Подписаться

Электрический ток

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:20:21 Править
поток электрического заряда

Электрический ток
Ohm's Law with Voltage source TeX.svg Простая электрическая цепь, в которой ток обозначается буквой i. Соотношение между напряжением (V), сопротивлением (R) и током (I) V = IR; это известно как закон Ома.
Общие символыI
единица СИ ампер
Производные от. других величинI = VR, I = Q t {\ displaystyle I = { V \ over R}, I = {Q \ over t}}{\ displaystyle I = {V \ over R}, I = {Q \ over t}}
Размер I {\ displaystyle {\ mathsf {I}}}{\ displaystyle {\ mathsf {I}}}

электрический ток представляет собой поток заряженные частицы, такие как электроны или ионы, движущиеся через электрический провод или пространство. Он измеряется как чистая скорость потока электрического заряда через область. Движущиеся частицы называются носителями заряда, которые могут быть одним из нескольких типов частиц, в зависимости от проводника. В электрических цепях носителями заряда часто являются электроны, движущиеся через провод . В полупроводниках они могут быть электронами или дырками. В электролите носителями заряда являются ионы, а в плазме, ионизированном газе, электрический ток формируется как электронами, так и ионами.

Единица измерения электрического тока SI - это ампер, или ампер, который представляет собой поток электрического заряда через поверхность со скоростью один кулон в секунду.. Ампер (символ: A) - это базовая единица СИ. Электрический ток измеряется с помощью устройства, называемого амперметр.

. Электрические токи создают магнитные поля, которые используются в двигателях, генераторах, индукторы и трансформаторы. В обычных проводниках они вызывают джоулева нагрев, который создает свет в лампах накаливания. Изменяющиеся во времени токи излучают электромагнитные волны, которые используются в телекоммуникациях для передачи информации.

Содержание

  • 1 Символ
  • 2 Условные обозначения
    • 2.1 Контрольное направление
  • 3 закона Ома
  • 4 переменного и постоянного тока
  • 5 Появления
  • 6 Измерение тока
  • 7 Резистивный нагрев
  • 8 Электромагнетизм
    • 8.1 Электромагнит
    • 8.2 Электромагнитная индукция
    • 8.3 Радиоволны
  • 9 Механизмы проводимости в различных средах
    • 9.1 Металлы
    • 9.2 Электролиты
    • 9.3 Газы и плазма
    • 9,4 Вакуум
    • 9,5 Сверхпроводимость
    • 9,6 Полупроводник
  • 10 Плотность тока и закон Ома
  • 11 Скорость дрейфа
  • 12 См. Также
  • 13 Примечания
  • 14 Ссылки

Символ

Традиционным обозначением тока является I, которое происходит от французского выражения «интенсивность тока» (интенсивность тока). Сила тока часто обозначается просто как ток. Символ I был использован Андре-Мари Ампером, в честь которого названа единица электрического тока, при формулировке закона силы Ампера (1820). Обозначения распространились из Франции в Великобританию, где они стали стандартом, хотя по крайней мере в одном журнале не меняли с C на I до 1896 года.

Условные обозначения

электроны, носители заряда в электрической цепи движутся в направлении, противоположном обычному электрическому току. Символ для батареи на схеме .

в проводящий материал, движущиеся заряженные частицы, составляющие электрический ток, называются носителями заряда. В металлах, составляющих провода и другие проводники в большинстве электрических цепей, положительно заряженные атомные ядра атомов удерживаются в фиксированном положении, а отрицательно заряженные электроны - носители заряда, свободно перемещающиеся в металле. В других материалах, особенно в полупроводниках, носители заряда могут быть положительными или отрицательными, в зависимости от используемой легирующей примеси. Положительные и отрицательные носители заряда могут даже присутствовать одновременно, как это происходит в электролите в электрохимической ячейке.

Поток положительных зарядов дает одинаковый электрический ток и имеет одинаковые эффект в цепи, как равный поток отрицательных зарядов в обратном направлении. Поскольку ток может быть потоком либо положительных, либо отрицательных зарядов, либо того и другого, необходимо соглашение о направлении тока, которое не зависит от типа носителей заряда. Направление обычного тока произвольно определяется как направление, в котором текут положительные заряды. Отрицательно заряженные носители, такие как электроны (носители заряда в металлических проводах и многих других компонентах электронных схем), поэтому текут в направлении, противоположном обычному течению тока в электрической цепи.

Контрольное направление

Как тока в проводе или элемент схемы может течь в обоих направлениях, то направление, представляющий положительный ток должен быть определен, как правило, стрелкой на схема принципиальная схема. Это называется опорным направлением тока. При анализе электрических цепей фактическое направление тока через конкретный элемент схемы обычно неизвестно, пока анализ не будет завершен. Следовательно, эталонные направления токов часто назначаются произвольно. Когда решается схема, отрицательное значение для тока означает фактическое направление тока через этот цепи элемента, противоположном выбранному опорного направления.

Закон Ома

Закон гласит Ома, что ток через проводник между двумя точками прямо пропорционален разности потенциалов между двумя точками. Вводя константу пропорциональности, сопротивление, мы приходим к обычному математическому уравнению, описывающему эту взаимосвязь:

I = VR {\ displaystyle I = {\ frac {V} {R}}}I = {\ frac {V} {R}}

где I - ток через проводник в единицах ампер, V - разность потенциалов, измеренная на проводнике в единицах вольт, а R - сопротивление проводника в единицах Ом. В частности, закон Ома гласит, что R в этом отношении является постоянным, независимо от тока.

Переменный и постоянный ток

В системах переменного тока (AC) движение электрический заряд периодически меняет направление. Переменный ток - это форма электроэнергии, которая чаще всего подается на предприятия и жилые дома. Обычная форма сигнала цепи переменного тока представляет собой синусоидальную волну, хотя в некоторых приложениях используются альтернативные формы сигнала, такие как треугольник или прямоугольные волны. Звуковые и радио сигналы, передаваемые по электрическим проводам, также являются примерами переменного тока. Важной целью в этих приложениях является восстановление информации, закодированной (или модулированной ), в сигнал переменного тока.

Напротив, постоянный ток (DC) относится к системе, в которой электрический заряд движется только в одном направлении (иногда называемый однонаправленным потоком). Постоянный ток вырабатывается такими источниками, как батареи, термопары, солнечные элементы и коммутаторные электрические машины типа . тип динамо. Переменный ток также можно преобразовать в постоянный с помощью выпрямителя . Постоянный ток может течь в проводнике, таком как провод, но также может течь через полупроводники, изоляторы или даже через вакуум как в электронных или ионных пучках. старым названием для постоянного тока был гальванический ток.

Возникновения

Естественные наблюдаемые примеры электрического тока включают молнию, статический электрический разряд, и солнечный ветер, источник полярных сияний.

Искусственные явления электрического тока включают поток электронов проводимости в металлических проводах, таких как воздушные линии электропередач, которые доставляет электрическую энергию на большие расстояния и по проводам меньшего размера в электрическом и электронном оборудовании. Вихревые токи - это электрические токи, возникающие в проводниках, подверженных воздействию изменяющихся магнитных полей. Аналогичным образом возникают электрические токи, в частности, на поверхности проводников, подверженных воздействию электромагнитных волн. Когда колеблющиеся электрические токи протекают с правильными напряжениями внутри радиоантенн, генерируются радиоволны.

В электронике другие формы электрического тока включают поток электронов через резисторы или через вакуум в вакуумной трубке, поток ионов внутри батареи или нейрона, и поток отверстий в металлах и полупроводниках.

Измерение тока

Ток можно измерить с помощью амперметра.

Электрический ток можно напрямую измерить с помощью гальванометра, но этот метод включает разрыв электрической цепи, что иногда бывает неудобно.

Ток также можно измерить без разрыва цепи, обнаружив магнитное поле, связанное с током. Устройства на уровне схемы используют различные методы для измерения тока:

Резистивный нагрев

Джоулев нагрев, также известный как омический нагрев и резистивный нагрев, представляет собой процесс питания диссипация, посредством которой прохождение электрического тока через проводник увеличивает внутреннюю энергию проводника, преобразовывая термодинамическую работу в тепло. Это явление было впервые изучено Джеймсом Прескоттом Джоулем в 1841 году. Джоуль погрузил кусок проволоки в фиксированную массу из воды и измерил температуру из-за известного тока через провод в течение периода 30 минут. Варьируя ток и длину провода, он пришел к выводу, что выделяемое тепло было пропорционально квадрату тока, умноженному на электрическое сопротивление провода..

P ∝ I 2 R {\ displaystyle P \ propto I ^ {2} R}{\ displaystyle P \ propto I ^ {2} R}

Эта связь известна как закон Джоуля. единица СИ энергии впоследствии была названа джоуль и получила символ J. Общеизвестная единица измерения мощности в СИ, ватт (символ: W), эквивалентно одному джоулю в секунду.

Электромагнетизм

Электромагнит

Магнитное поле создается электрическим током в соленоиде.

В электромагните a катушка проводов ведет себя как магнит, когда через нее протекает электрический ток. Когда ток отключается, катушка сразу теряет свой магнетизм. Электрический ток создает магнитное поле. Магнитное поле можно визуализировать как узор из круговых силовых линий, окружающих провод, которые сохраняются, пока есть ток.

Электромагнитная индукция

Переменный электрический ток течет через соленоид, создавая изменяющееся магнитное поле. Это поле заставляет электрический ток течь по проволочной петле за счет электромагнитной индукции.

Магнитные поля также могут использоваться для создания электрических токов. Когда к проводнику прикладывают изменяющееся магнитное поле, индуцируется электродвижущая сила 363 (ЭДС), которая запускает электрический ток, когда есть подходящий путь.

Радиоволны

Когда электрический ток течет в проводнике подходящей формы на радиочастотах, радиоволны могут быть генерируется. Они движутся со скоростью скорости света и могут вызывать электрические токи в далеких проводниках.

Механизмы проводимости в различных средах

В металлических твердых телах электрический заряд перемещается с помощью электронов от более низкого к более высокому электрическому потенциалу. В других средах любой поток заряженных объектов (например, ионов) может составлять электрический ток. Чтобы обеспечить определение тока независимо от типа носителей заряда, обычный ток определяется как движущийся в том же направлении, что и поток положительного заряда. Итак, в металлах, где носители заряда (электроны) отрицательны, обычный ток имеет направление, противоположное общему движению электронов. В проводниках с положительными носителями заряда обычный ток направлен в том же направлении, что и носители заряда.

В вакууме может формироваться пучок ионов или электронов. В других проводящих материалах электрический ток возникает из-за потока как положительно, так и отрицательно заряженных частиц одновременно. В третьих, ток полностью обусловлен потоком положительного заряда. Например, электрические токи в электролитах представляют собой потоки положительно и отрицательно заряженных ионов. В обычном свинцово-кислотном электрохимическом элементе электрические токи состоят из положительных ионов гидроксония, текущих в одном направлении, и отрицательных ионов сульфата, текущих в другом. Электрические токи в искрах или плазме представляют собой потоки электронов, а также положительных и отрицательных ионов. Во льду и в некоторых твердых электролитах электрический ток полностью состоит из протекающих ионов.

Металлы

В металле некоторые внешние электроны в каждом атоме не связаны с отдельным атомом, как в изоляционных материалах, но могут свободно перемещаться внутри металлической решетки. Эти электроны проводимости могут служить носителями заряда, несущими ток. Металлы обладают особой проводимостью, потому что таких свободных электронов много, обычно по одному на атом в решетке. Без приложения внешнего электрического поля эти электроны перемещаются случайным образом из-за тепловой энергии, но в среднем в металле отсутствует чистый ток. При комнатной температуре средняя скорость этих случайных движений составляет 10 метров в секунду. Учитывая поверхность, через которую проходит металлический провод, электроны движутся в обоих направлениях по поверхности с одинаковой скоростью. Как писал Джордж Гамов в своей научно-популярной книге Один, два, три... Бесконечность (1947), «металлические вещества отличаются от всех других материалов. тем фактом, что внешние оболочки их атомов связаны довольно слабо и часто позволяют одному из своих электронов выходить на свободу. Таким образом, внутренняя часть металла заполнена большим количеством непривязанных электронов, которые бесцельно перемещаются вокруг, как толпа перемещенных Когда на металлическую проволоку действует электрическая сила, приложенная к ее противоположным концам, эти свободные электроны устремляются в направлении силы, образуя то, что мы называем электрическим током ».

Когда металлический провод подключается к двум клеммам DC источника напряжения, такого как аккумулятор, источник создает электрическое поле по проводнику. В момент контакта свободные электроны проводника под действием этого поля вынуждены дрейфовать к положительному полюсу . Следовательно, свободные электроны являются носителем заряда в типичном твердом проводнике.

Для устойчивого потока заряда через поверхность ток I (в амперах) можно рассчитать по следующему уравнению:

I = Q t, {\ displaystyle I = {Q \ over t} \,,}I = {Q \ over t} \,,

где Q - электрический заряд, переносимый через поверхность за время t. Если Q и t измеряются в кулонах и секундах соответственно, I выражается в амперах.

В более общем смысле электрический ток можно представить как скорость, с которой заряд протекает через заданную поверхность, как:

I = d Q d t. {\ displaystyle I = {\ frac {\ mathrm {d} Q} {\ mathrm {d} t}} \,.}I = {\ frac {\ mathrm {d} Q} {\ mathrm {d} t}} \,.

Электролиты

A протонный проводник в статическом электрическом поле.

Электрические токи в электролитах представляют собой потоки электрически заряженных частиц (ионов ). Например, если электрическое поле помещается на раствор Na и Cl (и условия правильные), ионы натрия движутся к отрицательному электроду (катоду), а ионы хлора двигайтесь к положительному электроду (аноду). На обеих поверхностях электродов происходят реакции, нейтрализующие каждый ион.

Водяной лед и некоторые твердые электролиты, называемые протонными проводниками, содержат положительные ионы водорода («протоны »), которые являются подвижными. В этих материалах электрические токи состоят из движущихся протонов, в отличие от движущихся электронов в металлах.

В некоторых смесях электролитов ярко окрашенные ионы являются движущимися электрическими зарядами. Медленное изменение цвета делает ток видимым.

Газы и плазма

В воздухе и других обычных газах ниже поля пробоя основным источником электропроводности является с помощью относительно небольшого количества подвижных ионов, производимых радиоактивными газами, ультрафиолетовым светом или космическими лучами. Поскольку электропроводность низкая, газы представляют собой диэлектрики или изоляторы. Однако, как только приложенное электрическое поле приближается к значению пробой, свободные электроны становятся достаточно ускоренными электрическим полем для создания дополнительных свободных электронов путем столкновения и ионизации, атомы или молекулы нейтрального газа в процессе, называемом лавинным пробоем. В процессе пробоя образуется плазма, которая содержит достаточно подвижных электронов и положительных ионов, чтобы сделать ее электрическим проводником. В процессе он образует светоизлучающий проводящий путь, такой как искра, дуга или молния.

Плазма - это состояние вещества, в котором некоторые из электроны в газе отщепляются или «ионизируются» их молекулами или атомами. Плазма может быть образована посредством высокой температуры или путем приложения сильного электрического или переменного магнитного поля, как указано выше. Из-за своей меньшей массы электроны в плазме ускоряются быстрее в ответ на электрическое поле, чем более тяжелые положительные ионы, и, следовательно, переносят основную часть тока. Свободные ионы рекомбинируют, чтобы создать новые химические соединения (например, расщепляя атмосферный кислород на единственный кислород [O 2 → 2O], который затем рекомбинирует, создавая озон [O3]).

Вакуум

Поскольку «идеальный вакуум » не содержит заряженных частиц, он обычно ведет себя как идеальный изолятор. Однако поверхности металлических электродов могут привести к тому, что область вакуума станет проводящей, инжектируя свободные электроны или ионы посредством либо автоэлектронной эмиссии, либо термоэлектронной эмиссии. Термионная эмиссия возникает, когда тепловая энергия превышает работу выхода металла , тогда как полевая электронная эмиссия возникает, когда электрическое поле на поверхности металла достаточно велико, чтобы вызвать туннелирование, что приводит к выбросу свободных электронов из металла в вакуум. Электроды с внешним нагревом часто используются для создания электронного облака, как в нити, или косвенно нагреваемого катода в электронных ламп. Холодные электроды также могут спонтанно создавать электронные облака посредством термоэлектронной эмиссии, когда образуются небольшие области накаливания (называемые катодными пятнами или анодными пятнами). Это раскаленные области поверхности электрода, которые создаются локализованным сильным током. Эти области могут быть инициированы автоэлектронной эмиссией, но затем поддерживаются локализованной термоэлектронной эмиссией, когда образуется вакуумная дуга. Эти небольшие области, излучающие электроны, могут образовываться довольно быстро, даже со взрывом, на поверхности металла, подвергающейся воздействию сильного электрического поля. Вакуумные лампы и спритроны - это некоторые из электронных переключающих и усилительных устройств, основанных на вакуумной проводимости.

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость - это явление точно нулевого электрического сопротивления и выброса магнитных полей, возникающих в определенных материалах при охлаждении ниже характеристической критической температуры. Он был обнаружен Хайке Камерлинг-Оннес 8 апреля 1911 года в Лейдене. Подобно ферромагнетизму и атомным спектральным линиям, сверхпроводимость является квантово-механическим явлением. Он характеризуется эффектом Мейснера, полным выбросом силовых линий из внутренней части сверхпроводника, когда он переходит в сверхпроводящее состояние. Возникновение эффекта Мейснера указывает на то, что сверхпроводимость нельзя понимать просто как идеализацию идеальной проводимости в классической физике.

Полупроводник

В полупроводнике иногда полезно думать о токе, как о потоке положительных «дырок » (подвижных носителей положительного заряда, которые являются местами, где в кристалле полупроводника отсутствует валентный электрон). Так обстоит дело в полупроводнике p-типа. Полупроводник имеет электрическую проводимость, промежуточную по величине между проводимостью проводника и изолятором. Это означает проводимость примерно в диапазоне от 10 до 10 сименс на сантиметр (См · см).

В классических кристаллических полупроводниках электроны могут иметь энергию только в определенных диапазонах (т.е. диапазонах уровней энергии). Энергетически эти зоны расположены между энергией основного состояния, состоянием, в котором электроны прочно связаны с атомными ядрами материала, и энергией свободного электрона, последняя описывает энергию, необходимую для того, чтобы электрон полностью покинул среду. материал. Каждая энергетическая зона соответствует множеству дискретных квантовых состояний электронов, и большинство состояний с низкой энергией (ближе к ядру) заняты, вплоть до определенной зоны, называемой валентной зоной. Полупроводники и изоляторы отличаются от металлов, потому что валентная зона в любом конкретном металле почти заполнена электронами при обычных условиях эксплуатации, в то время как очень мало (полупроводник) или практически отсутствует (изолятор) из них доступны в проводимости. band, группа, расположенная непосредственно над валентной полосой.

Легкость возбуждения электронов в полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости зависит от запрещенной зоны между зонами. Размер этой запрещенной зоны служит произвольной линией раздела (примерно 4 эВ ) между полупроводниками и изоляторами.

С ковалентными связями электрон перемещается, перескакивая на соседнюю связь. Принцип исключения Паули требует, чтобы электрон был поднят в более высокое антисвязывающее состояние этой связи. Для делокализованных состояний, например в одном измерении, то есть в нанопроволоке, для каждой энергии существует состояние с электронами, текущими в одном направлении, и другое состояние с электронами, текущими в другом. Для протекания чистого тока должно быть занято больше состояний для одного направления, чем для другого направления. Для этого требуется энергия, так как в полупроводнике следующие более высокие состояния лежат выше запрещенной зоны. Часто это указывается так: полные полосы не влияют на электропроводность. Однако, когда температура полупроводника поднимается выше абсолютного нуля, в полупроводнике появляется больше энергии, которая тратится на колебания решетки и на возбуждение электронов в зоне проводимости. Электроны с током в зоне проводимости известны как свободные электроны, хотя их часто просто называют электронами, если это понятно из контекста.

Плотность тока и закон Ома

Плотность тока - это скорость, с которой заряд проходит через выбранную единицу площади. Он определяется как вектор , величина которого представляет собой ток на единицу площади поперечного сечения. Как обсуждалось в Контрольное направление, направление является произвольным. Обычно, если движущиеся заряды положительны, то плотность тока имеет тот же знак, что и скорость зарядов. Для отрицательных зарядов знак плотности тока противоположен скорости заряда. В единицах СИ плотность тока (символ: j) выражается в основных единицах СИ - амперах на квадратный метр.

В линейных материалах, таких как металлы, и при низких частотах ток плотность по поверхности проводника одинакова. В таких условиях закон Ома гласит, что ток прямо пропорционален разности потенциалов между двумя концами (поперек) этого металлического (идеального) резистора (или другого омического устройства ):

I = VR, {\ displaystyle I = {V \ over R} \,,}I = {V \ over R} \,,

где I {\ displaystyle I}I - ток, измеряется в амперах; V {\ displaystyle V}V - разность потенциалов, измеренная в вольтах ; и R {\ displaystyle R}R- сопротивление, измеренное в Ом. Для переменных токов, особенно на более высоких частотах, скин-эффект вызывает неравномерное распространение тока по поперечному сечению проводника с более высокой плотностью у поверхности, таким образом увеличивая кажущееся сопротивление.

Скорость дрейфа

Подвижные заряженные частицы внутри проводника постоянно движутся в случайных направлениях, как частицы газа. (Точнее, ферми-газ .) Чтобы создать чистый поток заряда, частицы также должны двигаться вместе со средней скоростью дрейфа. Электроны являются носителями заряда в большинстве металлов, и они движутся по беспорядочной траектории, отскакивая от атома к атому, но обычно дрейфуя в направлении, противоположном электрическому полю. Скорость, с которой они дрейфуют, можно рассчитать по уравнению:

I = n A v Q, {\ displaystyle I = nAvQ \,,}I = nAvQ \,,

где

I {\ displaystyle I}I - электрический ток
n {\ displaystyle n}n - количество заряженных частиц на единицу объема (или плотность носителей заряда)
A {\ displaystyle A}A - площадь поперечного сечения проводника
v {\ displaystyle v}v - это скорость дрейфа, а
Q {\ displaystyle Q}Q- заряд каждой частицы.

Обычно электрические заряды в твердых телах текут медленно. Например, в медном проводе с поперечным сечением 0,5 мм, пропускающем ток 5 А, скорость дрейфа электронов составляет порядка миллиметра в секунду. Возьмем другой пример: в почти вакууме внутри электронно-лучевой трубки электроны движутся почти по прямым линиям со скоростью примерно в десять раз меньше скорости света.

Любой ускоряющийся электрический заряд., и, следовательно, любое изменение электрического тока приводит к возникновению электромагнитной волны, которая распространяется с очень высокой скоростью за пределы поверхности проводника. Эта скорость обычно составляет значительную часть скорости света, как можно вывести из уравнений Максвелла, и поэтому во много раз превышает скорость дрейфа электронов. Например, в линиях электропередач переменного тока волны электромагнитной энергии распространяются через пространство между проводами, перемещаясь от источника к удаленной нагрузке, даже если электроны в проводах только двигайтесь вперед и назад на небольшое расстояние.

Отношение скорости электромагнитной волны к скорости света в свободном пространстве называется фактором скорости и зависит от электромагнитных свойств проводника и окружающих его изоляционных материалов., а также от их формы и размера.

Величины (не природа) этих трех скоростей можно проиллюстрировать аналогией с тремя аналогичными скоростями, связанными с газами. (См. Также гидравлическую аналогию.)

  • Малая скорость дрейфа носителей заряда аналогична движению воздуха; другими словами, ветер.
  • Высокая скорость электромагнитных волн примерно аналогична скорости звука в газе (звуковые волны движутся по воздуху намного быстрее, чем крупномасштабные движения, такие как конвекция )
  • Беспорядочное движение зарядов аналогично теплу - тепловой скорости случайно колеблющихся частиц газа.

См. Также

Найдите amperage в Викисловаре, бесплатный словарь.

Примечания

Ссылки

Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте
Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26