Как движется ток: Наука в Сибири | Почему принято считать, что электрический ток движется от положительного заряда к отрицательному?

Содержание

Наука в Сибири | Почему принято считать, что электрический ток движется от положительного заряда к отрицательному?

Отвечает: 

старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

 


Достоверно известно, что электрический ток — это направленное движение электронов или, в некоторых случаях, положительных или отрицательных ионов. Электричество как таковое также связано с понятием ЭДС, то есть для тока в проводнике нужна разность потенциалов. Тогда направление движения тока при движении электронов и отрицательно заряженных ионов будет от отрицательного полюса к положительному, так как одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Движение же положительных ионов будет связано с движением обратным по направлению. Почему тогда официально считается, что ток идет всегда от плюса к минусу и такое же направление указывается на электрических схемах?! Преподаватели физики мне отвечали, что так сложилось исторически, но ведь в двух случаях из трех это ошибка.

Так тогда как понимать?


Дело в том, что электрический ток стали изучать задолго до того, как разобрались с его «переносчиками». Наверное, первые систематические опыты с ним можно датировать 1801 годом, когда итальянский учёный Алессандро Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную. Так возникла первая батарея — Вольтов столб, хотя, безусловно, электрические явления не были в тот период новостью. Например, в то же время Бруньятелли осуществил посеребрение, оцинкование и омеднение электродов. Позже последовали опыты Эрстеда, Ампера, Ома, Фарадея и множества других исследователей. В 1861-1862 годах английский физик Джеймс Кларк Максвелл опубликовал свои труды, которые привели к возникновению четырёх уравнений Максвелла — своеобразное обобщение  всех классических электрических и магнитных явлений. Исследования об электричестве и магнетизме стали единой классической электродинамикой. То есть на тот момент людям уже пришлось договориться о единых понятиях направления тока, но что именно выступает в проводниках в качестве переносчика зарядов, тогда известно не было.

Электроны в чистом виде были выделены только в 1869 году немецким исследователем Иоганном Вильгельом Гитторфом, когда он впервые наблюдал катодные лучи — потоки электронов, испускаемых катодом. Они используются в старых телевизорах, осциллографах, радиолампах и электронных микроскопах. Это случилось уже позже формирования уравнений Максвелла, кроме того, на осознание, что именно такое катодные лучи, то есть на собственно открытие электрона ушло ещё 28 лет, пока этим вопрос вплотную не занялся английский физик Джозеф Джон Томсон.

 

Поделись с друзьями: 

Как движется ток в электрических схемах

Тема: в какую сторону идёт ток в проводах, электрических цепях, схемах.

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц) в жидких и газообразных телах это движение ионов (положительно заряженных частиц). Более того ток бывает постоянным и переменным, и у них совсем разное движение электрических зарядов. Чтобы хорошо понять и усвоить тему движение тока в проводниках пожалуй сначала нужно более подробно разобраться с основами электрофизики. Именно с этого я и начну.

Итак, как вообще происходит движение электрического тока? Известно, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы вещества. Строение атома напоминает нашу солнечную систему, где в центре расположено ядро атома. Оно состоит из плотно прижатых друг к другу протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Вокруг этого ядра с огромной скоростью по своим орбитам вращаются электроны (более мелкие частицы, имеющие отрицательный заряд). У разных веществ количество электронов и орбит, по которым они вращаются, может быть различным. Атомы твердых веществ имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, по которой в определенной порядке располагаются атомы относительно друг друга.

А где же тут может возникнуть электрический ток? Оказывается, что у некоторых веществ (проводников тока) электроны, что наиболее удалены от своего ядра, могут отрываться от атома и переходить на соседний атом. Это движение электронов называется свободным. Просто электроны перемещаются внутри вещества от одного атома к другому. Но вот если к этому веществу (электрическому проводнику) подключить внешнее электромагнитное поле, тем самым создав электрическую цепь, то все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении. Именно это и есть движение электрического тока внутри проводника.

Теперь давайте разберемся с тем, что собой представляет постоянный и переменный ток. Итак, постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как говорилось в самом начале — в твердых телах движутся электроны, а в жидких и газообразных движутся ионы. Электроны, это отрицательно заряженные частицы. Следовательно, в твердых телах электрический ток течет от минуса к плюсу источника питания (перемещаются электроны по электрической цепи).

В жидкостях и газах ток движется сразу в двух направлениях, а точнее, одновременно, электроны текут к плюсу, а ионы (отдельные атомы, что не связаны между собой кристаллической решеткой, они каждый сам по себе) текут к минусу источника питания.

Учеными же было принято официально считать, что движение происходит от плюса к минусу (наоборот, чем это происходит в действительности). Так что, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток движется от плюса к минусу, а с реальной точки зрения (электрофизическая природа) правильнее полагать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Наверное это сделано для какого-то удобства.

Теперь, что касается переменного электрического тока. Тут уже немного все сложнее. Если в случае постоянного тока движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически электроны со знаком минус текут к плюсу), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Вы наверное слышали, что в обычной городской электросети переменное напряжение величиной 220 вольт и стандартной частотой 50 герц.

Так вот эти 50 герц говорят о том, что электрический ток за одну секунду успевает 50 раз пройти полный цикл, имеющий синусоидальную форму. Фактически за одну секунду направление тока меняется аж 100 раз (за один цикл меняется два раза).

Тема: в какую сторону идёт ток в проводах, электрических цепях, схемах.

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц) в жидких и газообразных телах это движение ионов (положительно заряженных частиц). Более того ток бывает постоянным и переменным, и у них совсем разное движение электрических зарядов. Чтобы хорошо понять и усвоить тему движение тока в проводниках пожалуй сначала нужно более подробно разобраться с основами электрофизики. Именно с этого я и начну.

Итак, как вообще происходит движение электрического тока? Известно, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы вещества. Строение атома напоминает нашу солнечную систему, где в центре расположено ядро атома. Оно состоит из плотно прижатых друг к другу протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Вокруг этого ядра с огромной скоростью по своим орбитам вращаются электроны (более мелкие частицы, имеющие отрицательный заряд). У разных веществ количество электронов и орбит, по которым они вращаются, может быть различным. Атомы твердых веществ имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, по которой в определенной порядке располагаются атомы относительно друг друга.

А где же тут может возникнуть электрический ток? Оказывается, что у некоторых веществ (проводников тока) электроны, что наиболее удалены от своего ядра, могут отрываться от атома и переходить на соседний атом. Это движение электронов называется свободным. Просто электроны перемещаются внутри вещества от одного атома к другому. Но вот если к этому веществу (электрическому проводнику) подключить внешнее электромагнитное поле, тем самым создав электрическую цепь, то все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении.

Именно это и есть движение электрического тока внутри проводника.

Теперь давайте разберемся с тем, что собой представляет постоянный и переменный ток. Итак, постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как говорилось в самом начале — в твердых телах движутся электроны, а в жидких и газообразных движутся ионы. Электроны, это отрицательно заряженные частицы. Следовательно, в твердых телах электрический ток течет от минуса к плюсу источника питания (перемещаются электроны по электрической цепи). В жидкостях и газах ток движется сразу в двух направлениях, а точнее, одновременно, электроны текут к плюсу, а ионы (отдельные атомы, что не связаны между собой кристаллической решеткой, они каждый сам по себе) текут к минусу источника питания.

Учеными же было принято официально считать, что движение происходит от плюса к минусу (наоборот, чем это происходит в действительности). Так что, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток движется от плюса к минусу, а с реальной точки зрения (электрофизическая природа) правильнее полагать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Наверное это сделано для какого-то удобства.

Теперь, что касается переменного электрического тока. Тут уже немного все сложнее. Если в случае постоянного тока движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически электроны со знаком минус текут к плюсу), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Вы наверное слышали, что в обычной городской электросети переменное напряжение величиной 220 вольт и стандартной частотой 50 герц. Так вот эти 50 герц говорят о том, что электрический ток за одну секунду успевает 50 раз пройти полный цикл, имеющий синусоидальную форму. Фактически за одну секунду направление тока меняется аж 100 раз (за один цикл меняется два раза).

Как читать схемы? В прошлой статье мы с вами рассмотрели, как выглядят обозначения основных радиоэлементов на схеме. В этой статье мы поговорим о таких понятиях, как электрический ток, напряжение и сила тока. Хотя я уже писал о них в самых первых статьях, но в этой статье попробуем все это сложить в одну кучу, чтобы вам было легче уловить суть дела.

Проводники электрического тока

Начнем с самого-самого начала. Как вы знаете, все схемы состоят из проводков или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье “самый простой усилитель звука“, я с помощью проводков соединял различные радиоэлементы и у меня получилась схема, которая усиливает звуковые частоты

Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают “проводки”, которые уже называются печатными дорожками.

В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология).

На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы

Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.

Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:

Прямо внутри них есть дорожки, которые соединяются межслойно. Очень сильно экономится площадь на поверхностях печатной платы. Бум SMD технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.

Электрический ток

Думаю, вы не раз слышали такое выражение: “по этому проводу течет ток”. Электронику проще объяснять как раз с точки зрения гидравлики. Раз ток течет, значит, в нашем случае, проводок – это шланг или труба для электрического тока. Получается, что так. А что такое электрический ток?

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, чаще всего электронов, в одном направлении. По аналогии с гидравликой, электроны – это молекулы воды. Электрический ток – поток воды. Думаю, этого пока будет достаточно. Одними словами сыт не будешь, поэтому давайте нарисуем рисунок, чтобы порадовать глаза:

В данный момент шланг валяется где-нибудь в огороде и в нем осталась вода. Шланг никуда не подключен, то есть молекулы воды в шланге находятся в неподвижном состоянии.

По аналогии с электроникой, медный проводок лежит на столе и никуда не подключен.

Но вот настал вечер. Надо полить помидоры и огурцы, иначе к зиме останетесь без закуски. Как только мы открываем кран, вода в шланге начинает движуху:

Теперь вопрос на засыпку: почему когда мы открыли краник, вода побежала по шлангу? Создалось давление… молекулы что левее стали давить на молекулы что правее и движуха началась. Но кто толкал те молекулы, которые толкали молекулы? Это либо насос, либо вода в водобашне под воздействием гравитационной силы Земли.

В электронике электроны толкает так называемая ЭДС. В любой электрической схеме есть тот самый “насос”, который толкает электроны по проводкам и радиоэлементам. Он может находится в самой схеме, либо подключаться в схему извне. Как только электроны начинают движуху в проводке в одном направлении, то можно уже сказать, что в проводке стал течь электрический ток.

Напряжение

А теперь представьте такую ситуацию. У нас есть водонасос, но шланг мы закупорили пробкой.

Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Там пробка закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет приличная, то пробка вылетит со скоростью пули, либо давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге.

Все то же самое можно сказать и про водобашню. Давление на дне башни зависит от того, сколько воды налито в башню. Если башня под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.

А теперь прикиньте какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине 😉

Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте.

Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа “блок питания может выдать напряжение от 0 и до 30 Вольт”. Или говоря детским языком, создать “электрическое давление” на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.

Электрическое давление – это еще не значит, что есть электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток должна быть движуха электронов в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз движухи нету, то и нет электрического тока. Но то, что уже есть давление – это предпосылка к зарождению электрического тока.

Вы прямо сейчас можете создать давление воздуха в своем организме. Для этого достаточно набрать воздуха в легкие и закрыть рот. Потом выпустить воздух и надуть щеки, не открывая рот. В это время у вас на щеки молекулы воздуха будут оказывать давление. Чем больше вы выдыхаете воздуха, тем напряженнее стают ваши щеки от давления. Движуха идет из области высокого давления в область низкого давления. В ваших легких вы создали большое давление, а давление снаружи оказалось меньше. Поэтому-то щёчки и надулись.

С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания высокое давление, а на другом низкое. Поэтому, положительный щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп – черным или синим. Тут типа давление минимальное (нулевое).

В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше ” электрическое давление”, а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное “давление”, а на минусе – недостаточное.

Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.

Итак, одна составляющая для зарождения электрического тока у нас уже есть – это напряжение.

Вернемся снова к гидравлике.

Давление мы создали, но электрического тока до сих пор нету. Что надо сделать? Правильно, убрать пробку из шланга и дать водичке спокойно вытекать. Пошла движуха, значит, пошел электрический ток!

От какого слова образуется слово “ток”. Я думаю, от слова поТОК. Поток воды, поток энергии, поток света и тд, а поток электронов в проводке называется просто “электрическим током”. Значит, заставляя течь электроны, мы тем самым создаем электрический ток 😉

Теперь снова надуйте свои пухленькие щечки и пытайтесь создать внутри полости рта очень высокое давление. Что у нас произойдет? Ваши губки не выдержат и поток воздуха устремится изо рта в окружающее пространство. То есть вы создали в полости рта высокое давление, которое устремилось в область низкого давления, то есть наружу. Почти схожим образом вы создаете “ветер” из пукана, напрягая свой животик :-).

Ладно, давайте обобщим, все что мы тут пописали. ЭДС создает движуху электронов по проводку. Для того, чтобы движуха была, электроны должны куда-то направляться, желательно обратно к ЭДС источнику. В идеале, должно быть как-то так:

Как вы видите, труба у нас выходит из насосной станции и входит в насосную станцию. То есть контур трубы получается замкнутым. Пока работает насосная станция, у нас есть движуха воды. Как только насосная станция сдохнет, движуха воды прекратится. Также немаловажно чтобы труба не была тонкая в диаметре, иначе ее порвет, если насосная станция будет большой мощности.

По аналогии с электроникой получаем все то же самое. Во-первых, нужно чтобы контур был замкнутым, во вторых – чтобы был источник ЭДС, и в-третьих, чтобы провод выдерживал поток электронов.

Сила тока

Также нас интересует еще один немаловажный фактор – это какой объем воды у нас выльется из шланга за какое-то время.

Как думаете, с каким напором воды мы быстрее наполним ведерко?

или вот с таким?

Понятное дело, что с последним. Почему так? Да потому что, ну пусть скажем за секунду, у нас вылитой из трубы воды будет больше, чем из шланга. А объем вылитой воды из зеленого шланга за секунду будет больше, чем из желтого, так как напор воды в желтом шланге очень слабый. И теперь еще один вопросик на посошок. Какой поток струи будет обладать бОльшей силой? Ясно дело, что струя, которая выходит из трубы. Такой струей можно и гидрогенераторы крутить.

Давайте допустим, что у нас есть большая труба, и к ней заварены две другие, но одна в два раза меньше диаметром, чем другая.

Из какой трубы объем воды будет выходить больше за секунду времени? Разумеется с той, которая толще в диаметре, потому что площадь поперечного сечения S2 большой трубы больше, чем площадь поперечного сечения S1 малой трубы. Следовательно, сила потока через большую трубу будет больше, чем через малую, так как объем воды, который протекает через поперечное сечение трубы S2, будет в два раза больше, чем через тонкую трубу.

Так… теперь давайте все что мы тут пописали про водичку, применим в электронике. Проводки – это шланги или трубы, в зависимости от размера. Тонкий проводок – это тонкий в диаметре шланг, толстый проводок – это толстый в диаметре шланг, можно сказать – труба. Молекулы воды – это электроны. Следовательно, толстый проводок при одинаковом напряжении можно протащить больше электронов, чем тонкий.

И еще, в какой трубе сила потока электронов будет больше? Разумеется, через толстый проводок, так как количество электронов через поперечное сечение проводка за единицу времени будет проходить больше, чем в тонком проводке 😉 А количество электронов, которое проходит через поперечное сечение проводника за какой-то промежуток времени, называется силой тока. Я ведь говорил, что гидравлика и электроника очень взаимосвязаны ;-).

Не забываем, что электроны обладают зарядом, поэтому официальная терминология силы тока звучит так: сила тока – это физическая величина, равная отношению количества заряда прошедшего через поверхность (читаем как через площадь поперечного сечения) за какое-то время. Измеряется как Кулон/секунда. Чтобы сэкономить время и по другим морально-эстетическим нормам, Кулон/секунду договорились называть Ампером, в честь французского ученого-физика.

Давайте еще раз глянем на шланг с водой и зададим себе вопросы. От чего зависит поток воды? Первое, что приходит в голову – это давление. Почему молекулы воды движутся в рисунке ниже слева-направо? Потому, что давление слева, больше чем справа. Чем больше давление, тем быстрее побежит водичка по шлангу – это элементарно.

Теперь такой вопрос: как можно увеличить количество электронов через площадь поперечного сечения? Первое, что приходит на ум – это увеличить давление. В этом случае скорость потока воды увеличится, но ее много не увеличишь, так как шланг порвется как грелка в пасти Тузика. Второе – это поставить шланг большим диаметром. В этом случае у нас количество молекул воды через поперечное сечение будет проходить больше, чем в тонком шланге:

Все те же самые умозаключения можно применить и к обыкновенному проводку. Чем он больше в диаметре, тем больше он сможет протащить через себя силу тока. Чем меньше в диаметре, то желательно меньше его нагружать, иначе его “порвет”, то есть он тупо сгорит. Именно этот принцип заложен в плавких предохранителях. Внутри такого предохранителя тонкий проводок. Его толщина зависит от того, на какую силу тока он рассчитан

Как только сила тока через проводок превысит силу тока, на которую рассчитан предохранитель, то плавкий проводок перегорает и размыкает цепь. Через перегоревший предохранитель ток уже течь не может, так как проводок в обрыве

Заключение

Электрический ток в основном характеризуется такими параметрами, как напряжение и сила тока. Провода служат именно теми самыми “трубами и шлангами” для того, чтобы передавать электрический ток на расстояния. Они выбираются в зависимости от того, какая сила тока будет течь через них.

Например, вот такие медные “проводочки” используются для передачи бешеной силы тока на заводах, крупных фабриках, электросетях и тд. Называют их медными шинами.

На последней картинке можно увидеть предохранитель, который соединяет шины. Его номинал 500 Ампер. Можно сказать, что через сечение такой медной шины за 1 секунду может пробежать очень большой заряд, а точнее 500 Кулон.

А что было бы, если мы туда поставили какой-нибудь медный тонкий проводок? Я думаю, произошло бы что-то типа этого

Резюме

Электрический ток – это движение в одном направлении свободных электронов.

Свободные электроны у нас имеются в проводках, которые в основном сделаны из меди и алюминия.

Электрический ток характеризуется двумя параметрами: напряжением и силой тока.

Чтобы в проводке возник электрический ток, надо чтобы в одном конце проводка было избыточное давление, а в другом – недостаточное.

Ток течет от плюса к минусу (хотя электроны бегут от минуса к плюсу)

Сила тока через проводок – это количество заряда, которое проходит через площадь “кружочка” (сечение проводка поперек) за одну секунду. Выражается в Амперах (Кулон/ Вольт).

Проводки, через которые будет проходить большая сила тока, делают толще, иначе тонкие провода нагреются и расплавятся, причинив вред окружающим предметам.

Урок 1. Электричество: куда бегут электроны

– В Европе теперь никто на пианино не играет,
играют на электричестве.
–На электричестве играть нельзя – током убьет.
–А они в резиновых перчатках играют…
–Э! В резиновых перчатках можно!
«Мимино»

Странно… Играют на электричестве, а убивает почему-то каким-то там током… Откуда в электричестве ток? И что это за ток? Здравствуйте, уважаемые! Давайте разбираться.

Ну, во-первых, начнём с того, почему это играть на электричестве в резиновых перчатках всё-таки можно, а, например, в железных или свинцовых – нельзя, хотя металлические прочнее? Дело все в том, что резина не проводит электричество, а железо и свинец – проводят, поэтому и током ударит. Стоп-стоп… Мы идем не в ту сторону, давайте, разворачиваемся… Ага… Начинать нужно с того, что все в нашей Вселенной состоит из мельчайших частичек – атомов. Эти частички настолько малы, что, например, человеческий волос по толщине в несколько миллионов раз превосходит размер самого маленького атома водорода. Атом состоит (см. рисунок 1.1) из двух основных частей – положительно заряженного ядра, состоящего в свою очередь из нейтронов и протонов и вращающихся по определенным орбитам вокруг ядра электронов.

Рисунок 1.1 – Строение электрона

Суммарный электрический заряд атома всегда (!) равен нулю, то есть атом электрически нейтрален. Электроны имеют довольно сильную связь с атомным ядром, однако, если приложить некоторую силу и «вырвать» один или несколько электронов из атома (посредством нагревания или трения, например), то атом превратиться в положительно заряженный ион, поскольку величина положительного заряда его ядра будет больше величины отрицательного суммарного заряда оставшихся электронов. И наоборот, – если каким-либо образом добавить к атому один или несколько электронов (но не посредством охлаждения…), то атом превратится в отрицательно заряженный ион.

Электроны, входящие в состав атомов любого элемента,абсолютно идентичны по своим характеристикам: заряду, размеру, массе.

Теперь, если посмотреть на внутренний состав любого элемента можно увидеть, что не весь объем элемента занимают атомы. Всегда, в любом материале так же присутствуют как отрицательно заряженные, так и положительно заряженные ионы, причем процесс преобразования «отрицательно заряженный ион–атом–положительно заряженный ион» происходит постоянно. В процессе этого преобразования образуются так называемые свободные электроны – электроны, не связанные ни с одним из атомов или ионом. Оказывается, что различных веществ количество этих свободных электронов разное.

Так же из курса физики известно, что вокруг любого заряженного тела (даже такого ничтожно малого, как электрон) существует так называемое невидимое электрическое поле, основными характеристиками которого являются напряженность и направление. Условно принято, что поле всегда направлено из точки положительного заряда к точке отрицательного заряда. Такое поле возникает, например, при натирании эбонитовой или стеклянной палочки о шерсть, при этом в процессе можно услышать характерный треск, явление которого мы рассмотрим позже. Причем, на стеклянной палочке будет образовываться положительный заряд, а на эбонитовой – отрицательный. Это как раз и будет означать переход свободных электронов одного вещества в другое (со стеклянной палочки в шерсть и из шерсти в эбонитовую палочку). Переход электронов означает изменение заряда. Для оценки этого явления существует специальная физическая величина – количество электричества, названная кулон, причем 1Кл= 6.24•1018 электронов. Исходя из этого соотношения заряд одного электрона (или его по-другому называют элементарным электрическим зарядом) равен:

Так при чем же здесь все эти электроны и атомы… А вот при чём. Если взять материал с большим содержанием свободных электронов и поместить его в электрическое поле, то все свободные электроны будут двигаться в направлении положительной точки поля, а ионы – поскольку они имеют сильные межатомные (межионные) связи –оставаться внутри материала, хотя по идее они должны двигаться к той точке поля, заряд которой противоположен заряду иона. Это было доказано с помощью простого эксперимента.

Два различных материала (серебро и золото) соединили друг с другом и поместили в электрическое поле на несколько месяцев. Если бы наблюдалось движение ионов между материалами, то в месте контакта должен был бы произойти процесс диффузии и в узкой зоне серебра образоваться золото, а в узкой зоне золота – серебро, но такого не произошло, что и доказало неподвижность «тяжелых» ионов. На рисунке 2.1 показано движение положительной и отрицательной частиц в электрическом поле: отрицательно заряженные электроны движутся против направления поля, а положительно заряженные частицы – по направлению поля. Однако это справедливо только для частиц, не входящих в кристаллическую решетку какого-либо материала и не связанных между собой межатомными связями.

Рисунок 1.2 – Движение точечного заряда в электрическом поле

Движение происходит именно таким образом, потому как одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются: на частицу всегда действуют две силы: сила притяжения и сила отталкивания.

Так вот, именно упорядоченное движение заряженных частиц и называют электрическим током. Существует забавный факт: изначально считалось (до открытия электрона), что электрический ток порождён именно положительными частицами, поэтому направление тока соответствовало движению положительных частиц от «плюса» к «минусу», однако впоследствии обнаружилось обратное, но направление тока решено было оставить прежним, и в современной электротехнике осталась эта традиция. Так что всё на самом деле наоборот!

Рисунок 1.3 – Строение атома

Электрическое поле можно, хоть и характеризуется величиной напряженности, но создается вокруг любого заряженного тела. Например, если всё ту же стеклянную и эбонитовую палочки натереть о шерсть, то вокруг них возникнет электрическое поле. Электрическое поле существует около любого объекта и воздействует на другие объекты, сколь угодно далеко они бы ни располагались.Однако с ростом расстояния между ними напряженность поля уменьшается и её величиной можно пренебречь, так что два человека, стоящие рядом и имеющие некоторый заряд, хоть и создают электрическое поле, и между ними протекает электрический ток, но он настолько мал, что его величину трудно зафиксировать даже специальными приборами.

Так вот, пора бы уже побольше рассказать о том, что это за характеристика – напряженность электрического поля. Начинается всё с того, что в 1785 году французский военный инженер Шарль Огюстен де Кулон, отвлекшись от рисования военных карт, вывел закон, описывающий взаимодействие двух точечных зарядов:


Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Мы не будем углубляться в то, почему это именно так, просто поверим на слово господину Кулону и введём некоторые условия для соблюдения этого закона:

  • точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными не пересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;
  • их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;
  • взаимодействие в вакууме.

Математически закон записывается следующим образом:

где q1,q2 – величины взаимодействующих точечных зарядов,
r – расстояние между этими зарядами,
k – некоторый коэффициент, описывающий влияние среды.
На рисунке ниже приведено графическое пояснение закона Кулона.

Рисунок 1.4 – Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона

Таким образом, сила взаимодействия между двумя точечными зарядами возрастает при увеличении этих зарядов и уменьшается при увеличении расстояния между зарядами, причём увеличение расстояния в два раза приводит к уменьшению силы в четыре раза. Однако подобная сила возникает не только между двумя зарядами, но и между зарядом и полем (и опять электрический ток!). Логично было бы предположить, что на различные заряды одно и то же поле оказывает различное влияние. Так вот отношение силы взаимодействия поля и заряда к величине этого заряда и называется напряжённостью электрического поля. При условии, что заряд и поле неподвижны и не изменяют своих характеристик с течением времени.

где F – сила взаимодействия,
q – заряд.
Причём, как говорилось ранее, поле имеет направление, и это возникает именно исходя из того, что сила взаимодействия имеет направление (является векторной величиной: одноимённые заряды притягиваются, разноимённые – отталкиваются).
После того, как я написал этот урок, я попросил моего друга прочитать его, оценить, так скажем. Кроме того, я задал ему один интересный на мой взгляд вопрос как раз по теме этого материала. Каково же было моё удивление, когда он ответил неверно. Попробуйте и Вы ответить на этот вопрос (он помещен в раздел задач в конце урока) и аргументировать свою точку зрения в комментариях.
И последнее: поскольку поле может переместить заряд из одной точки пространства в другую, оно обладает энергией, а, следовательно, может совершать работу. Этот факт пригодится нам в дальнейшем при рассмотрении вопросов работы электрического тока.
На этом первый урок окончен, но у нас так и остался без ответа вопрос, почему же, в резиновых перчатках током не убьет. Оставим его как интригу на следующий урок. Спасибо за внимание, до новых встреч!

  • Наличие свободных электронов в веществе является условием для возникновения электрического тока.
  • Для возникновения электрического тока необходимо электрическое поле, которое существует только вокруг тел, обладающих зарядом.
  • Направление протекания электрического тока обратно направлению движения свободных электронов – ток течёт от «плюса» к «минусу», а электроны наоборот – от «минуса» к «плюсу».
  • Заряд электрона равен 1.602•10-19 Кл
  • Закон Кулона: модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Задачка:

  • Предположим, что в городе-герое Москве имеется некая розетка, самая такая обычная розетка, которые есть и у Вас дома. Так же предположим, что мы протянули провода из Москвы во Владивосток и подключили во Владивостоке лампочку (опять же, лампа совершенно обычная, такая же освещает сейчас комнату и мне, и Вам). Итого, что мы имеем: лампочка, присоединенная к концам двух проводов во Владивостоке и розетку в Москве. Теперь вставим «московские» провода в розетку. Если мы не будем учитывать массу всяких условий и просто предположим, что лампочка во Владивостоке загорелась, то попробуйте предположить, доберутся ли электроны, которые в данный момент находятся в розетке в Москве в нить накала лампочки во Владивостоке? Что случится, если мы подключим лампочку не к розетке, а к аккумулятору?

← Введение | Содержание | Урок 2: Как пересчитать электроны →

Каким образом течет электричество?

Электрический ток может приводит в действие машины только тогда, когда он циркулирует в цепи. Электрическая цепь — это канал, по которому течет электричество. Начинается цепь в источнике питания (например, в батарейке), к которому соединительным проводом подключен потребитель, например, лампа накаливания.

Цепь не оканчивается на потребителе, а возвращается по кольцу снова к источнику питания. Сила, поддерживающая течение электрического тока в цепи, называется электродвижущей силой, или напряжением. Так как потребители ослабляют ток в цепи, они называются сопротивлениями.

Понимание взаимосвязи между электрическим током, напряжением и сопротивлением может быть облегчено путем проведения аналогии между электрическим током и водой, текущей по каналу (рисунок вверху). Батарейка может быть представлена в виде водяного насоса, а электрический ток — в виде определенного объема воды. Аналогами двух электрических сопротивлений (двух ламп накаливания) являются два водослива в канале.

В такой модели каждый раз, когда вода (электрический ток) встречает водослив (сопротивление), она падает на более низкий уровень (меньшее напряжение). Объем воды остается неизменным, однако ее уровень (энергия) уменьшается. То же самое происходит с электрическим током. Когда электрический ток проходит через сопротивление, его энергия отводится в окружающую среду, а напряжение уменьшается.

Вычисление падения напряжения

Когда электрический ток проходит через сопротивление, например, через лампу накаливания, силовое воздействие на заряды (напряжение) уменьшается. Это уменьшение называется падением напряжения. Изменение напряжения может быть определено численно, путем умножения величины сопротивления на силу тока.

Электрический ток и поток электронов

Электроны (синие шарики) текут по направлению к положительному полюсу источника тока, т.е. навстречу электрическому току, который движется от положительного полюса к отрицательному (большая голубая стрелка). Сила тока зависит от того, сколько электронов пройдет через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Электрический ток в параллельной цепи

В параллельной цепи электрический ток (синие стрелки), прежде чем вернуться к своему источнику (красная батарейка), разделяется на две отдельные ветви.

Вид цепи и напряжение

Последовательная цепь содержит два сопротивления (R), которые поочередно снижают напряжение (V). Падение напряжения определяется суммой сопротивлений.

В параллельной цепи электрический ток проходит по различным путям. Такое расположение сопротивлений (R) вызывает одновременное падение напряжения.

Протекание тока — Основы электроники

Электрический ток это есть медленное движение потока электронов в область положительного заряда из области отрицательного заряда. В качестве единицы измерения силы тока используют ампер (А). Названа эта единица в честь французского ученого Андре Мари Ампера. Один ампер это сила тока, возникающая в проводнике при перемещении заряда через заданную точку величиной в один кулон за одну секунду.
Следующая формула показывает соотношение между силой тока и зарядом за секунду:

I=Q/t


где I — сила тока в амперах, Q — величина электрическо¬го заряда в кулонах, t — время в секундах.


Пример. Чему будет равна сила тока в цепи, если через заданную точку в цепи прошло 12 кулон заряда за 4 секунды.
Решение.
Q=12 Кл;
T=4 с;
I=Q/t=12/4=3 (А).

Рассмотрим протекание тока по проводнику. Обычно носителями заряда в цепи являются отрицательно заряженные электроны. Тогда ток это есть поток отрицательно заряженных электронов. Так исторически сложилось, что направление протекания тока не совпадает с направлением потока электронов, то есть противоположно. Однако в свое время было открыто, что когда электроны перемещаются от одного атома к другому, то возникают положительные заряды, названные дырками. (рис 2.2).

Можно сказать, что дырка это место на оболочке, откуда ушел электрон. Дырки перемещаются в направлении противоположном потоку электронов (рис 2.3).

В том случае, если электроны берутся с одного конца проводника и добавляются на другой конец проводника, то по проводнику будет течь ток. В результате медленного движения свободных электронов по проводнику, они сталкиваются с атомами, при этом освобождая другие электроны. Эти освободившиеся электроны движутся к положительному заряженному концу проводника, так же сталкиваясь с другими атомами. Это перемещение (или его еще называют дрейф) происходит как следствие отталкивания зарядов. К тому же положительно заряженный конец проводника, где присутствует дефицит электронов, притягивает отрицательно заряженные электроны.
Так вследствие «работы» законов взаимодействия электрических зарядов происходит медленный дрейф электронов. Хотя отдельные электроны сталкиваются с атомами и освобождают другие электроны, скорость которых достигает скорости света.
Для наглядности возьмем полую трубу и заполним ее шариками (рис. 2.4.).

Если добавить шарик в один конец трубы, то из второго конца шарик выталкивается. Отдельные шары тратят для перемещения некоторое время, но частота их столкновений иногда будет достаточно высокой.

Устройство, которое забирает электроны с положительно заряженного конца проводника и отдает их в отрицательно заряженный конец проводника, называют источником напряжения. В сравнении с системой водопровода источник напряжения может рассматриваться как своего рода насос (рис. 2.5).

 

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Электрический ток в проводнике — Основы электроники

Если в точке А (рис. 1.3) — избыток электронов в сравнении с точкой В, то говорят, что между точками А и В существует разность потенциалов, или напряжение, а источник создающий этот избыток, характеризуется потенциалом. В свою очередь потенциал это величина, которая показывает работу источника по перемещению заряда. Если соединить точки А и В каким-либо проводником, например простой проволокой, то избыточные электроны из точки А начнут перетекать в точку В, тем самым возникнет электрический ток в проводнике. То есть этот поток электронов и есть электрический ток.Разность потенциалов связана с напряжением или электродвижущей силой. То есть напряжение это и есть та самая сила, которая перемещает электроны в цепи.

 

Количественно ток можно выразить как сумму зарядов тех электронов, которые прошли через заданную точку. Но электрон имеет очень маленький заряд, поэтому для оценки заряда ввели единицу измерения – кулон (Кл). Один кулон равен сумме зарядов 6,25*1018 или 6250000000000000000 электронов.
Говорят, что если заряд в один кулон проходит через данную точку за 1секунду, то это значит, что через эту точку в проводнике течет электрический ток в один ампер (А). Таким образом, сила тока, как вы уже догадались, измеряется в амперах.

Точка А по причине избытка электронов имеет отрицательный потенциал, а точка В — положительный.
Поток электронов подобен потоку воды, текущему из бака А в бак В, как показано на рис. 1.4. Труба между баками является эквивалентом электрического проводника, а разность уровней воды — эквивалентом разности потенциалов между точками А и В.

 

Хотя электроны перетекают от отрицательного полюса к положительному, принято говорить, что электрический ток в проводнике течет от положительного полюса к отрицательному. Эта договоренность восходит к тому времени, когда о природе электрического тока было ничего не известно.
Разность потенциалов, или напряжение, измеряется в вольтах иобозначается буквой U. Величина электрического тока, как уже было сказано, измеряется в амперах и обозначается буквой I.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

 

Добавить комментарий

Скорость электрического тока


Жизнь современного человека полна комфорта. Сегодня мы имеем все блага цивилизации в свободном доступе. Главным достижением, которое совершенствовалось в течение долгого времени, является электрическая энергия, доступная практически в любой части мира. Мы привыкли к тому, что электроэнергия повсюду и задумываемся о ней лишь в тот момент, когда она внезапно пропадает. На самом деле явление электричества таит в себе много интересного, что желательно было бы знать каждому человеку.

Например, одним из вопросов, которым нужно задаться, является скорость электрического тока. Мало кто думал о том, как быстро зажжется лампочка, находящаяся в сотне километров от источника энергии. Этот вопрос актуален для населенных пунктов, которые находятся вдали от цивилизации.

Опытным путем учеными и исследователями было доказано, что электрический сигнал движется по кабелю со скоростью света, а именно 300 тысяч км/сек.

Важно отметить, что электроны и ионы в проводнике при этом движутся совсем не с такой скоростью. Они просто на просто не могут иметь столь высокую скорость в проводящем материале. 

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, равной, как правило, нескольким миллиметрам за 1 сек.

Более подробно объясним данную ситуацию примером:

К заряженному конденсатору присоединяются провода большой длины, идущие к лампе, что находится на расстоянии около 100 км. Замыкание цепи происходит вручную. После этого носители зарядов приходят в движение на том отрезке провода, который подключен к конденсатору. При этом начинается покидание электронами минусовой обкладки конденсатора, следовательно, происходит уменьшение электрического поля в конденсаторе параллельно с уменьшением плюсовой обкладки.

Таким образом, между обкладками сокращается разность потенциалов. При этом электроны, пришедшие в движение, приходят на место тех, что ушли. То есть, запущен процесс перераспределения электронов внутри провода за счет влияния электрического поля. Данный процесс растет, как снежный ком, и переходит дальше по всей длине провода, достигая в итоге нити накаливания лампы.

Получается, что перемены в состоянии электрического поля распространяются внутри проводника со скоростью, равной скорости света. При этом происходит активация электронов в электрической цепи с аналогичной скоростью. Хотя сами электроны движутся друг за другом по проводнику с гораздо меньшей скоростью.

Теперь разберемся в явлении гидравлической аналогии. Рассмотрим это понятие на примере движения водного потока из пункта А в пункт Б.

Допустим, что из небольшого населенного пункта по трубе в город поступает вода. Для этого функционирует специальный насос, который повышает давление внутри трубы, и вода под влиянием давления движется гораздо быстрее. Малейшие перемены в давлении по трубе распространяются очень быстро (приблизительно 1400 км/сек). Скорость распространения данных перемен напрямую зависит от показателя плотности жидкости, ее температуры и степени оказываемого давления. Через совсем короткий промежуток времени (доля секунды) вода уже поступила в город. Но это уже совсем другая вода. Ведь молекулы в ее составе провоцируют движение друг друга из-за столкновений между собой. При этом скорость движения данных молекул гораздо меньше, ведь дрейфовая скорость имеет прямую связь с силой напора. То есть, столкновения молекул друг с другом распространяются очень быстро, а скорость одной молекулы при этом не увеличивается.

Абсолютно аналогичный процесс происходит с электрическим током. Проведем параллели: скорость распространения поля есть скорость распространения давления, а скорость движения молекул, следовательно, есть скорость электронов, создающих ток.

Дрейфовая скорость – это скорость последовательного движения заряженных частиц. Электронами данная скорость приобретается за счет действия внешнего электрического поля.

В случае, если внешнее электрическое поле отсутствует, то движение электронов внутри проводника происходит хаотично. Иными словами, конкретного направления у электрического тока нет, а дрейфовая скорость при этом нулевая.

При наличии внешнего электрического поля у проводника носители заряда приходят в движение, скорость которого зависит от ряда факторов (концентрация свободных электронов, площадь сечения провода, величины тока).

Таким образом, электрический ток имеет скорость распространения по проводнику равную скорости света. При этом скорость  движения тока в проводнике – очень мала.

Вам будут интересны такие познавательные статьи, как:

Общие сведения об электричестве — Узнайте об электричестве, токе, напряжении и сопротивлении


Дом > Поддержка> Электроэнергетика
Электроэнергетика

Что такое электричество?

Любая техника, которую мы используем в нашей повседневной жизни, например, бытовая техника, оргтехника и промышленное оборудование, почти все это требует электричества. Следовательно, мы должны понимать электричество.

Первый вопрос, который мы узнаем ответ « где электричество родом из? «

Все дела состоят из атомы. Затем задайте следующий вопрос: « Что такое атомы? ».
Атомы — это самая маленькая часть элемента.Они состоят ядра и электронов, электроны окружают ядро. Элементы идентифицируются по количеству электронов на орбите вокруг ядра атомов и числом протонов в ядре.


Ядро состоит из протонов и нейтронов, а количество протоны и нейтроны уравновешены. У нейтронов нет электрического заряда, протоны имеют положительный заряд (+), а электроны — отрицательный заряды (-). Положительный заряд протона равен отрицательному заряду электрона.

Электроны связаны по своей орбите за счет притяжения протонов, но электроны во внешней зоне могут покинуть свою орбиту путем некоторые внешние силы. Их называют свободными электронами, которые движутся от одного атома к другому, возникают потоки электронов. Это основа электричества. Материалы, позволяющие свободно перемещающиеся электроны называются проводниками а материалы, которые позволяют перемещаться небольшому количеству свободных электронов, называются изоляторы .

Все вещества состоят из атомов, имеющих электрические заряды. Следовательно, у них есть электрические заряды. Что касается сбалансированного количество протонов и электронов, сила положительного заряда и сила отрицательного заряда сбалансирована. Это называется нейтральным состоянием. атома. (Число протонов и электронов остается равным.)

« Статическое электричество » представляет собой ситуацию, когда все вещи состоят из электрических обвинения.Например, трение материала о другой может вызвать статическое электричество. Свободные электроны одного материала двигаться с силой, пока они не освободятся от своих орбит вокруг ядра и перейти к другому. Электроны одного материала уменьшаются, он представляет собой положительный заряд. В то же время электроны другого увеличиваются, он имеет отрицательные заряды.

В общем заряд производство материи означает, что материя имеет электрические заряды.Он имеет положительный и отрицательный заряды, что выражается в кулон.


Ток, Напряжение и сопротивление


Что сейчас?

Электрическое явление вызвано потоком свободные электроны от одного атома к другому.Характеристики текущее электричество противоположны тем статического электричества.

Провода состоят из проводников, таких как медь. или алюминий. Атомы металла состоят из свободных электронов, которые свободно переходить от одного атома к другому. Если добавлен электрон в проводе свободный электрон притягивается к протону, чтобы оставаться нейтральным. Вытеснение электронов с их орбит может вызвать недостаток электронов. Электроны, которые непрерывно движутся по проволоке, называются Electric. Текущий .



Для одножильных проводов
электрический ток относится к направленным от отрицательного к положительному электрону от одного атома к другому. Жидкость проводники и газопроводы, электрический ток относится к электронам а протоны текут в обратном направлении.

Ток — это поток электронов, но ток и электроны текут в противоположное направление. Ток течет от положительного к отрицательному и электроны перетекают с отрицательного на положительный.


Ток определяется количеством электронов, проходящих через сечение проводника за одну секунду. Ток измеряется в ампер , что сокращенно « ампер ».Обозначение усилителя — это буква « A ».

А ток в один ампер означает что ток проходит через поперечное сечение двух проводников, которые размещены параллельно на расстоянии 1 м друг от друга с 2х10 -7 Ньютон сила на метр возникает в каждом проводнике. Это также может означать сборы одного кулона (или 6.24×10 18 электронов), проходящего через поперечное сечение проводника за одну секунду.


Что такое напряжение?

Электрический ток — это поток электронов в проводнике. Сила необходим для протекания тока через проводник, называется напряжение и потенциал другой срок напряжения. Например, у первого элемента больше положительные заряды, поэтому он имеет более высокий потенциал. С другой стороны, второй элемент имеет более отрицательные заряды, поэтому он имеет более низкий потенциал.Разница между двумя точками называется разность потенциалов .

Электродвижущая сила означает силу, которая заставляет ток непрерывно течь через дирижер. Эта сила может быть создана генератором энергии, аккумулятор, аккумулятор фонарика и топливный элемент и т. д.

Вольт, сокращенно « В », это единица измерения измерения взаимозаменяемо для напряжения, потенциала, и электродвижущая сила.Один вольт означает силу, которая заставляет ток в один ампер проходит через сопротивление в один Ом.

Что такое сопротивление?
Электроны движутся через проводник при протекании электрического тока. Все материалы мешают протекание электрического тока до некоторой степени. Эта характеристика называется сопротивлением .Сопротивление увеличивается с увеличением длины или уменьшением поперечного сечения материал.

Единица измерения сопротивления Ом и его символ — греческая буква омега ( Ω ). Сопротивление в один Ом означает, что проводник пропускает ток. на один ампер течь с напряжением один вольт.

Все материалы различаются по пропусканию электронов.Материалы которые позволяют свободно перемещаться большому количеству электронов, называются проводниками такие как медь, серебро, алюминий, раствор хлористоводородной, серной кислота и соленая вода. Напротив, материалы, пропускающие мало электронов для протекания называются изоляторы типа пластмассовые, резина, стекло и сухая бумага. Другой вид материалов, полупроводники имеют характеристики как проводников, так и изоляторов.Oни позволяют электронам двигаться, имея возможность контролировать поток электронами и примерами являются углерод, кремний, германий и т. д.

Сопротивление проводника зависит от двух основных факторов, а именно:

1. Виды материала
2. Температура материала

Как измерить ток

Прибор для измерения силы тока называется амперметр или амперметр .
Шаги для измерения тока Подключите небольшую лампочку к сухой батарее.Измерьте ток который проходит через лампочку при подключении положительной клеммы (+) амперметра к отрицательной клемме (-) сухого элемента (см. рисунок)
Указания по технике безопасности при измерении силы тока;
1. Оценить ток, требующий измерения затем выберите подходящий амперметр, так как каждый амперметр имеет разные предел измерения тока.
2. Убедитесь, что соединение с плюсовой клеммой (+) и отрицательная клемма (-) амперметра правильные.
3. Не подключайте клеммы амперметра напрямую сушить клеммы ячеек. Так как это может повредить счетчик.

Как измерить напряжение
Прибор для измерения напряжения, разницы Потенциальная или электродвижущая сила называется вольтметром .

Шаги для измерения напряжения
Подключите маленькую лампочку к сухому элементу. Вольтметр есть подключен параллельно лампочке для измерения напряжения через лампочку. Подключите положительный вывод (+) вольтметр к плюсовой клемме (+) сухого элемента и подключите отрицательная клемма (-) вольтметра к отрицательной клемме (-) сухой ячейки (см. рисунок).
Указания по технике безопасности при измерении Напряжение;
1. Оценить напряжение, требующее измерения затем выберите подходящий вольтметр
, так как каждый вольтметр рассчитан на
предел измерения напряжения.
2. Убедитесь, что подключение положительной клеммы (+) и отрицательная клемма (-) вольтметра правильные.

Как измерить сопротивление
Инструмент, используемый для измерения Сопротивление называется тестером или мультиметром .Мультиметр или тестовый метр используется для изготовления различных электрических измерения, такие как ток, напряжение и сопротивление. Он сочетает в себе функции амперметра, вольтметра и омметра.

Шаги для измерения сопротивления
Поверните лицевую шкалу в положение для требуемого измерения, сопротивление, затем коснитесь обоих выводов мультиметра (см. рисунок 1) и отрегулируйте диапазон измерителя на 0 Ом.Touch оба вывода измерителя к сопротивлению и взять чтение (см. рисунок 2).


Как работает электричество?

Электрический ток — это способность делать работу.Электрический ток можно преобразовать в тепло, мощность и магнетизм, чтобы назвать несколько.

Электрический ток классифицирован по своим функциям и трем основным типам:

1.

Теплоэнергетика

2.

Электрохимия

3.

Магнетизм


1. Тепло и энергия используется для производства тепла и электроэнергии.
Например, нихромовая токоведущая проволока. проволока имеет высокое сопротивление и выделяет тепло.Это применяется быть составной частью электрических духовок, тостеров, электрических утюгов и лампочки и др.

Эксперимент проводится путем измерения нагреть количество воды калориметром. Увеличьте напряжение на Проведите вариаком и подключите амперметр и вольтметр для измерения ток и напряжение.
Установите шкалу переменного тока для регулировки значения напряжения и тока нихромовая проволока и ток периодически пропускается и измерить количество тепла от нихромовой проволоки.Есть какие-то указания напряжения и тока. Если напряжение, ток и время увеличиваются, количество тепла также увеличится. Они выражаются отношение, как показано ниже.

Это называется Джоуля. Закон . Количество тепла зависит от напряжения время тока и интервал времени.По закону Ома V (напряжение) = I (ток) x R (Сопротивление), следовательно,

Количество тепла зависит от текущий квадрат, умноженный на сопротивление и интервал времени.

При пропускании тока через нихромовую проволоку в воде ток превращается в тепло, и температура повышается. Работу выполняет тепло, выделяемое в электрической цепи, которая называется Electric мощность .

Измеряется электрическая мощность в ватт-часах (Втч), а количество тепла измеряется в калориях. (Cal).

Работа выполняется за счет выделяемого тепла в электрической цепи написано мощность, что означает что номинальная работа выполняется в цепи, когда ток 1 А с Применяется 1 Вольт, а его единица измерения — ватт.

2. Электрохимия

Например, когда ток проходит через хлорид натрия (NaCl), химическая реакция, называемая электролизом. происходит. Применяется для производства электролиза, цинкования. и аккумулятор и т. д.


Эксперимент проводится путем пропитывания двух платиновых (Pt) пластин. в расплаве соли. Подключите батареи к двум платиновым пластинам, ток проходит через расплав соли и производит хлор пузыри вокруг положительной пластины (+) и пузырьки водорода вокруг отрицательной пластины (-), поскольку хлорид натрия составляет натрия (Na) и хлорида (Cl). Когда хлорид натрия тает в воде, элементы разделяются. Натрий имеет положительные заряды (+), а у хлора отрицательные заряды (-) и эти заряды называются ионами . Расплав соли имеет оба положительных заряда, которые называются анодами и . а отрицательные заряды называются катодами . Состояние разделенных элементов называется ионизация .Если соль растапливается водой, в растворе имеются ионы, называется раствор электролита . И если текущий проходит через раствор электролита, химическая реакция происходит электролиз.

3. Магнетизм

Пример данной электромонтажной работы — токоведущий проволока, возникают магнитные линии потока. Это применяется для производства электродвигатели, электрические трансформаторы и магнитофоны, пр.

Понимание смысла магнетизма:
Что такое магнетизм?

Составная формула магнита: Fe 3 O 4 . Все магниты обладают двумя характеристиками. Во-первых, они привлекают и держи железо.Вторичный, если свободно двигаться, как компас игла, они займут положение север-юг. Любые материалы Имеют такие характеристики, они называются магнит .

Характеристики магнита
Каждый магнит имеет два полюса, один северный полюс и один южный полюс.
Противоположные полюса притягиваются друг к другу, в то время как полюса отталкивают друг друга.

Электричество и магнитное поле

Когда магнитная стрелка находится рядом с электрическим проводом, который ток проходит, магнитная стрелка включает направление протекания тока (см. рисунок 1 и 2).Следовательно, электрический ток также создает связанный магнитный силу или говорят, что электричество способно производить магнитное поле.

Когда магнитная игла помещена в проволочную катушку с одной петлей (см. рисунок) и ток проходит через проволочную катушку, магнитный игла поворачивается в направлении, показанном на рисунке выше.А направления магнитных линий потока показаны стрелки.

Когда магнитная игла помещена в проволочную катушку с множеством петель как показано на правом рисунке, ток проходит через катушка. Направление магнитных линий магнитных параллелей катушка проволоки. Характеристики магнитных линий потока как характеристики магнита, но без магнитного полюса.

Когда катушка с токоведущим проводом помещается рядом с железным стержнем, железный стержень немного сдвинется (см. рисунок 1). Если сердечник размещен в катушке из проволоки железный стержень сильно притягивается (см. фигура 2). Поскольку сердечник — это мягкое железо, которое проводит магнитные силовые линии, когда ток проходит через проволочную катушку вокруг сердечника сердечник намагничивается с высокой мощностью что называется электромагнитов .Эта функция широко применяется в промышленности.

Учебник по физике: электрический ток

Если два требования электрической цепи соблюдены, заряд будет проходить через внешнюю цепь.Говорят, что есть ток — поток заряда. Использование слова ток в этом контексте означает просто использовать его, чтобы сказать, что что-то происходит в проводах — заряд движется. Однако ток — это физическая величина, которую можно измерить и выразить численно. Как физическая величина, ток, — это скорость, с которой заряд протекает через точку в цепи. Как показано на диаграмме ниже, ток в цепи можно определить, если можно измерить количество заряда Q , проходящего через поперечное сечение провода за время t .Сила тока — это просто отношение количества заряда и времени.

Текущий — это величина ставки. В физике есть несколько скоростных величин. Например, скорость — это величина скорости — скорость, с которой объект меняет свое положение. Математически скорость — это отношение изменения положения к времени. Ускорение — это величина скорости — скорость, с которой объект меняет свою скорость. Математически ускорение — это отношение изменения скорости к времени. А мощность — это величина нормы — скорость, с которой работа выполняется на объекте.Математически мощность — это отношение работы к времени. В каждом случае величины скорости математическое уравнение включает некоторую величину во времени. Таким образом, ток как величина скорости будет математически выражен как

Обратите внимание, что в приведенном выше уравнении используется символ I для обозначения величины тока.

Как это обычно бывает, когда количество вводится в классе физики, также вводится стандартная метрическая единица, используемая для выражения этой величины.Стандартная метрическая единица измерения тока — ампер . Ампер часто сокращается до А и обозначается символом единицы A . Ток в 1 ампер означает, что 1 кулон заряда проходит через поперечное сечение провода каждую 1 секунду.

1 ампер = 1 кулон / 1 секунда

Чтобы проверить свое понимание, определите ток для следующих двух ситуаций. Обратите внимание, что в каждой ситуации дается некоторая посторонняя информация.Нажмите кнопку Проверить ответ , чтобы убедиться, что вы правы.

Провод изолируют поперечным сечением 2 мм и определяют, что заряд 20 C может пройти через него за 40 с.

Сечение провода длиной 1 мм изолируется, и определяется, что заряд 2 Кл проходит через него за 0,5 с.

I = _____ Ампер

I = _____ Ампер

Обычное направление тока

Частицы, переносящие заряд по проводам в цепи, являются подвижными электронами.Направление электрического поля в цепи по определению является направлением проталкивания положительных испытательных зарядов. Таким образом, эти отрицательно заряженные электроны движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Но в то время как электроны являются носителями заряда в металлических проводах, носителями заряда в других цепях могут быть положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое. Фактически, носители заряда в полупроводниках, уличных фонарях и люминесцентных лампах одновременно являются как положительными, так и отрицательными зарядами, движущимися в противоположных направлениях.

Бен Франклин, проводивший обширные научные исследования статического и текущего электричества, считал положительные заряды носителями заряда. Таким образом, раннее соглашение о направлении электрического тока было установлено в том направлении, в котором будут двигаться положительные заряды. Конвенция прижилась и используется до сих пор. Направление электрического тока условно является направлением, в котором должен двигаться положительный заряд. Таким образом, ток во внешней цепи направлен от положительной клеммы к отрицательной клемме аккумулятора.Электроны действительно будут двигаться по проводам в противоположном направлении. Зная, что настоящими носителями заряда в проводах являются отрицательно заряженные электроны, это соглашение может показаться немного странным и устаревшим. Тем не менее, это соглашение, которое используется во всем мире, и к которому студент-физик может легко привыкнуть.

Зависимость тока от скорости дрейфа

Ток связан с количеством кулонов заряда, которые проходят точку в цепи за единицу времени.Из-за своего определения его часто путают со скоростью дрейфа количества. Скорость дрейфа означает среднее расстояние, пройденное носителем заряда за единицу времени. Как и скорость любого объекта, скорость дрейфа электрона, движущегося по проводу, является отношением расстояния ко времени. Путь типичного электрона через проволоку можно описать как довольно хаотический зигзагообразный путь, характеризующийся столкновениями с неподвижными атомами. Каждое столкновение приводит к изменению направления электрона.Однако из-за столкновений с атомами в твердой сети металлического проводника на каждые три шага вперед приходится два шага назад. С электрическим потенциалом, установленным на двух концах цепи, электрон продолжает движение вперед на . Прогресс всегда идет к положительной клемме. Однако общий эффект бесчисленных столкновений и высоких скоростей между столкновениями заключается в том, что общая скорость дрейфа электрона в цепи ненормально мала. Типичная скорость дрейфа может составлять 1 метр в час.Это медленно!

Тогда можно спросить: как может быть в цепи ток порядка 1 или 2 ампер, если скорость дрейфа составляет всего около 1 метра в час? Ответ таков: существует множество носителей заряда, движущихся одновременно по всей длине цепи. Ток — это скорость, с которой заряд пересекает точку в цепи. Сильный ток является результатом нескольких кулонов заряда, пересекающих поперечное сечение провода в цепи. Если носители заряда плотно упакованы в провод, тогда не обязательно должна быть высокая скорость, чтобы иметь большой ток.То есть носителям заряда не нужно преодолевать большое расстояние за секунду, их просто должно быть много, проходящих через поперечное сечение. Ток не имеет отношения к тому, насколько далеко за секунду перемещаются заряды, а скорее к тому, сколько зарядов проходит через поперечное сечение провода в цепи.

Чтобы проиллюстрировать, насколько плотно упакованы носители заряда, мы рассмотрим типичный провод, который используется в цепях домашнего освещения — медный провод 14-го калибра. В срезе этого провода длиной 0,01 см (очень тонком) их будет целых 3.51 x 10 20 атомов меди. Каждый атом меди имеет 29 электронов; маловероятно, что даже 11 валентных электронов одновременно будут двигаться как носители заряда. Если мы предположим, что каждый атом меди вносит только один электрон, то на тонком 0,01-сантиметровом проводе будет целых 56 кулонов заряда. При таком большом количестве подвижного заряда в таком маленьком пространстве небольшая скорость дрейфа может привести к очень большому току.

Чтобы еще больше проиллюстрировать это различие между скоростью заноса и течением, рассмотрим аналогию с гонками.Предположим, что была очень большая гонка черепах с миллионами и миллионами черепах на очень широкой гоночной трассе. Черепахи не очень быстро двигаются — у них очень низкая скорость дрейф . Предположим, что гонка была довольно короткой, скажем, длиной 1 метр, и что значительный процент черепах достиг финишной черты одновременно — через 30 минут после начала гонки. В таком случае течение будет очень большим — миллионы черепах пройдут точку за короткий промежуток времени.В этой аналогии скорость связана с тем, как далеко перемещаются черепахи за определенный промежуток времени; а ток зависит от того, сколько черепах пересекли финишную черту за определенное время.

Природа потока заряда

После того, как было установлено, что средняя скорость дрейфа электрона очень, очень мала, вскоре возникает вопрос: почему свет в комнате или в фонарике загорается сразу после включения переключателя? Не будет ли заметной задержки по времени перед тем, как носитель заряда перейдет от переключателя к нити накала лампочки? Ответ — нет! и объяснение того, почему раскрывает значительную информацию о природе потока заряда в цепи.

Как упоминалось выше, носителями заряда в проводах электрических цепей являются электроны. Эти электроны просто поставляются атомами меди (или любого другого материала, из которого сделан провод) внутри металлической проволоки. Когда переключатель переводится в положение на , цепь замыкается, и между двумя концами внешней цепи устанавливается разность электрических потенциалов. Сигнал электрического поля распространяется почти со скоростью света ко всем подвижным электронам в цепи, приказывая им начать марш и марш .По получении сигнала электроны начинают двигаться по зигзагообразной траектории в обычном направлении. Таким образом, щелчок переключателя вызывает немедленную реакцию во всех частях схемы, заставляя носители заряда повсюду двигаться в одном и том же направлении. В то время как фактическое движение носителей заряда происходит с медленной скоростью, сигнал, который информирует о начале движения, движется со скоростью, составляющей долю от скорости света.

Электроны, которые зажигают лампочку в фонарике, не должны сначала пройти от переключателя через 10 см провода к нити накала. Скорее, электроны, которые зажигают лампочку сразу после того, как переключатель повернут на на , являются электронами, которые присутствуют в самой нити. Когда переключатель повернут, все подвижные электроны повсюду начинают движение; и именно подвижные электроны, присутствующие в нити накала, непосредственно ответственны за зажигание ее колбы. Когда эти электроны покидают нить накала, в нее входят новые электроны, которые ответственны за зажигание лампы. Электроны движутся вместе, как вода в трубах дома.Когда кран поворачивается с на , вода в кране выходит из крана. Не нужно долго ждать, пока вода из точки входа в ваш дом пройдет по трубам к крану. Трубы уже заполнены водой, и вода везде в водяном контуре одновременно приводится в движение.

Развиваемая здесь картина потока заряда представляет собой картину, в которой носители заряда похожи на солдат, идущих вместе, повсюду с одинаковой скоростью.Их движение начинается немедленно в ответ на установление электрического потенциала на двух концах цепи. В электрической цепи нет места, где носители заряда расходуются или расходуются. Хотя энергия, которой обладает заряд, может быть израсходована (или лучше сказать, что электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии), сами носители заряда не распадаются, не исчезают или иным образом не удаляются из цепь. И нет места в цепи, где бы носители заряда начали скапливаться или накапливаться.Скорость, с которой заряд входит во внешнюю цепь на одном конце, такая же, как скорость, с которой заряд выходит из внешней цепи на другом конце. Ток — скорость потока заряда — везде одинакова. Поток заряда подобен движению солдат, идущих вместе, повсюду с одинаковой скоростью.

Проверьте свое понимание

1.Говорят, что ток существует всякий раз, когда _____.

а. провод заряжен

г. батарея присутствует

г. электрические заряды несбалансированные

г. электрические заряды движутся по петле

2. У тока есть направление. По соглашению ток идет в направлении ___.

а. + заряды перемещаются

г.- электроны движутся

г. + движение электронов

3. Скорость дрейфа подвижных носителей заряда в электрических цепях ____.

а. очень быстро; меньше, но очень близко к скорости света

г. быстрый; быстрее, чем самая быстрая машина, но далеко не скорость света

г. медленный; медленнее Майкла Джексона пробегает 220-метровую

г.очень медленно; медленнее улитки

4. Если бы электрическую цепь можно было сравнить с водяной цепью в аквапарке, то ток был бы аналогичен ____.

Выбор:

A. давление воды

Б. галлонов воды, стекающей по горке в минуту

С. вода

D. нижняя часть ползуна

E. водяной насос

F. верх горки

5. На схеме справа изображен токопроводящий провод. Две площади поперечного сечения расположены на расстоянии 50 см друг от друга. Каждые 2,0 секунды через каждую из этих областей проходит заряд 10 ° C.Сила тока в этом проводе ____ А.

а. 0,10

г. 0,25

г. 0,50

г. 1,0

e. 5,0

ф. 20

г. 10

ч.40

я. ни один из этих

6. Используйте диаграмму справа, чтобы заполнить следующие утверждения:

а. Ток в один ампер — это поток заряда со скоростью _______ кулонов в секунду.

г. Когда заряд 8 C проходит через любую точку цепи за 2 секунды, ток равен ________ A.

г. Если через точку A (диаграмма справа) за 10 секунд расход заряда составляет 5 ° C, то ток равен _________ A.

г. Если ток в точке D равен 2,0 А, то _______ C заряда проходит через точку D за 10 секунд.

e. Если заряд 12 ° C пройдет мимо точки A за 3 секунды, то за ________ секунд пройдет 8 ° C заряда.

ф. Верно или неверно:

Ток в точке E значительно меньше тока в точке A, поскольку в лампочках расходуется заряд.

КАК ДЕЙСТВИТЕЛЬНО течет ток?

Сегодняшние устройства IoT очень разнообразны. Это могут быть довольно простые устройства, такие как датчики, передающие простые данные, или датчики, передающие большие объемы данных (например, видео). Они могут быть одноцелевыми (измерение температуры) или многоцелевыми (мобильные телефоны) со значительными подсистемами, такими как GPS, WLAN, Bluetooth и сотовая связь.

Все эти устройства объединяет то, что их можно охарактеризовать как небольшие, портативные, с питанием от батареи и беспроводным подключением. И в этом заключается проблема: среда IoT требует максимально длительного времени автономной работы, и системные инженеры часто вынуждены идти на компромисс, чтобы максимально снизить текущие потребности.

К сожалению, эта стратегия вступает в прямой конфликт с достижением максимальной целостности проекта. Показатели целостности высокоскоростных сигналов на устройствах IoT очень зависят от характеристик напряжения и тока батареи.

Эта проблема усугубляется тем, что скорость передачи данных увеличится с сотен кГц до Гбит / с. Более высокие скорости приводят к более высокому энергопотреблению, и здесь инженеры снова обращаются к топологиям, которые минимизируют мощность. Когда мощность рассматривается как основная цель, другие стандартные рекомендации по проектированию не принимаются во внимание.

Например, передатчики в HDMI (и во многих стандартах) имеют резистор обратного согласования, чтобы минимизировать степень несоответствия (которое вызывает отражения). Проблема в том, что для подачи напряжения на приемник может потребоваться на 30–100% больше размаха напряжения, чтобы пройти через резистор обратного согласования.Результат? Потерянная сила.

Высокоскоростные сигналы MIPI для дисплеев и камер обычно встречаются в этих типах устройств. Это, вероятно, самые энергоемкие компоненты из всех и особенно проблематичные для инженеров.

Плохая целостность сигнала напрямую влияет на скорость передачи данных. В некоторых случаях, таких как USB 3, ошибки приемника могут вызывать повторную передачу пакетов. Это снижает эффективную скорость передачи данных, хотя во многих случаях этого не происходит, поскольку система предназначена для восстановления.Не относится к новым устройствам IoT, но другие проблемы с целостностью сигнала — это часто пропущенные вызовы и ошибки пикселей на экране телевизора. На самом деле телевизоры — это особый случай, поскольку кабельные системы часто разделены на несколько частей, а соотношение сигнал / шум очень и очень незначительно.

Любой шум и нестабильность могут вызвать ухудшение высокоскоростных сигналов. Вот почему целостность питания также становится все более важной для проверки IoT. Кроме того, высокоскоростные сигналы более плотно размещены в устройствах IoT, что приводит к таким проблемам, как перекрестные помехи и связь.

Когда несколько подсистем сосуществуют таким образом, интерференция друг с другом реальна, и оптимизация одного устройства приведет к компромиссам в других частях конструкции. Механизмы радиочастотных помех и цифровых перекрестных помех являются общими проблемами.

Хотя радиочастотные помехи часто можно устранить с помощью дополнительного экранирования, это может быть дорогостоящим подходом. В качестве альтернативы инженерам придется потратить больше времени на проверку интерфейсов, чтобы гарантировать правильную работу высокоскоростных сигналов при различных уровнях окружающей среды, температуры и напряжения.

Но подождите, есть еще кое-что: учитывая сжатые жизненные циклы продуктов в области Интернета вещей, инженеры часто пропускают этап прототипирования, чтобы быстрее вывести свои проекты на рынок. По крайней мере, это требует моделирования среды и измерения и оценки бюджетов каналов для цифровых систем, перекрестных помех и так далее.

Итак, как инженеры могут добиться успеха в проектировании для Интернета вещей с помощью подхода «только одна попытка»? Понимание эффектов помех, бюджетов каналов и т. Д. Имеет решающее значение.И определение правильных инструментов — программные решения для тестирования, зондирования и анализа, позволяющие быстро идентифицировать, количественно определять и устранять перекрестные помехи для быстрого анализа и проверки проектов.

В каком направлении действительно течет ток?


Если вы спросите нескольких инженеров-электронщиков, техников, ученых или профессоров, как протекает ток в электрической цепи, некоторые скажут вам, что он течет от отрицательной клеммы источника питания через нагрузку к положительной клемме источника питания.Другие скажут вам прямо противоположное, что ток на самом деле течет от плюсовой стороны источника напряжения к минусу.

Кто прав? Как может так много технических профессионалов запутаться в такой простой вещи, как текущий поток? Знаем ли мы, в каком направлении течет ток? И действительно ли имеет значение, в каком направлении течет ток? Давайте проясним все это.

Почему это так важно?

Основным принципом любого электронного приложения является контроль тока.Думаю об этом. Разве все, что мы делаем в электронике, не предназначено для управления током каким-либо образом, чтобы производить полезный результат, например, телевизор, компьютеры или сотовые телефоны? Взгляните на Рисунок 1 . Эта очень простая модель представляет все электронные приложения. Мы производим входы, которые представляют собой какой-то тип электронного сигнала, обрабатываем их определенным образом, а затем генерируем соответствующие выходные сигналы. Например, входной сигнал может поступать с микрофона. Он обрабатывается усилителем для увеличения уровня мощности.Выход приводит в движение динамик.

РИСУНОК 1. Упрощенная модель всех электронных схем и оборудования.


Теперь снова рассмотрим, что находится в поле с надписью «процесс» на , рис. 1 . В простейшей форме это может быть всего лишь один электронный компонент, например резистор. Но это также может быть схема, такая как инструментальный усилитель или миллионы полевых МОП-транзисторов, как в микропроцессоре Pentium.

Теперь посмотрим на Рисунок 2 . Вот еще один способ помочь вам визуализировать, что происходит во всех электрических или электронных цепях.Источник напряжения инициирует ток в нагрузке. Источником напряжения может быть батарея, генератор сигналов, источник питания, радиосигнал или сигнал от преобразователя, такого как микрофон или фотоэлемент. Нагрузка — это устройство, которое дает полезный конечный результат. Это может быть лампочка, нагревательный элемент, двигатель, соленоид или просто другая электронная схема. Теперь обратите внимание на элемент управления. Это электронный компонент или схема, регулирующая ток в нагрузке.

РИСУНОК 2. Упрощенное объяснение того, как работают все электронные схемы.


Схемы управления могут быть более сложными, например, операционный усилитель или набор логических вентилей или даже полный набор различных электронных схем. Компоненты и схемы управляют током, создаваемым начальным входом, различными способами, иногда с помощью множества различных последовательных и параллельных шагов, пока не будет сгенерирован соответствующий выход. Суть в том, что создание и управление током — это и есть вся электроника.

Зависимость условного тока от потока электронов

Ученые, инженеры, профессора колледжей и другие уже более 100 лет знают, что ток действительно перемещает электроны. Тем не менее, они продолжали использовать исходную модель протока положительно-отрицательного тока. Это стало известно как обычный ток (CCF). Сегодня эта концепция все еще широко используется и почти повсеместно преподается в научных и технических программах.

Только в середине 20-го века электронный поток (EF) получил широкое распространение.Это произошло в результате массового обучения техников-электронщиков во время Второй мировой войны. Армия и флот решили, что поток электронов более подходит, чем обычный поток, поэтому они разработали все свои классы и учебные материалы с использованием потока электронов. После войны поток электронов прижился и стал основным способом обучения техников в общественных колледжах, технических институтах и ​​профессиональных училищах. Почему научное, инженерное и академическое сообщества отказались перейти на электронный поток, неизвестно.Вероятно, возникло ощущение, что теория электричества всегда преподавалась с использованием традиционной модели протекания тока, и не было особой необходимости, желания или причины для изменений. Изменить трудно, а традиции умирают с трудом.

Что такое электрон?

Электрон — это субатомная частица, одна из нескольких частей атома. Атомы — это крошечные частицы, из которых состоит вся материя. Все, что мы знаем, чувствуем, видим, прикасаемся и обоняем, состоит из атомов. Атомы — самые маленькие частицы материалов, которые мы называем элементами.Элементы — это основные строительные блоки природы. Типичные элементы — кислород, водород, углерод, медь, серебро, золото и кремний. Если вы, например, возьмете кусок меди и разделите его снова и снова, пока не получите наименьший возможный кусок, который все еще распознается как медь, то у вас будет один атом меди. Все, что не является основным элементом, состоит из двух или более элементов, объединенных в то, что мы называем соединениями. Вода — это соединение двух атомов водорода и одного атома кислорода, ну вы знаете, h3O.Соль — это соединение натрия и хлора (HCl). Наименьшая распознаваемая частица соединения называется молекулой.

Атомы можно разделить на более мелкие части. Поскольку на самом деле никто никогда не видел атома, физики веками строили теории о том, как атом выглядит и из чего состоит. Одна популярная теория гласит, что атом состоит из центрального ядра, состоящего из крошечных частиц, называемых протонами и нейтронами. Протоны имеют положительный электрический заряд. Нейтроны, конечно, нейтральны.Вокруг ядра вращаются кольца или оболочки электронов. Электроны имеют отрицательный электрический заряд. Электронов столько же, сколько протонов, поэтому атом электрически сбалансирован или нейтрален. Число протонов в атоме — это его атомный номер, и это число определяет характеристики элемента.

На рисунке 3 показан атом меди. Есть 29 протонов и 29 электронов. Обратите внимание на внешнюю оболочку атома. Это называется валентной оболочкой, поскольку она содержит электроны, которые объединяются и реагируют с другими элементами, образуя химические связи в соединениях.

РИСУНОК 3. Атом меди.


И именно электрон или электроны во внешней валентной оболочке высвобождаются, чтобы создать ток в электрических и электронных компонентах и ​​схемах.

Как течет ток

Ток в большинстве электрических и электронных цепей — это поток электронов. Однако есть некоторые особые случаи, когда задействованы другие частицы. Предположим, что медный провод подключен между положительной и отрицательной клеммами элемента фонарика, как показано на рисунке 4 .Избыток электронов накапливается на отрицательном выводе ячейки, в то время как на положительном выводе электронов не хватает. Это состояние вызвано химическим действием в клетке.

РИСУНОК 4. Течение электронов в медной проволоке.


Когда медный провод подключен к ячейке, происходят две вещи. Во-первых, положительный вывод отводит валентные электроны от атомов меди в проводе. Когда атом теряет один или несколько электронов, он становится положительным ионом, потому что теперь у него больше протонов, чем электронов.Будучи положительными, ионы притягивают другие отрицательные электроны от соседних атомов, создавая цепную реакцию протекания тока.

В тот же момент отрицательный вывод ячейки отталкивает валентные электроны от ближайших атомов в медной проволоке. Эти освобожденные электроны притягиваются к положительным ионам, создаваемым положительным выводом ячейки. Конечным результатом является массовое движение электронов от отрицательной клеммы батареи к положительной. Так протекает ток в проводах, кабелях и большинстве электронных компонентов.

Не весь ток протекает за счет движения электронов. В некоторых случаях ток фактически является движением других носителей тока. Например, отверстия являются уникальными для протекания тока в определенных типах полупроводниковых материалов. Ионный поток — это метод протекания тока в плазме и электрохимических реакций в батареях.

Течение тока в полупроводниках

Полупроводник — это особый тип материала, удельное сопротивление или проводимость которого находится где-то между хорошими проводниками, такими как медь и алюминий, и изоляторами, такими как стекло, керамика или пластик.Полупроводники уникальны тем, что они могут иметь любую желаемую степень проводимости. Конечно, полупроводники — это материалы, из которых сделаны диоды, транзисторы и интегральные схемы.

Самый распространенный полупроводниковый материал — это кремний (Si). Германий (Ge) — еще один полупроводниковый элемент. Существуют также полупроводниковые соединения, такие как арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) и кремний-германий (SiGe). Кремний, как и другие полупроводниковые материалы, уникален тем, что имеет четыре валентных электрона.Эта характеристика заставляет атомы кремния связываться вместе таким образом, что они разделяют свои валентные электроны. Результатом является уникальная структура кристаллической решетки, подобная показанной на , рис. 5, . Показаны только валентные электроны. Обратите внимание, как атомы делят свои валентные электроны с соседними атомами. В результате каждый атом думает, что на его внешней орбите находится восемь электронов. Это делает материал чрезвычайно стабильным.

РИСУНОК 5. Чистый кремний состоит из атомов, которые образуют ковалентные связи с соседними атомами, образуя структуру кристаллической решетки.


Атомы кремния образуют так называемую структуру кристаллической решетки. Все валентные электроны полностью заняты, так как они распределяются между атомами. Это означает, что в структуре кристаллической решетки чистого кремния нет электронов, доступных для электронного потока, поскольку все они заняты своими ковалентными связями. В результате полупроводники, такие как кремний в чистом виде, по сути, являются изоляторами.Конечно, если к кремнию будет приложено достаточно тепла или приложено высокое внешнее напряжение, некоторые электроны могут высвободиться, что вызовет протекание небольшого количества тока.

Чтобы сделать кремний проводящим, мы добавляем в него другие химические вещества. Этот процесс называется допингом. Легируя кремний химическими веществами, которые имеют три или пять валентных электронов, мы можем создать кремний, в котором легко течет ток. На рисунке 6 показано, что происходит, когда мы добавляем в кремний мышьяк (As). Мышьяк имеет пять валентных электронов. Четыре электрона соединяются с электронами в соседних атомах кремния, как и раньше, с образованием ковалентных связей. Однако остался один лишний электрон. Этот дополнительный электрон доступен для протекания тока.

РИСУНОК 6. Полупроводниковый материал N-типа использует электроны для протекания тока.


Кремний, легированный химическими веществами, имеющими дополнительный электрон, называется полупроводником N-типа. «N» означает отрицательный, что относится к дополнительному отрицательному электрону.Когда внешнее напряжение подается на кусок полупроводникового материала N-типа, ток легко течет, поскольку несвязанные электроны притягиваются и протягиваются через кремний внешним напряжением. Если кремний сильно легирован мышьяком, доступно много свободных электронов, и будет течь большой ток. Это то же самое, что сказать, что материал имеет очень низкое сопротивление. Если добавлено только несколько атомов мышьяка, меньше электронов доступно для протекания тока, поэтому уровень тока будет меньше с внешним напряжением. Такой материал имеет гораздо более высокую стойкость.

Как вы можете видеть, ток в полупроводниковом материале N-типа по-прежнему осуществляется электронами. Однако мы также можем легировать кремний материалом, который имеет только три валентных электрона. Это проиллюстрировано на рис. 7, , где кремний легирован атомами бора (B).

РИСУНОК 7. Полупроводниковый материал P-типа, в котором дырки являются носителями тока.


Три валентных электрона в атоме бора образуют ковалентные связи с соседними атомами кремния.Однако у одного из атомов кремния отсутствует электрон. Этот недостающий валентный электрон называется дыркой. Таким образом, дырка — это не настоящая частица, а просто вакансия в валентной оболочке структуры кристаллической решетки, которая действует как носитель тока. Эта вакансия или дыра имеет положительный заряд. Если электрон проходит рядом с дырой, он притягивается и заполняет дыру, завершая ковалентную связь.

Ток в этом типе полупроводникового материала протекает через отверстия.Этот тип полупроводникового материала называется материалом P-типа. P означает положительный, что относится к заряду отверстия.

Когда электрическое напряжение подается на кусок полупроводникового материала P-типа, электроны перетекают в материал с отрицательной клеммы источника напряжения и заполняют отверстия. Положительный заряд внешнего источника напряжения вытягивает электроны с внешних орбит, создавая новые дыры. Таким образом, электроны перемещаются от дырки к дырке. Электроны по-прежнему текут от отрицательного к положительному, но дырки перемещаются от положительного к отрицательному, поскольку они создаются внешним зарядом.

Ионный поток

В некоторых типах материалов, особенно в жидкостях и плазме, ток представляет собой комбинацию электронов и ионов.

На рисунке 8 показан упрощенный чертеж ячейки напряжения. Все элементы состоят из двух электродов из разных материалов, погруженных в химикат, называемый электролитом. Происходящая химическая реакция разделяет создаваемые заряды. Электроны накапливаются на одном электроде, поскольку он отдает положительные ионы, создавая отрицательный вывод, в то время как электроны вытягиваются из другого электрода, создавая положительный вывод.

РИСУНОК 8. Течение тока в химической ячейке.


Всякий раз, когда вы подключаете к этой батарее внешнюю нагрузку, электроны текут от отрицательной пластины через нагрузку к положительному электроду. Внутри клетки электроны текут от положительного к отрицательному, а положительные ионы — от отрицательного к положительному.

Жизнь в отрицании

Итак, почему мы продолжаем увековечивать миф об обычном потоке тока (CCF), когда мы уже сто лет знаем, что ток в большинстве электрических и электронных схем является потоком электронов (EF)? Я уже много лет задаю этот вопрос своим коллегам и другим представителям промышленности и науки.Несмотря на то, что поток электронов — это реальность, все инженерные школы настаивают на преподавании CCF. Если вы служили в вооруженных силах или поднялись по служебной лестнице в качестве техника, скорее всего, вы научились и предпочитаете поток электронов.

То, как вы выучили его в школе, вы обычно используете при разработке, анализе, устранении неполадок или обучении в реальном мире.

Действительно ли это важно?

Как вы, возможно, знаете, на самом деле не имеет значения, какое направление тока вы используете для анализа и проектирования схемы, работает в любом случае.Фактически, эта проблема затрагивает только DC, который течет только в одном направлении. В переменном токе электроны текут в обоих направлениях, перемещаясь вперед и назад с рабочей частотой. Но если на самом деле не имеет значения, в каком направлении мы движемся, то почему бы нам не принять истину и не покончить с этой ерундой раз и навсегда?

В заключение

Если вы когда-нибудь захотите завязать оживленный разговор или даже спор, попробуйте поднять эту тему в группе технических специалистов. Вы просто можете быть удивлены накалом чувств и ханжеством с обеих сторон.Я делал это много раз, и меня до сих пор поражает эмоциональная реакция, которую вызывает этот вопрос.

Я пришел к выводу, что концепция CCF никогда не будет оставлена. Это в некоторой степени похоже на принуждение всех нас перейти к метрической системе измерения с использованием метров и Цельсия, а не футов и Фаренгейта, с которыми мы более знакомы и привыкли. С этого момента обучение CCF будет продолжено. Я пришел к тому, чтобы принять все это как одну из странных причуд электроники. NV


ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Ранние исследователи электричества сначала открыли концепцию напряжения и полярности, а позже определили ток как движение зарядов.Термин «напряжение» означает энергию, которая заставляет ток течь. Первоначально напряжение создавалось статическими средствами, такими как трение или молния. Позже химические элементы и батареи использовались для создания постоянного заряда или напряжения. Затем были разработаны механические генераторы.

Заряды относятся к некоему физическому объекту, который движется, когда на него действует сила напряжения. Конечно, еще в 18 веке те, кто работал над электрическими проектами, толком не знали, каковы были расходы.Насколько они знали, заряды могли быть микроминиатюрными фиолетовыми кубиками внутри провода или другого проводника. Что они действительно знали, так это то, что напряжение заставляло заряды двигаться. В целях анализа и обсуждения они произвольно предположили, что заряды были положительными и перетекали с положительного на отрицательный. Это ключевой момент. Они действительно не знали направления тока, поэтому предположили, что происходит. И, как оказалось, не угадали. Нет ничего плохого в том, чтобы ошибаться, поскольку ученые часто выдвигают одну гипотезу, а позже обнаруживают, что истина — это что-то другое.Большая ошибка состоит в том, что неверная гипотеза сохраняется и преподается как истина.

В конце 19 века было окончательно установлено, что обсуждаемые заряды на самом деле были электронами, а ток на самом деле представлял собой электроны, протекающие от отрицательного вывода источника напряжения через цепь к положительной стороне источника напряжения. Это открытие сделал британский физик Джозеф Дж. Томсон в 1897 году. Наконец-то правда была доказана и открыта.


Корпус для обычного протекания тока.

  1. Традиционно.
  2. Большинство инженеров и некоторых технических специалистов узнали это таким образом.
  3. Очень сложно изменить такие вещи, как учебники по инженерии и условные обозначения (стрелки на диодах и транзисторах указывают в направлении CCF).
  4. Человеческая природа не терпит перемен.
  5. CCF стал стандартом де-факто.

Корпус для электронного потока.

  1. Это правда.
  2. Работу электронных устройств легче объяснить и изучить с помощью электронного потока.
  3. Почему бы не стандартизировать то, что есть на самом деле?

DK Science & Technology: Circuits

Электрический ток течет по петле, питая лампочки или другие электрические КОМПОНЕНТЫ. Петля — это электрическая цепь. Схема состоит из различных компонентов, связанных между собой проводами. Ток передается по цепи от источника питания, такого как БАТАРЕЯ.

Таблица 26. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕПИ

Напряжение — это энергия, отданная каждой единице заряда, протекающей в цепи
Ток — количество прошедшего электрического заряда точка в цепи каждую секунду
Мощность — это количество электроэнергии, которое цепь использует каждую секунду

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК?

Электрический ток — это поток электрического заряда (обычно в форме электронов) через вещество.Вещество или проводник, по которому протекает электрический ток, часто является металлической проволокой, хотя ток также может протекать через некоторые газы, жидкости и другие материалы.

КОГДА ИМЕЕТСЯ ТОК В КОНТУРЕ?

Ток течет только тогда, когда цепь замкнута — когда в ней нет промежутков. В замкнутой цепи электроны текут от отрицательной клеммы (соединения) источника питания через соединительные провода и компоненты, такие как лампы, и обратно к положительной клемме.

ЧТО ДЕЛАЕТ ТЕКУЩИЙ ПОТОК В КОНТУРЕ?

Когда провод подсоединяется к клеммам аккумулятора, электроны перетекают с отрицательного полюса на положительный. В отличие от (противоположных) зарядов притягиваются, подобные (одинаковые) заряды отталкиваются. Электроны имеют отрицательный заряд — они отталкиваются от отрицательного и притягиваются к положительному.

Аккумулятор — это компактный, легко транспортируемый источник электроэнергии. Когда батарея подключена к цепи, она обеспечивает энергию, которая движет электроны в токе.Батареи содержат химические вещества, которые вместе реагируют, разделяя положительный и отрицательный заряды.

ЧТО ВНУТРИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ?

Батарея состоит из одной или нескольких секций или ячеек. Внутри каждой ячейки два химически активных материала, называемых электродами, разделены жидкостью или пастой, называемой электролитом. Маленькие батарейки могут иметь только одну ячейку. Большие мощные батареи могут иметь шесть ячеек.

КАК РАБОТАЕТ АККУМУЛЯТОРНАЯ ЯЧЕЙКА?

Внутри ячейки электролит вступает в реакцию с электродами, заставляя электроны перемещаться через электролит от одного электрода к другому.Один электрод получает отрицательный заряд, а другой — положительный. Два электрода — это положительный и отрицательный выводы.

Различные объекты, составляющие схему, называются компонентами. Схема должна иметь источник питания, например аккумулятор, а ток течет по проводнику, например по проводу. Лампы, зуммеры и двигатели — это компоненты, которые преобразуют электричество в свет, звук и движение.

Батарея и другие компоненты искусственного кардиостимулятора посылают электрические импульсы по проводам к сердцу пациента, чтобы оно продолжало устойчиво биться.Кардиостимулятор вводится, когда сердце само по себе не бьется устойчиво.

Материал, хорошо проводящий ток, называется проводником. Металлы являются хорошими проводниками, потому что атомы металлов легко выпускают электроны, переносящие ток. Серебро и медь — лучшие проводники, а большинство электрических проводов сделано из меди. Для предотвращения поражения электрическим током провода покрывают изолятором.

Некоторые материалы плохо переносят ток. Говорят, что они сопротивляются (противодействуют) течению тока.Материалы, которые делают это, называются изоляторами. Пластик, стекло, резина и керамика — хорошие изоляторы. Изоляторы используются для покрытия проводов и компонентов для предотвращения поражения электрическим током и предотвращения протекания токов.

Выключатели похожи на ворота, которые контролируют поток электричества в цепи. Когда переключатель разомкнут, он создает разрыв в цепи, и ток не течет. Когда он замкнут, он замыкает цепь, и ток течет по нему. Переключатели используются в параллельных цепях для включения и выключения различных частей цепи.

КАК ПОСТАВЛЯЕТСЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ?

Большая часть электроэнергии, которую мы используем в своих домах и на работе, вырабатывается машинами на электростанциях, называемыми генераторами. Генераторы посылают электрический ток через огромную сеть цепей и проводов в дома, офисы и другие здания.

Сравнение обычных потоков и электронов | Основные понятия электричества

«В стандартах хорошо то, что их так много на выбор». — Эндрю С.Таненбаум, профессор информатики

Заряд положительных и отрицательных электронов

Когда Бенджамин Франклин высказал свое предположение относительно направления потока заряда (от гладкого воска к грубой шерсти), он создал прецедент для электрических обозначений, который существует по сей день, несмотря на тот факт, что мы знаем, что электроны являются составляющими единицами заряда. и что они перемещаются с шерсти на воск, а не с воска на шерсть, когда эти два вещества растираются друг с другом.Вот почему говорят, что электроны имеют отрицательный заряд : потому что Франклин предполагал, что электрический заряд движется в противоположном направлении, и поэтому объекты, которые он назвал «отрицательными» (представляющими недостаток заряда), на самом деле имеют избыток электронов .

К тому времени, когда было обнаружено истинное направление электронного потока, терминология «положительный» и «отрицательный» уже была настолько прочно установлена ​​в научном сообществе, что не было предпринято никаких усилий, чтобы изменить его, хотя называть электроны «положительными» было бы больше смысла в упоминании «лишнего» заряда.Видите ли, термины «положительный» и «отрицательный» являются изобретением человека и как таковые не имеют абсолютного значения за пределами наших собственных условностей языка и научного описания. Франклин мог бы так же легко называть избыток заряда «черным», а недостаток — «белым», и в этом случае ученые могли бы говорить об электронах, имеющих «белый» заряд (при том же неверном предположении о положении заряда между парафином и шерсть).

Условное обозначение расхода

Однако, поскольку мы склонны ассоциировать слово «положительный» с «избытком», а «отрицательный» — с «дефицитом», стандартное обозначение заряда электрона кажется отсталым. Из-за этого многие инженеры решили сохранить старую концепцию электричества с «положительным», относящимся к избытку заряда, и соответственно обозначить поток заряда (ток). Это стало известно как условное обозначение потока :

Обозначение электронного потока

Другие решили обозначать поток заряда в соответствии с фактическим движением электронов в цепи. Эта форма символов стала известна как электронный поток обозначение:

В обычных обозначениях потока мы показываем движение заряда согласно (технически неверным) обозначениям + и -.Таким образом, этикетки имеют смысл, но направление потока заряда неверно. В обозначении электронного потока мы следим за фактическим движением электронов в цепи, но метки + и — кажутся обратными. Действительно ли имеет значение, как мы обозначаем поток заряда в цепи? Не совсем, если мы единообразно используем наши символы. Вы можете следить за воображаемым направлением тока (обычный поток) или за фактическим (поток электронов) с одинаковым успехом в том, что касается анализа схемы. Концепции напряжения, тока, сопротивления, непрерывности и даже математические трактовки, такие как закон Ома (глава 2) и законы Кирхгофа (глава 6), остаются столь же актуальными для любого стиля записи.

Условное обозначение потока и электронное обозначение потока

Вы найдете условные обозначения потока, используемые большинством инженеров-электриков и иллюстрированные в большинстве учебников по инженерному делу. Электронный поток чаще всего встречается в вводных учебниках (этот, однако, от него отходят) и в трудах профессиональных ученых, особенно физиков твердого тела, которые озабочены реальным движением электронов в веществах. Эти предпочтения носят культурный характер в том смысле, что определенные группы людей сочли полезным представить себе движение электрического тока определенными способами.Поскольку большинство анализов электрических цепей не зависят от технически точного описания потока заряда, выбор между обычным обозначением потока и обозначением электронного потока является произвольным. . . почти.

Поляризация и неполяризация

Многие электрические устройства допускают наличие реальных токов любого направления без разницы в работе. Например, лампы накаливания (в которых используется тонкая металлическая нить накаливания, которая накаляется добела при достаточном токе), излучают свет с одинаковой эффективностью независимо от направления тока.Они даже хорошо работают на переменном токе (AC), где направление быстро меняется со временем. Проводники и переключатели работают также независимо от направления тока. Технический термин для обозначения этой несущественности потока заряда — неполяризация . Тогда мы могли бы сказать, что лампы накаливания, переключатели и провода — это неполяризованных компонентов. И наоборот, любое устройство, которое по-разному работает с токами разного направления, будет называться поляризованным устройством .

В электрических цепях используется много таких поляризованных устройств. Большинство из них состоит из так называемых полупроводниковых веществ , и поэтому они не рассматриваются подробно до третьего тома этой серии книг. Подобно выключателям, лампам и батареям, каждое из этих устройств представлено на схематической диаграмме уникальным символом. Как можно догадаться, символы поляризованных устройств обычно содержат где-то внутри стрелку, обозначающую предпочтительное или исключительное направление тока.Вот где действительно имеют значение конкурирующие обозначения обычного и электронного потока. Поскольку инженеры с давних времен остановились на традиционном потоке как на стандартной нотации своей «культуры», и поскольку инженеры — это те же люди, которые изобретают электрические устройства и символы, их представляющие, все стрелки, используемые в символах этих устройств , указывают в направлении обычный поток, а не поток электронов . Иными словами, на всех символах этих устройств есть стрелки, указывающие на и фактический поток электронов через них.

Возможно, лучшим примером поляризованного устройства является диод . Диод — это односторонний «клапан» для электрического тока, аналог обратного клапана для тех, кто знаком с водопроводными и гидравлическими системами. В идеале диод обеспечивает беспрепятственное прохождение тока в одном направлении (небольшое сопротивление или его отсутствие), но предотвращает прохождение тока в другом направлении (бесконечное сопротивление). Его схематическое обозначение выглядит так:

Помещенный в цепь батареи / лампы, он работает следующим образом:

Когда диод направлен в правильном направлении для пропускания тока, лампа светится.В противном случае диод блокирует прохождение тока так же, как разрыв цепи, и лампа не будет гореть.

Если мы обозначим ток в цепи, используя обычные обозначения потока, символ стрелки диода будет иметь смысл: треугольная стрелка указывает в направлении потока заряда, от положительного к отрицательному:

С другой стороны, если мы используем обозначение электронного потока, чтобы показать истинное направление движения электронов по цепи, символы стрелки диода кажутся обратными:

Только по этой причине многие люди предпочитают использовать условный поток при рисовании направления движения заряда в цепи. Если по какой-либо другой причине, символы, связанные с полупроводниковыми компонентами, такими как диоды, имеют больше смысла в этом случае. Однако другие предпочитают показывать истинное направление движения электронов, чтобы не говорить себе: «просто помните, что электроны на самом деле движутся в другую сторону» всякий раз, когда истинное направление движения электронов становится проблемой.

Что следует использовать: обычный ток или поток электронов?

Обе модели дадут точные результаты при последовательном использовании, и они одинаково «правильны», поскольку являются инструментами, которые помогают нам понимать и анализировать электрические схемы.Однако в контексте электротехники обычный ток гораздо более распространен. В этом учебнике используется обычный ток, и любой, кто намеревается изучать электронику в академической или профессиональной среде, должен научиться естественно думать об электрическом токе как о чем-то, что течет от более высокого напряжения к более низкому ».

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Напряжение и ток | Основные понятия электричества

Как упоминалось ранее, нам нужно нечто большее, чем просто непрерывный путь (т.е.е., цепь) до того, как возникнет непрерывный поток заряда: нам также нужны средства, чтобы протолкнуть эти носители заряда по цепи. Так же, как мрамор в трубе или вода в трубе, для инициирования потока требуется какая-то сила воздействия. В случае электронов эта сила — это та же сила, которая действует в статическом электричестве: сила, вызванная дисбалансом электрического заряда. Если мы возьмем примеры воска и шерсти, которые были натерты друг о друга, мы обнаружим, что избыток электронов в воске (отрицательный заряд) и дефицит электронов в шерсти (положительный заряд) создают дисбаланс заряда между ними.Этот дисбаланс проявляется как сила притяжения между двумя объектами:

Если между заряженным воском и шерстью поместить проводящую проволоку, электроны будут проходить через нее, так как некоторые из избыточных электронов в воске устремятся через провод, чтобы вернуться к шерсти, восполняя там недостаток электронов:

Дисбаланс электронов между атомами воска и атомами шерсти создает силу между двумя материалами. Поскольку электроны не могут перемещаться от воска к шерсти, все, что может сделать эта сила, — это притягивать два объекта вместе.Однако теперь, когда проводник перекрывает изолирующий зазор, сила заставит электроны течь в однородном направлении через провод, хотя бы на мгновение, пока заряд в этой области не нейтрализуется и сила между воском и шерстью не уменьшится. Электрический заряд, образующийся между этими двумя материалами при их трении друг о друга, служит для хранения определенного количества энергии. Эта энергия мало чем отличается от энергии, накопленной в высоком резервуаре с водой, который выкачивается из пруда нижнего уровня:

Влияние силы тяжести на воду в резервуаре создает силу, которая пытается снова опустить воду на более низкий уровень.Если подходящая труба будет проложена от резервуара обратно к пруду, вода под действием силы тяжести потечет вниз из резервуара по трубе:

Требуется энергия, чтобы перекачивать воду из пруда с низким уровнем в резервуар с высоким уровнем, и движение воды по трубопроводу обратно к исходному уровню представляет собой высвобождение энергии, накопленной от предыдущей откачки. Если вода перекачивается на еще более высокий уровень, для этого потребуется еще больше энергии, таким образом, будет сохранено больше энергии, и больше энергии будет высвобождено, если воде позволить снова течь по трубе обратно вниз:

Электроны мало чем отличаются.Если мы протираем воск и шерсть вместе, мы «откачиваем» электроны от их нормальных «уровней», создавая условия, при которых существует сила между парафином и шерстью, поскольку электроны стремятся восстановить свои прежние положения (и балансировать в своих соответствующие атомы). Сила, притягивающая электроны обратно в исходное положение вокруг положительных ядер их атомов, аналогична силе гравитации, действующей на воду в резервуаре, пытаясь вернуть ее к прежнему уровню. Подобно тому, как перекачка воды на более высокий уровень приводит к накоплению энергии, «перекачка» электронов для создания дисбаланса электрического заряда приводит к накоплению определенного количества энергии в этом дисбалансе.И точно так же, как обеспечение возможности для воды стекать обратно с высоты резервуара приводит к высвобождению этой накопленной энергии, предоставление возможности электронам течь обратно к их первоначальным «уровням» приводит к высвобождению накопленной энергии. Когда носители заряда находятся в этом статическом состоянии (точно так же, как вода, неподвижная, высоко в резервуаре), энергия, хранящаяся там, называется потенциальной энергией , потому что у нее есть возможность (потенциал) высвобождения, которая не была полностью реализована. еще.

Понимание концепции напряжения

Когда носители заряда находятся в статическом состоянии (точно так же, как вода, неподвижная, высоко в резервуаре), энергия, хранящаяся там, называется потенциальной энергией, потому что у нее есть возможность (потенциал) высвобождения, которая еще не полностью реализована. . Когда вы терзаете обувь с резиновой подошвой о тканевый ковер в сухой день, вы создаете дисбаланс электрического заряда между вами и ковром. При царапании ногами накапливается энергия в виде дисбаланса зарядов, вытесняемых из их первоначальных мест.Этот заряд (статическое электричество) является стационарным, и вы не заметите, что энергия вообще сохраняется. Однако как только вы положите руку на металлическую дверную ручку (с большой подвижностью электронов для нейтрализации вашего электрического заряда), эта накопленная энергия будет высвобождена в виде внезапного потока заряда через вашу руку, и вы будете воспринимать ее как поражение электрическим током! Эта потенциальная энергия, хранящаяся в виде дисбаланса электрического заряда и способная вызывать прохождение носителей заряда через проводник, может быть выражена термином, называемым напряжением, которое технически является мерой потенциальной энергии на единицу заряда или чем-то, что физик мог бы называют удельной потенциальной энергией.

Определение напряжения

В контексте статического электричества напряжение — это мера работы, необходимой для перемещения единичного заряда из одного места в другое, против силы, которая пытается сохранить баланс электрических зарядов. В контексте источников электроэнергии напряжение — это количество доступной потенциальной энергии (работа, которую необходимо выполнить) на единицу заряда для перемещения зарядов через проводник, поскольку напряжение — это выражение потенциальной энергии, представляющее возможность или потенциал для выделения энергии когда заряд перемещается с одного «уровня» на другой, он всегда находится между двумя точками.Рассмотрим аналогию с водохранилищем:

Из-за разницы в высоте падения существует вероятность того, что гораздо больше энергии будет выпущено из резервуара через трубопровод в точку 2, чем в точку 1. Принцип интуитивно понятен при падении камня: что приводит к более сильный удар, камень упал с высоты одного фута или тот же камень упал с высоты одной мили? Очевидно, что падение с большей высоты приводит к высвобождению большей энергии (более сильному удару). Мы не можем оценить количество накопленной энергии в водном резервуаре, просто измерив объем воды, точно так же, как мы можем предсказать серьезность удара падающей породы, просто зная вес камня: в обоих случаях мы также должны учитывать, как далеко эти массы упадут с их начальной высоты. Количество энергии, высвобождаемой при падении массы, зависит от расстояния между его начальной и конечной точками. Точно так же потенциальная энергия, доступная для перемещения носителей заряда из одной точки в другую, зависит от этих двух точек.Следовательно, напряжение всегда выражается как величина между двумя точками. Интересно, что аналогия с массой, потенциально «падающей» с одной высоты на другую, является настолько удачной моделью, что напряжение между двумя точками иногда называют падением напряжения .

Генерирующее напряжение

Напряжение можно генерировать другими способами, кроме трения материалов определенных типов друг о друга. Химические реакции, лучистая энергия и влияние магнетизма на проводники — вот несколько способов, которыми может создаваться напряжение.Соответствующими примерами этих трех источников напряжения являются батареи, солнечные элементы и генераторы (например, «генератор переменного тока» под капотом вашего автомобиля). На данный момент мы не будем вдаваться в подробности того, как работает каждый из этих источников напряжения — более важно то, что мы понимаем, как источники напряжения могут применяться для создания потока заряда в электрической цепи. Возьмем символ химической батареи и шаг за шагом построим схему:

Как работают источники напряжения?

Любой источник напряжения, включая аккумуляторные батареи, имеет две точки электрического контакта.В этом случае у нас есть точка 1 и точка 2 на приведенной выше диаграмме. Горизонтальные линии разной длины указывают на то, что это батарея, и дополнительно указывают направление, в котором напряжение этой батареи будет пытаться протолкнуть носители заряда по цепи. Тот факт, что горизонтальные линии в символе батареи кажутся разделенными (и, таким образом, не могут служить путем для потока заряда), не вызывает беспокойства: в реальной жизни эти горизонтальные линии представляют собой металлические пластины, погруженные в жидкий или полутвердый материал. который не только проводит заряды, но и генерирует напряжение, которое толкает их, взаимодействуя с пластинами.Обратите внимание на маленькие значки «+» и «-» непосредственно слева от символа батареи. Отрицательный (-) конец батареи всегда является концом с самым коротким тире, а положительный (+) конец батареи всегда является концом с самым длинным тире. Положительный конец батареи — это конец, который пытается вытолкнуть из нее носители заряда (помните, что по традиции мы думаем, что носители заряда заряжены положительно, даже если электроны заряжены отрицательно). Точно так же отрицательный конец — это конец, который пытается привлечь носители заряда.Когда «+» и «-» концы батареи ни к чему не подключены, между этими двумя точками будет напряжение, но не будет потока заряда через батарею, потому что нет непрерывного пути, по которому могут перемещаться носители заряда.

Тот же принцип справедлив и для аналогии с резервуаром для воды и насосом: без возвратной трубы обратно в пруд накопленная энергия в резервуаре не может быть выпущена в виде потока воды. После того, как резервуар полностью заполнен, поток не может возникнуть, независимо от того, какое давление может создать насос.Должен существовать полный путь (контур), по которому вода течет из пруда в резервуар и обратно в пруд, чтобы иметь место непрерывный поток. Мы можем обеспечить такой путь для батареи, подключив кусок провода от одного конца батареи к другому. Образуя цепь с петлей из проволоки, мы инициируем непрерывный поток заряда по часовой стрелке:

Понимание концепции электрического тока

Пока батарея продолжает вырабатывать напряжение и непрерывность электрического пути не нарушена, носители заряда будут продолжать течь в цепи.Следуя метафоре воды, движущейся по трубе, этот непрерывный, равномерный поток заряда через цепь называется током . Пока источник напряжения продолжает «толкать» в одном направлении, носители заряда будут продолжать двигаться в том же направлении в цепи. Этот однонаправленный поток тока называется , постоянный ток, или постоянный ток. Во втором томе этой серии книг исследуются электрические цепи, в которых направление тока переключается взад и вперед: переменного тока, или переменного тока.Но пока мы просто займемся цепями постоянного тока. Поскольку электрический ток состоит из отдельных носителей заряда, протекающих в унисон через проводник, перемещаясь и толкая носители заряда впереди, точно так же, как шарики через трубу или вода через трубу, величина потока в одной цепи будет одинаковой. в любой момент. Если бы мы отслеживали поперечное сечение провода в одной цепи, подсчитывая протекающие носители заряда, мы бы заметили точно такое же количество в единицу времени, что и в любой другой части цепи, независимо от длины проводника или проводника. диаметр.Если мы нарушим непрерывность цепи в любой точке , электрический ток прекратится во всей петле, и полное напряжение, создаваемое батареей, будет проявляться через разрыв между концами проводов, которые раньше были соединены:

Что такое полярность падения напряжения?

Обратите внимание на знаки «+» и «-», нарисованные на концах разрыва цепи, и на то, как они соответствуют знакам «+» и «-» рядом с выводами аккумулятора. Эти маркеры указывают направление, в котором напряжение пытается протолкнуть ток, это направление потенциала, обычно называемое полярностью .Помните, что напряжение всегда относительно между двумя точками. По этой причине полярность падения напряжения также является относительной между двумя точками: будет ли точка в цепи помечена знаком «+» или «-», зависит от другой точки, к которой она относится. Взгляните на следующую схему, где каждый угол петли отмечен номером для справки:

При нарушении целостности цепи между точками 2 и 3, полярность падения напряжения между точками 2 и 3 будет «+» для точки 2 и «-» для точки 3.Полярность батареи (1 «+» и 4 «-») пытается протолкнуть ток через петлю по часовой стрелке от 1 до 2, от 3 до 4 и снова обратно к 1. Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы снова соединим точки 2 и 3 вместе, но сделаем разрыв цепи между точками 3 и 4:

При разрыве между 3 и 4 полярность падения напряжения между этими двумя точками будет «-» для 4 и «+» для 3. Обратите особое внимание на тот факт, что «знак» точки 3 противоположен знаку в Первый пример, где разрыв был между точками 2 и 3 (где точка 3 была помечена «-»).Мы не можем сказать, что точка 3 в этой цепи всегда будет либо «+», либо «-», потому что полярность, как и само напряжение, не зависит от одной точки, но всегда относительна между двумя точками!

ОБЗОР:

  • Носители заряда могут двигаться через проводник с помощью той же силы, которая проявляется в статическом электричестве.
  • Напряжение — это мера удельной потенциальной энергии (потенциальной энергии на единицу заряда) между двумя точками.С точки зрения непрофессионала, это мера «толчка», позволяющая мотивировать обвинение.
  • Напряжение, как выражение потенциальной энергии, всегда относительно между двумя местоположениями или точками. Иногда это называют «падением напряжения».
  • Когда источник напряжения подключен к цепи, напряжение вызывает равномерный поток носителей заряда через эту цепь, называемый током .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *