса, чтобы связать установившуюся скорость падения: капель масла с их электрическим зарядом . Джордж Габриель Стокс (1819—1903) определил силу трения сферических тел, падающих в вязкой среде со скоростью движения , которая представляет собой силу, противодействующую движению, и которая возрастает по мере увеличения скорости, размеров тела и вязкости среды. Уравнение для силы Стокса
Милликен внёс поправку в это уравнение, потому что его капли были очень маленькими, и соответствующее трение меньше, чем заданное по этому законом, поскольку в течение некоторого времени капли из-за своих малых размеров падают в вакууме. Уравнение Стокса верно для сфер размером более 0,1 см. Исправленная Милликеном формула принимает вид
Капли масла, наблюдаемые в телескопе
Движение капли вверх и вниз
Выделение константы из первого уравнения и замены в последнем приводит к
В случае падения без электрического поля и без учёта поправки к закону Стокса, сделанной Милликеном для упрощения этой демонстрации, можно получить массу капли и её радиус в зависимости от скорости падения , которая получается из пройденного расстояния и потраченного времени
Чтобы рассчитать массу , это выражение для радиуса можно заменить выражением, связывающим массу, плотность и объём
Теперь следует использовать формулу нагрузки
Величина элементарного заряда e
В выражении заряда Милликен также использовал соображение, что капля масла находится в воздухе, поэтому она испытывает восходящую тягу из-за принципа Архимеда, силы которого учитываются в кажущемся весе
Таким образом получается формула, данная Милликеном, при замене плотности масла для
Слева направо: В. Нернст, А. Эйнштейн, М. Планк, Р. А. Милликен и М. фон Лауэ в 1931 году
Экспериментальные данные Милликена 1912 года. Значения, опубликованные в 1913 году, и отброшенные значения
Эксперимент Милликена как пример психологических эффектов в научной методологии
Мы немало научились на собственном опыте, о том, как бороться с некоторыми способами, которыми мы сами себя обманываем. Один пример: Милликен измерил заряд электрона в эксперименте с падающими каплями масла и получил ответ, который, как мы теперь знаем, не совсем правильный. Он немного неточен потому, что Милликен использовал неверное значение вязкости воздуха. Интересно взглянуть на историю измерений заряда электрона после Милликена. Если вы изобразите их как функцию времени, вы обнаружите, что одно немного больше, чем у Милликена, следующее — немного больше прошлого, а следующий за ним — немного больше последнего, пока, наконец, они не успокоились, остановившись на числе, которое ещё больше.
Знаете ли вы, что тела могут приобретать электрический заряд? Это увлекательное явление, которое окружает нас каждый день, и понимание того, как оно работает, может открыть мир возможностей в области электроники. В этой статье мы представляем вам полное руководство по методам электрического заряда тел. От базовых основ до самых продвинутых техник — вы откроете для себя все, что вам нужно знать, чтобы овладеть этим навыком. Приготовьтесь исследовать вселенную токов и напряжений и разгадать тайны электрического заряда!
Методы электрического заряда тел
В области электроники часто встречаются ситуации, когда тело необходимо заряжать электрически. Это может быть полезно для различных приложений, таких как генерация статического электричества, притяжение и отталкивание объектов и другие.
Метод трения
Одним из простейших способов электрического заряда тела является трение. Этот процесс включает в себя трение двух объектов друг о друга, что вызывает перенос электронов от одного объекта к другому. Например, если потереть воздушный шарик о волосы, в нем может возникнуть статическое электричество.
Контактный метод
Другой распространенный метод электрического заряда тела — прямой контакт с другим заряженным телом. Когда два объекта вступают в контакт, электроны могут передаваться от одного к другому, что приводит к образованию электрического заряда. Например, если отрицательно заряженный объект прикоснется к незаряженному объекту, электроны могут перенести и зарядить второй объект.
Индукционный метод
Индукция — это метод, используемый для электрической зарядки тела без необходимости прямого контакта. В этом процессе заряженный объект приближается к незаряженному объекту, вызывая перераспределение электрических зарядов в незаряженном объекте. Это может привести к образованию электрического заряда на незаряженном объекте, хотя и без переноса электронов. Типичным примером этого метода является работа электроскопа.
Метод электрического тока
Электрический ток также можно использовать для электрического заряда тела. Это достигается путем подключения объекта к источнику напряжения, например аккумулятору или электрической розетке. Через объект протекает ток, в результате чего возникает электрический заряд. Этот метод широко используется при зарядке электронных устройств, таких как мобильные телефоны и ноутбуки.
Метод электростатического воздействия
Метод электростатического воздействия используется для электрического заряда тела за счет наличия электрического поля, создаваемого другим заряженным объектом.
Как действует электрический заряд
Методы электрического заряда тел: полное руководство
Электрический заряд — фундаментальное свойство материи, присутствующее во всех атомах. Он отвечает за электромагнитное взаимодействие и необходим для работы электронных устройств и систем связи. В этой статье мы собираемся изучить различные методы электрической зарядки тел и то, как работает этот процесс.
Что такое электрический заряд?
Электрический заряд — это внутреннее свойство субатомных частиц, таких как электроны и протоны. Он определяется как количество электричества, которое несет с собой частица. Существует два типа электрического заряда: положительный и отрицательный. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный заряд. Нейтроны не имеют электрического заряда.
Как тело заряжается электрически?
Существует несколько способов зарядить тело электрическим током. Некоторые из наиболее распространенных:
1. Трение. Этот метод предполагает трение двух объектов друг о друга, что вызывает перенос электронов от одного объекта к другому. Объект, который приобретает электроны, приобретает отрицательный заряд, а объект, который теряет электроны, приобретает положительный заряд.
2. Контакт. В этом методе электрически заряженное тело вступает в прямой контакт с нейтральным телом. Электроны передаются от одного тела к другому, в результате чего оба тела приобретают одинаковый заряд.
3. Индукция. Индукция — это метод, при котором электрически заряженное тело приближается к нейтральному проводнику, не вступая в прямой контакт. Это вызывает перераспределение электронов в проводнике, в результате чего на конце, ближайшем к заряженному телу, образуется противоположный заряд.
4. Поляризация. В этом методе нейтральное тело помещается во внешнее электрическое поле, что вызывает разделение положительных и отрицательных зарядов в теле. В результате на одном конце образуется положительный заряд, а на другом — отрицательный.
Почему важно заряжать тела электрическим током?
Электрический заряд необходим во многих приложениях в повседневной жизни и в современных технологиях.
Сколько видов электричества существует и какие они?
Сколько видов электричества существует и какие они?
Электричество — это форма энергии, которая присутствует во многих наших повседневных действиях. Существуют различные виды электричества, которые классифицируются в зависимости от их происхождения и свойств. В этой статье мы собираемся изучить различные виды электроэнергии и понять, как они генерируются и используются.
Статическое электричество: Статическое электричество возникает, когда в объекте наблюдается дисбаланс зарядов. Это происходит, когда электроны накапливаются в определенной области или переходят от одного объекта к другому. Статическое электричество может генерироваться посредством трения, индукции или воздействия.
Постоянный ток (постоянный ток): Постоянный ток — это постоянный поток электронов в определенном направлении. Он используется в электронных устройствах, таких как батареи и солнечные панели. Постоянный ток характеризуется наличием постоянного напряжения и фиксированной полярности.
Переменный ток (AC): Переменный ток – это поток электронов, который периодически меняет направление. Это тип электричества, которое используется в наших домах и в большинстве электрических сетей. Переменный ток характеризуется наличием переменной частоты и амплитуды.
Биоэлектрическое электричество: Биоэлектрическое электричество генерируется в живых организмах, включая человека. Он отвечает за передачу нервных сигналов и мышечные сокращения. Биоэлектрическое электричество производится в результате химических реакций в клетках и имеет важное значение для функционирования человеческого организма.
Электромагнитное электричество: Электромагнитное электричество производится посредством электромагнитных полей. Он используется в коммуникационных технологиях, таких как радио, телевидение и мобильные телефоны. Электромагнитное электричество генерируется в результате взаимодействия электрического и магнитного полей.
Фотоэлектрическое электричество: Фотоэлектрическое электричество генерируется путем преобразования солнечного света в электрическую энергию. Он используется в солнечных батареях для производства электроэнергии устойчивым и возобновляемым способом. Фотоэлектрическое электричество — это форма постоянного тока.
Итак, теперь вы знаете, как заряжать тела электрическим током! Теперь вы можете стать мастером электро-чарования и лишить всех дара речи своими электризующими навыками. Помните, всегда будьте осторожны с загрузками и не становитесь очередным электрическим супергероем, если только вы действительно этого не хотите! Было сказано, загружайтесь!
Общепринятое определение электрического тока настолько же лаконичное, насколько и бесполезное. Электрическим током принято называть направленное движение заряженных частиц. Бесполезность этого определения заключается в его чрезмерном обобщении абсолютно различных физических явлений. Движение электронов в электрических проводниках, ионов в жидкостях, движение заряженных частиц в ускорителях, молния во время грозы – всё это примеры направленного и упорядоченного движения заряженных частиц. Но всё это – абсолютно различные физические явления, которые невозможно описать единообразно.
Ситуация в физике с электрическим током подобна картине с городским транспортным потоком. Можно назвать транспортным потоком направленное движение транспорта. Можно даже научиться управлять транспортным потоком с помощью дорожных знаков и светофоров. Но при этом мы и близко не подойдем к пониманию причин возникновения этого транспортного потока. Наблюдая за движением машин и сигналами светофора, можно прийти к мысли, что движение машин обусловлено сигналами светофора. Красный сигнал светофора вызывает остановку машин, а зелёный сигнал приводит машины в движение. Но означает ли это, что причиной движения машин является определенный сигнал светофора?
Виды транспортных потоков, как и причины их возникновения, могут быть различны. В каких-то случаях на дорогах появляются гоночные автомобили. Причина и цель их появления совсем иная. Их движение подчиняется совсем иным правилам. В какой-то момент на дороге оказывается военная техника, идущая на парад. У неё своя причина появления, и свои законы движения. Ну и, конечно же, есть свои особенности движение в зависимости от типа дороги – асфальтовое покрытие или грунтовая дорога.
Вот так же и с электрическим током. Ток току рознь.
Поэтому в данной публикации я ограничусь рассмотрением постоянного электрического тока в металлах.
В публикации «Неожиданно для себя я осознал, что не понимаю, что такое электрический ток» я обратил внимание читателей на некоторые свойства тока, которые не согласуются с общепринятой моделью этого физического явления. Я высказал сомнения по поводу того, что электрический ток в металлах можно рассматривать как движение электронного газа, что направленное движение электронов в проводниках обусловлено внешним электрическим полем.
В настоящей публикации я хочу обратить внимание на другой аспект электрического тока, а именно – на скорость направленного движения электронов.
В публикации «Какова скорость электрического тока? Когда загорится лампочка?» обсуждался вопрос о том, что скорость передачи взаимодействия в проводнике может быть близка к скорости света в вакууме. Но при этом сами электроны имеют очень небольшую скорость направленного движения вдоль проводника. Эта скорость составляет несколько миллиметров в секунду. Конечно, при замыкании электрической цепи ток по этой цепи передается практически мгновенно и практически одновременно возникает по всей длине проводника. Но сами носители заряда движутся вдоль проводника очень медленно. При этом сила тока в проводнике определяется не скоростью движения электронов, а их количеством. Таково мнение современной физики.
То есть, для перемещения электрона вдоль проводника с током длиной около 10 сантиметров потребуется почти минута. Запомним это.
При обсуждении упомянутой публикации некоторые комментаторы указали на то, что причина электрического тока в проводнике заключается в разной плотности электрического заряда на противоположных концах проводника. То есть, если на одном конце проводника создать избыток электронов, а на другом конце проводника создать недостаток электронов, то в этом проводнике начнет течь электрический ток (рисунок 1). Так ли это? У меня есть некоторые сомнения по этому поводу.
Этот момент требуется обсудить более подробно, чтобы меня не обвинили в незнании основ электростатики. Разумеется, что в проводнике на рисунке 1 возникнет направленное упорядоченное движение электронов. Оно будет продолжаться до тех пор, пока не выровняется электрический потенциал по всей длине проводника.
Это обусловлено тем, что в соответствии с законами электростатики поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью, то есть имеет один и тот же потенциал в любой точке. Поэтому, если в проводнике создать неравновесное распределение заряда, то этот заряд будет перераспределяться в проводнике до тех пор, пока поверхность проводника не станет эквипотенциальной.
Следует отметить, что если проводнику передается некий дополнительный заряд, то в соответствии с законами электростатики этот заряд располагается на поверхности этого проводника.
Ситуация не изменится, если в проводнике создать избыток электронов только на одном конце проводника (рисунок 2).
В этом случае электроны также начнут двигаться к противоположному концу проводника до тех тор, пока потенциал поверхности не выровняется. Разумеется, что это направленное движение электронов можно назвать электрическим током. Но аналогичен ли этот ток постоянному электрическому току, возникающему в электрической цепи от источника питания?
Для ответа на этот вопрос я предлагаю рассмотреть известный со школьных времен прибор, который называется электроскоп.
Электроско́п (от греческого слова «электрон» и skopeo – наблюдать, обнаруживать) — прибор для индикации наличия электрического заряда. Это простейший прибор для обнаружения электрических зарядов и приблизительного определения их величины.
Принцип действия электроскопа основан на том, что на одноименно заряженные тела действуют силы взаимного отталкивания.
Один из вариантов простейшего электроскопа состоит из металлического стержня —электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги или бумаги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги (бумаги), листочки оказываются одноименно заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.https://ru.wikipedia.org/wiki/Электроскоп
Рассмотрим работу электроскопа. Если взять отрицательно заряженную палочку и прикоснуться к стержню электроскопа, то он получит некоторую порцию электронов. Эти электроны начнут двигаться к противоположному концу стержня, аналогично тому, как приведено на рисунке 2. Когда электроны достигнут лепестков электроскопа, то эти лепестки начнут отталкиваться.
Зададим два вопроса:
1. С какой скоростью двигаются электроны по стержню?
2. Через какое время после передачи заряда раздвинутся лепестки, если длина стержня около 10 сантиметров?
Для наглядности приведу ссылку на видео из YouTube, в котором демонстрируется работа электроскопа. https://www.youtube.com/watch?v=UqlQmupsHPk&t=5s
Попробуйте оценить время, через которое лепестки электроскопа начнут отталкиваться после прикосновения к стержню электроскопа заряженной палочкой.
Это происходит практически мгновенно. Это, в свою очередь, означает, что скорость движения электронов по металлическому стержню очень высокая.
Как же это согласуется с предыдущим утверждением, что скорость движения электронов по проводнику с электрическим током составляет несколько миллиметров в секунду? Никак.
Приведенный пример показывает только одно – наши знания о природе электрического тока не достаточно полные, наше понимание этого сложного явления далеко от истины.
Закон Кулона
Закон Кулона — это один из основных законов электростатики. Он определяет величину и направление силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.
Под точечным зарядом понимают заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного воздействия на другие тела. В таком случае ни форма, ни размеры заряженных тел не влияют практически на взаимодействие между ними.
Закон Кулона экспериментально впервые был доказан приблизительно в 1773 г. Кавендишем, который использовал для этого сферический конденсатор. Он показал, что внутри заряженной сферы электрическое поле отсутствует. Это означало, что сила электростатического взаимодействия меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, однако результаты Кавендиша не были опубликованы.
В 1785 г. закон был установлен Ш. О. Кулоном с помощью специальных крутильных весов.
Опыты Кулона позволили установить закон, поразительно напоминающий закон всемирного тяготения.
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
В аналитическом виде закон Кулона имеет вид:
Сила взаимодействия между зарядами зависит также от среды между заряженными телами.
В воздухе сила взаимодействия почти не отличается от таковой в вакууме. Закон Кулона выражает взаимодействие зарядов в вакууме.
Кулон — единица электрического заряда. Кулон (Кл) — единица СИ количества электричества (электрического заряда). Она является производной единицей и определяется через единицу силы тока 1 ампер (А), которая входит в число основных единиц СИ.
За единицу электрического заряда принимают заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока $1$А за $1$с.
То есть $1$ Кл$= 1А·с$.
Заряд в $1$ Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по $1$ Кл каждый, расположенных на расстоянии $1$ км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой $1$ т. Сообщить такой заряд небольшому телу невозможно (отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не могут удержаться в теле). А вот в проводнике (который в целом электронейтрален) привести в движение такой заряд просто (ток в $1$ А вполне обычный ток, протекающий по проводам в наших квартирах).
Коэффициент $k$ в законе Кулона при его записи в СИ выражается в $Н · м^2$ / $Кл^2$. Его численное значение, определенное экспериментально по силе взаимодействия двух известных зарядов, находящихся на заданном расстоянии, составляет:
Электрическая емкость конденсатора
Электроемкостью проводника $С$ называют численную величину заряда, которую нужно сообщить проводнику, чтобы изменить его потенциал на единицу:
Емкость характеризует способность проводника накапливать заряд. Она зависит от формы проводника, его линейных размеров и свойств среды, окружающей проводник.
Единицей емкости в СИ является фарада ($Ф$) — емкость проводника, в котором изменение заряда на $1$ кулон меняет его потенциал на $1$ вольт.
Электрический конденсатор
Электрический конденсатор (от лат. condensare, буквально сгущать, уплотнять) — устройство, предназначенное для получения электрической емкости заданной величины, способное накапливать и отдавать (перераспределять) электрические заряды.
Конденсатор — это система из двух или нескольких равномерно заряженных проводников с равными по величине зарядами, разделенных слоем диэлектрика. Проводники называются обкладками конденсатора. Как правило, расстояние между обкладками, равное толщине диэлектрика, намного меньше размеров самих обкладок, так что поле в конденсаторе практически все сосредоточено между его обкладками. Если обкладки являются плоскими пластинами, поле между ними однородно. Электроемкость плоского конденсатора определяется по формуле:
Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из пластин.
Энергия поля конденсатора
Энергия заряженного конденсатора выражается формулами
которые выводятся с учетом выражений для связи работы и напряжения и для емкости плоского конденсатора.
Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии электрического поля (энергия поля в единице объема) напряженностью $Е$ выражается формулой:
где $ε$ — диэлектрическая проницаемость среды, $ε_0$ — электрическая постоянная.
Напряженность электрического поля
Напряженность электрического поля — векторная характеристика поля, сила, действующая на единичный покоящийся в данной системе отсчета электрический заряд.
Напряженность определяется по формуле:
Единицей напряженности в СИ является вольт на метр (В/м).
Напряженность поля точечного заряда. Согласно закону Кулона, точечный заряд $q_0$ действует на другой заряд $q$ с силой, равной
Модуль напряженности поля точечного заряда $q_0$ на расстоянии $r$ от него равен
Вектор напряженности в любой точке электрического поля направлен вдоль прямой, соединяющей эту точку и заряд.
Силовые линии электрического поля
Электрическое поле в пространстве принято представлять силовыми линиями. Понятие о силовых линиях ввел М. Фарадей при исследовании магнетизма. Затем это понятие было развито Дж. Максвеллом в исследованиях по электромагнетизму.
Силовая линия, или линия напряженности электрического поля, — это линия, касательная к которой в каждой ее точке совпадает с направлением силы, действующей на положительный точечный заряд, находящийся в этой точке поля.
Линии напряженности положительно заряженного шарика;
Линии напряженности двух разноименно заряженных шариков;
Линии напряженности двух одноименно заряженных шариков
Линии напряженности двух пластин, заряженных разными по знаку, но одинаковыми по абсолютной величине зарядами.
Линии напряженности на последнем рисунке почти параллельны в пространстве между пластинами, и плотность их одинакова. Это говорит о том, что поле в этой области пространства однородно. Однородным называется электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках пространства.
В электростатическом поле силовые линии не замкнуты, они всегда начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Они нигде не пересекаются, пересечение силовых линий говорило бы о неопределенности направления напряженности поля в точке пересечения. Плотность силовых линий больше вблизи заряженных тел, где напряженность поля больше.
Поле заряженного шара. Напряженность поля заряженного проводящего шара на расстоянии от центра шара, превышающем его радиус $r≥R$, определяется по той же формуле, что и поля точечного заряда. Об этом свидетельствует распределение силовых линий, аналогичное распределению линий напряженности точечного заряда.
Заряд шара распределен равномерно по его поверхности. Внутри проводящего шара напряженность поля равна нулю.