Физика лекции / Постоянный электрический ток

Постоянный электрический ток – упорядоченное движение свободных зарядов в веществе или в вакууме.

Классификация:

1. Ток проводимости – направленное движение зарядов в проводящих телах (электроны в металлах, ионы в электролитах).

2. Конвекционный ток – движение заряженных тел и поток электронов или других заряженных частиц в вакууме.

Условия существования электрического тока:

1. Наличие свободных зарядов.

2. Наличие электрического поля, т.е. сил, действующих на эти заряды.

Сила тока – величина, равная заряду, который проходит через любое поперечное сечение проводника за единицу времени (1 секунду). Сила тока есть производная по времени от заряда, проходящего сквозь некоторое сечение или поверхность.

Измеряется в Амперах.

n – концентрация зарядов

q – величина заряда

S – площадь поперечного сечения проводника

- скорость направленного движения частиц.

Скорость движения заряженных частиц в электрическом поле небольшая – 7*10^-5 м/с, скорость распространения электрического поля 3*10⁸ м/с.

Траектории направленного движения положительных электрических зарядов по проводнику – линии тока, касательные к ним показывают направление скорости упорядоченного движения заряда.

Плотность тока – векторная характеристика электрического тока, численно равная отношению силы тока сквозь малый элемент поверхности, нормальный к направлению движения заряженных частиц, образующих ток, к площади этого элемента.

. Вектор плотности тока направлен по касательной к - линиям тока.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника тока – величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда по всей цепи.

, где E – напряжённость поля сторонних сил.

Закон Ома: . Закон Кирхгоффа:

Плотность тока в электролитах: .

Суммарная плотность тока:

Если каждая молекула диссоциирует на 2 иона, то

Сила, действующая на ион со стороны электрического поля равна силе трения:

- подвижность ионов – отношение скорости направленного движения ионов, вызванного электрическим полем, у напряжённости поля.

Пусть электролит – прямоугольный параллелепипед с гранями l.

; - сопротивление электролита.

- удельная электропроводность.

Любое устройство, явление, фактор, способный вызвать ионизацию молекул и атомов газа, называют ионизатором.

Ионизационный потенциал – работа, совершённая для ионизации одного атома, т.е. работ по отрыву одного электрона.

Обратный ионизации процесс – рекомбинация, при ней выделяется энергия.

Аэроионы – ионы и электроны, которые, находясь в воздухе, могут, присоединяясь к нейтральным молекулам и взвешенным частицам, образовать более сложные ионы.

Аэроионы бывают лёгкие и тяжёлые. Лёгкие применяются в аэроионотерапии (прибор - аэроионизатор), а тяжёлые – вредны.

Франклинизация – электростатический душ – разновидность аэроионотерапии.

Пусть дана замкнутая цепь из разных металлов (термопара), с концентрациями свободных ионов . Пусть контакты поддерживаются при температурах . Тогда:

Так как температуры различны, то . Вследствие этого возникает термоэлектродвижущая сила. Это явление – термоэлектричество.

.

Для того чтобы колебания в контуре не затухали, необходимо пополнять энергию контура, подавая напряжение, изменяющееся по гармоническому закону с течением времени: .

Колебания, которые происходят при участии внешнего периодически изменяющегося напряжения, называют вынужденными.

Переменный ток – это вынужденные электрические колебания. Сила тока и напряжение изменяются по гармоническому закону:.

Характеристики переменного тока:

1. Частота колебаний силы тока и напряжения - [Гц]

2. Период переменного тока – T [с]

3. Циклическая частота – число колебаний за 2 сек. - [рад/с]

4. Мгновенные значения силы тока и напряжения.

5. Амплитуды силы тока и напряжения.

6. Эффективное значение силы тока и напряжения (все измерительные приборы регистрируют это значение). Эффективное значение переменного тока – такое значение постоянного тока, который за одинаковое время в одном и том же проводнике выделяет такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.

7. Фаза колебания (), где - разность фаз колебаний силы тока и напряж.

Виды сопротивлений в цепи переменного тока:

1. Активные сопротивления – сопротивления, на которых происходит необратимый процесс превращения энергии электрического тока в тепловую энергию. Обозначаются: R. Определяется: .

Если в цепи только активное сопротивление:

1. подаётся напряжение .

2. энергия электрического тока переходит в тепло

3. сила тока (фазы одинаковы с напряжением).

4. величина активного сопротивления зависит от свойств проводника.

1. Реактивные сопротивления – сопротивления, на которых происходят обратимые процессы преобразования энергии электрического тока в энергию электрического и магнитного полей. Это сопротивление конденсатора и катушки индуктивности. Обозначается: .

Если в цепи только конденсатор:

1. подаётся напряжение

2. энергия электрического тока превращается в энергию электрического поля конденсатора, а затем наоборот.

3. 

4. 

Если в цепи только катушка индуктивности:

1. подаётся напряжение

2. энергия электрического тока превращается в энергию магнитного поля катушки, а затем наоборот.

3. 

4. 

Полная цепь переменного тока содержит все виды сопротивлений: активное, индуктивное и ёмкостное. При последовательном соединении источника активного сопротивления, конденсатора и катушки полное сопротивление цепи переменного тока (импеданс) равно:

Закон Ома: .

Если сопротивление катушки равно сопротивлению конденсатора, то импеданс цепи равен лишь активному сопротивлению. При этом амплитуда силы тока становится максимальной, наступает явления резонанса.

Резонанс – это резкое увеличение амплитуды колебаний. Условие резонанса – частота вынужденных колебаний равна частоте собственных колебаний.

При резонансе фазы колебаний силы тока и напряжения одинаковы.