В старых книгах про основы электроники любили сравнивать электрический ток с проточной водой. Именно там многие прочитали, что ток течет от плюса к минусу. Позже оказалось, что ток на самом деле течет наоборот, и вообще плюс-минус — это всё условно.
Создателем всей этой неразберихи был американец Бен Франклин — человек, который использовал воздушный змей, чтобы подвести электричество к земле. Он утверждал, что молнии не были признаком гнева богов, а лишь немного более крупными и опасными электрическими искрами. В подтверждение своих слов он решил запустить во время шторма воздушного змея и с его помощью поймать несколько огромных «искр» в банку. В конце концов, всё это дело привело к изобретению громоотвода.
Вскоре после этого Франклин предположил, что электричество имеет две природы, которые они назвали положительной (+) и отрицательной (-). Важно отметить что в то время (около 1750 г.) элементарные частицы еще не были известны, поэтому электричество сравнивали с водой. Итак, если бы у данного объекта было много электричества, он стал бы положительно заряженным. В свою очередь, дефицит был отрицательным. Согласно Франклину, при объединении двух противоположно заряженных объектов «электрическая жидкость» естественным образом перетекает от положительного заряда к отрицательному, как водопад текущий сверху вниз. Эта теория имела смысл и была подтверждена многочисленными экспериментами независимых ученых.
В последующие годы исследования в области электричества получили ускорение. Были открыты способы передачи электричества по проводам, описан феномен электромагнетизма и созданы новые электрические устройства, такие как батарея и лампочка. Учёные понимали электричество все лучше и лучше, и теория электрической жидкости перестала соответствовать этому пониманию. Но последний удар был нанесен примерно через 150 лет, когда был открыт электрон — мельчайшая заряженная частица. Это достижение стало прямым доказательством того, что:
- Электричество — это не жидкость, а физические частицы, которые несут с собой заряд,
- Отрицательный заряд — это не «недостаток электрической жидкости», а избыток электронов.
- Положительный заряд — это не «избыток электрической жидкости», а недостаток электронов.
Соединяя два противоположно заряженных объекта вместе, электроны перескакивают с отрицательно заряженного объекта на положительно заряженный. Электричество течет вопреки предположениям Франклина в другом направлении.
Представьте себе раздражение физиков того времени, когда они обнаружили что тысячи книг и публикаций, написанных за более чем 100 лет, были основаны на неправильном предположении. С одной стороны, все переписать уже невозможно, но после открытия электрона всё-таки не получится делать вид, что направление «от плюса к минусу» было правильным.
Да, возможно электроны перетекают с отрицательного на положительный, но мы все еще не можем видеть эти отдельные частицы. Горит же и обычная лампочка, как бы ее не подключали к батарее. Так есть ли смысл переворачивать мир науки с ног на голову? Может просто согласиться с тем, что электричество течет так, как сейчас? Вроде никто не заметит разницы.
Когда рассказывалась история Франклина, ни разу не использовался термин «электрический ток». Это потому, что в те времена такой концепции просто не существовало, и потребовалось еще 50 лет упорной работы блестящих умов, чтобы открыть «мобильность заряда». Прорыв произошел только в начале 19 века, благодаря новой области науки под названием электрохимия. Это не только позволило создать непрерывный поток электрического заряда, но и посеяло первое зерно сомнения среди поклонников теории перетекания электричества от плюса к минусу.
Погружение двух разных металлических пластин в раствор кислоты заставляло электричество течь между ними. Но природа этого явления была неизвестна, пока Фарадей не решил изучить его поближе. В ходе эксперимента он заметил, что одна из пластин буквально растворяется у него на глазах, а на другой появляется металлический налет. Текущий заряд вызвал поток вещества, и Фарадей правильно сделал вывод, что поскольку пластины были сделаны из двух разных металлов, в растворе должен был быть поток двух разных зарядов одновременно — отрицательного и положительного, которые он назвал ионами.
Сначала считалось, что «движущееся электричество» полностью отличается от «статического электричества», и эти две области рассматривались отдельно. Но это было только начало проблемы. Следующие годы принесли еще больше интригующих открытий. Изучая поток заряда в проводах, начали замечать взаимосвязь между генерируемым напряжением, размерами проводника и температурой, до которой он нагревается. Возникла идея сопротивления, благодаря которому можно было определить количество протекающего электричества. В свою очередь, физик Эрстед заметил что электричество, протекающее по проводу, мешает работе компаса — так родилась другая, совершенно новая отрасль электротехники — электромагнетизм.
Каждое последующее открытие требовало создания новых математических уравнений и формул. Постепенно стали замечаться взаимосвязи между различными электрическими величинами. Были созданы законы Джоуля, Ома, Кирхгофа и электромагнитной индукции. Поток электричества мог вызвать явления, о которых Франклин даже не предполагал. Исследования становились все более точными, и все открытия приходилось как-то выражать, измерять и сравнивать. В какой-то момент в мире было 4 полностью отдельных системы электрических потоков. Чтобы во всем этом не запутаться, нужно было как-то все это стандартизировать.
Электрический ток
По проводам течет электрический ток. Причем он именно «течет», практически как вода. Представим, что вы — счастливый фермер, который решил полить свой огород из шланга. Вы чуть-чуть приоткрыли кран, и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала.
Сила струи очень слабая. Потом вы решили, что напор нужен побольше и открыли кран на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что ни один помидор не останется без внимания, хотя в обоих случаях диаметр шланга одинаков.
А теперь представьте, что вы наполняете два ведра из двух шлангов. У зеленого напор сильнее, у желтого — слабее. Быстрее наполнится то ведро, в которое льется вода из шланга с сильным напором. Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из двух разных шлангов тоже разный. Иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.
Если мы возьмем проводник с током, то будет происходить то же самое: заряженные частицы будут двигаться по проводнику, как и молекулы воды. Если больше заряженных частиц будет двигаться по проводнику, то «напор» тоже увеличится.
- Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.
Сущность электричества
Случайное движение электронов в теле существует всегда. Называется оно тепловым. Из-за того, что электрон имеет маленькую массу, скорость движения носителя заряда довольно высокая. При комнатной температуре она составляет примерно 100 км/с. Создать направленное движение, получить ток, можно и самостоятельно с помощью простых предметов. Для этого понадобится приготовить:
- 2 электрометра — устройства, позволяющие обнаруживать электрические заряды.
- Проводник.
- Лист пластика.
- Бумагу.
После трения бумаги о пластик произойдёт электризация предметов. На них начнут скапливаться заряды одного знака. Это можно проверить, поднеся пластиковый лист к замкнутым проводником электрометрам. Стрелки на приборах отклонятся в одну и ту же сторону. Происходит это из-за скопления носителей частиц. Если убрать проводник, заряды не смогут вернуться, то есть оба электрометра останутся заряженными.
Проверить, какой заряд находится в устройствах, можно с помощью эбонитовой палочки. Известно, что если её потереть о шёлк, на ней скапливаются отрицательные частицы. Поднеся её к электрометрам, можно обнаружить, что на одном стрелка вернётся в исходное состояние, а на втором отклонится ещё больше. Другими словами, первое устройство будет характеризоваться избытком электронов, а второе — их недостатком.
Теперь если соединить 2 противоположно заряженных электрометра проводником, стрелки вернутся к нулю. Произошедшее можно объяснить существованием электрического поля. Под его действием элементарные носители зарядов начинают двигаться в проводнике. Из места, где их больше, они перемещаются туда, где их меньше. Это и есть направленное движение электрозарядов, то есть электрический ток.
Итак, при соединении проводником противоположно заряженных предметов возникает направленное движение электронов. О существовании электрического тока учёные узнали в конце XVIII веке. Но электроны были открыты только в XIX веке (1897 год). Физики, когда получили электроток, понимали, что происходит движение зарядов, но какова их природа, не знали, поэтому решили принимать за направление электрического тока движение положительных частиц. Это решение, как выяснилось в дальнейшем, оказалось не совсем корректным.
Сила тока
Сразу возникает потребность в величине, которой мы будем «напор» электрического тока измерять. Такая, чтобы она зависела от количества частиц, которые протекают по проводнику.
Сила тока — это физическая величина, которая показывает, какой заряд прошел через проводник за единицу времени.
Как обозначается сила тока?
Сила тока обозначается буквой I
| Сила тока I = q/t I — сила тока [A] q — заряд [Кл] t — время [с] |
Сила тока измеряется в амперах. Единица измерения выбрана не просто так.
Во-первых, она названа в честь физика Андре-Мари Ампера, который занимался изучением электрических явлений. А во-вторых, единица этой величины выбрана на основе явления взаимодействия двух проводников.
Здесь аналогии с водопроводом провести, увы, не получится. Шланги с водой не притягиваются и не отталкиваются вблизи друг друга (а жаль, было бы забавно).
Когда ток проходит по двум параллельным проводникам в одном направлении, проводники притягиваются. А когда в противоположном направлении (по этим же проводникам) — отталкиваются.
За единицу силы тока 1 А принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.
Задача
Найти силу тока в цепи, если за 2 секунды в ней проходит заряд, равный 300 мКл.
Решение:
Возьмем формулу силы тока
I = q/t
Подставим значения
I = 300 мКл / 2 с = 150 мА
Ответ: сила тока в цепи равна 150 мА
Чтобы хорошо запомнить теорию, нужно много практики. Классический курс по физике для 10 класса в онлайн-школе Skysmart — отличная возможность попрактиковаться в решении задач.
Почему надо знать историю физических открытий
Природу электрических явлений пытались объяснить многие исследователи задолго до открытия электрона (1897 г.). Впервые к пониманию о существовании двух типов зарядов — положительных и отрицательных пришел американский физик Бенджамин Франклин в 1747 г. На основе своих наблюдений он предположил (выдвинул гипотезу), что существует некая “электрическая материя”, состоящая из мелких, невидимых частиц. Он же первым ввел обозначение для электрических зарядов “−” и “+”. Франклин предложил считать, что если тело наполняется электрической материей, то оно заряжается положительно, а если оно теряет электричество, то заряжается отрицательно. В случае замыкания (соединения) цепи положительный заряд потечет туда, где его нет, то есть к “минусу”. Эта плодотворная гипотеза стала популярной, получила свое признание среди ученых, вошла в справочники и учебные пособия.
Конечно, после открытия отрицательно заряженного электрона, эта “нестыковка” реального направления движения с ранее общепринятым была обнаружена. Однако, мировым научным сообществом было принято решение оставить в силе предыдущую формулировку о направлении тока, поскольку в большинстве практических случаев это ни на что не влияет.
В случае необходимости, для объяснения отдельных физических эффектов в полупроводниках и искусственных материалах (гетероструктурах), принимается во внимание настоящее направление движения электронов. Бенджамин Франклин знаменит еще как выдающийся политический деятель, дипломат и писатель
Он является одним из авторов конституции США. В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет
Бенджамин Франклин знаменит еще как выдающийся политический деятель, дипломат и писатель. Он является одним из авторов конституции США. В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет.
Рис. 3. Изображение купюры 100 долларов США с портретом Бенджамина Франклина.
Проводники и диэлектрики
Некоторые делят мир на черное и белое, а мы — на проводники и диэлектрики.
- Проводники — это материалы, которые проводят электрический ток. Самыми лучшими проводниками являются металлы.
- Диэлектрики — материалы, которые не проводят электрический ток. Изи!
| Проводники | Диэлектрики |
| Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам | Воздух, дистиллированная вода, поливинилхлорид, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухое дерево, каучук |
То, что диэлектрик не проводит электрический ток, не значит, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передавать.
Значение перемещения электронов в электрической схеме
Понимание того, как идет в цепи ток, необходимо при составлении такого графического изображения расположения электронных деталей, как схема
Важно понимать, откуда течет ток, для того чтобы правильно располагать на схеме, затем соединять различные радиоэлектронные элементы. Если для таких радиодеталей, как конденсатор, резистор, полярность подключения не имеет значения, то полупроводниковый транзистор,
диод необходимо размещать на схеме и затем запитывать, учитывая направление движения тока, иначе они и собираемое с их использованием устройство, электронный блок не будут правильно функционировать.
Таким образом, знание физической сущности направления течения заряженных частиц в проводнике, электролите, полупроводнике позволит любому человеку не только расширить свой кругозор, но и применять его на практике при монтаже электропроводки, пайке различных электронных блоков и схем. Также подобная информация поможет разобраться в том, почему произошла поломка того или иного электроприбора, как ее устранить и предотвратить в будущем.
Направление тока
Раньше в учебниках по физике писали так: когда-то давно решили, что ток направлен от плюса к минуса, а потом узнали, что по проводам текут электроны. Но электроны эти — отрицательные, а значит к минусу идти не могут. Но раз уже условились о направлении, поэтому оставим, как есть. Вопрос тогда возникал у всех: почему нельзя поменять направление тока? Но ответ так никто и не получил.
Сейчас пишут немного иначе: положительные частицы текут по проводнику от плюса к минусу, туда и направлен ток. Здесь вопросов ни у кого не возникает.
| Так и какая версия верна? На самом деле, обе. Носители заряда в каждом типе материала разные. В металлах — это электроны, в электролитах — ионы. У каждого типа частиц свои знаки и потребность в том, чтобы бежать к противоположно заряженному полюса источника тока. Не будем же мы для каждого типа материала выбирать направление тока, чтобы решить задачу! Поэтому принято направлять ток от плюса к минусу. В большинстве задач школьного курса направление тока роли не играет, но есть то самое коварное меньшинство, где этот момент будет очень важным. Поэтому запомните — направляем ток от плюса к минусу. |
Движение частиц в различных проводниках
Электроток способен возникнуть не только в металлах, но и других веществах. При этом они могут находиться в различных агрегатных состояниях. Чтобы лучше понять тему, стоит указать и движение тока в жидкостях, газах и твердых веществах:
- Металлы обладают большим количеством свободных электронов, которые и являются основным источником электротока.
- Электролиты представляют собой жидкости, которые способны проводить электроток. К этой группе проводников принадлежат растворы солей, кислот, щелочей. Оказавшись в воде, молекулы всех этих веществ расщепляются на ионы — заряженные отдельные атомы либо их группы. Ионы могут иметь положительный (катионы) либо отрицательный (анионы) заряд. Именно вследствие их направленного движения в растворах возникает электроток.
- В плазме и газах электроток вызывает перемещение положительных ионов и электронов, имеющих отрицательный заряд.
- В вакууме ток появляется благодаря вылетающим с поверхности металла электронам.
Ток, возникающий вследствие передвижения заряженных частиц внутри тел относительно определенной среды, называется электротоком проводимости.
Также существует определение конвекционного электротока, представляющего собой движение макроскопических частиц. Примером конвекционного тока являются дождевые капли во время молнии.
Источник тока
Вода в шланге берется из водопровода, ключа с водой в земле — в общем, не из ниоткуда. Электрический ток тоже имеет свой источник.
В качестве источника может выступить, например, гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. Эти реакции выделяют энергию, которая потом передается электрической цепи.
У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения. По сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «-».
Причины появления
Заряженные частицы начинают перемещаться благодаря действию различных источников питания. К их числу принадлежат батареи, аккумуляторы, генераторы и другие устройства, способные превращать всевозможные виды энергии в электрическую. Во время этих преобразований наглядно проявляется закон сохранения энергии. Частицы начинают движение в тот момент, когда электрическая цепь замыкается, что приводит к появлению в проводнике электрополя.
Именно оно и оказывает определенное воздействие на свободные частицы. Во время исследований ученые установили, что каждый источник электротока обладает электродвижущей силой (ЭДС). Следует помнить, что электроны не появляются благодаря источнику питания, а присутствуют в материале проводника. Они начинают двигаться под прямым воздействием электрополя, так как не связаны атомными связями и являются свободными.
В качестве примера можно привести замкнутую систему труб, воду в которых перекачивает насос. В зависимости от размеров труб и числа ответвлений, жидкость будет перемещаться в них с разной скоростью.
Все эти свойства присущи и течению электротока, которое изменяется в зависимости от сечения проводников.
Амперметр
Мы знаем, куда ток направлен, в чем измеряется сила тока, как ее вычислить, зная заряд и время, за которое этот заряд прошел. Осталось только измерить.
Прибор для измерения силы тока называется амперметр. Его включают в электрическую цепь последовательно с тем проводником, в котором ток измеряют.
Амперметры бывают очень разными по принципу действия: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и индукционные — и это только самые распространенные.
Мы рассмотрим только принцип действия теплового амперметра, потому что для понимания принципа действия других устройств необходимо знать, что такое магнитное поле и катушки.
Тепловой амперметр основан на свойстве тока нагревать провода. Устроен так: к двум неподвижным зажимам присоединена тонкая проволока. Эта тонкая проволока оттянута вниз шелковой нитью, связанной с пружиной. По пути эта нить петлей охватывает неподвижную ось, на которой закреплена стрелка. Измеряемый ток подводится к неподвижным зажимам и проходит через проволоку (на рисунке стрелками показан путь тока).
Под действием тока проволока немного нагреется, из-за чего удлинится, вследствие этого шелковая нить, прикрепленная к проволоке, оттянется пружиной. Движение нити повернет ось, а значит и стрелку. Стрелка покажет величину измерения.
Течение в электроцепи
Электрическая цепь предназначена приносить пользу. Например, зажигать свет, заставлять крутиться двигатель, обогревать помещение с помощью спиральных нагревателей
Но в принципе, какая будет польза от электричества неважно, главное, что оно подводится к потребителям
Таким образом, самая простая электроцепь состоит из трёх частей:
- источника – элемента, создающего электрическое поле;
- проводника – вещества, обеспечивающего замкнутость цепи для прохождения тока;
- потребителя – нагрузки, преобразующей электроэнергию в полезную работу.
Куда и как будет в простой цепи идти ток, догадаться несложно. Он будет течь от положительного полюса источника напряжения, проходить через нагрузку и поступать на отрицательный вывод. Но реальные электрические цепи обычно содержат намного больше элементов. Их наибольшее количество определяется мощностью источника тока. Ведь если потребление превысит генерацию, энергии просто не хватит на совершение полезной работы.
Изображать цепь принято с помощью электрической схемы. Она состоит из ветвей, узлов и условных изображений радиоэлементов. С помощью неё специалисту легко понять предназначение цепи, в каких точках будет то или иное напряжение и сила тока.
Например, можно рассмотреть простую задачу, рассчитанную на учащихся седьмых классов. На рисунке приведена схема. Нужно определить направление тока на всех участках. Чтобы правильно решить задание, необходимо указать полюса в источнике тока. Затем от плюса расставить стрелки, чтобы они в итоге показывали путь к минусу. При этом в узлах схемы нужно отметить места, где электрический ток расходится или, наоборот, сходится.
Где используется и в чём преимущества переменного и постоянного тока
Для выполнения различных задач может потребоваться использование как переменного тока, так и постоянного. У каждого вида тока есть свои недостатки и достоинства.
Переменный ток чаще всего используется тогда, когда присутствует необходимость передачи тока на большие расстояния. Такой ток передавать целесообразнее с точки зрения возможных потерь и стоимости оборудования. Именно поэтому в большинстве электроприборов и механизмов используется только этот вид тока.
Жилые дома и предприятия, инфраструктурные и транспортные объекты находятся на расстоянии от электростанций, поэтому все электрические сети — переменного тока. Такие сети питают все бытовые приборы, аппаратуру на производствах, локомотивы поездов. Приборов, работающих на переменном токе невероятное количество и намного проще описать те устройства, в которых используется постоянный ток.
Постоянный ток используется в автономных системах, таких, например, как бортовые системы автомобилей, летательных аппаратов, морских судов или электропоездов. Он широко используется в питании микросхем различной электроники, в средствах связи и прочей технике, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций или исключить их полностью. В ряде случае, такой ток используется в электросварочных работах с помощью инверторов. Существуют даже железнодорожные локомотивы, которые работают от систем постоянного тока. В медицине такой ток используется для введения лекарств в организм с помощью электрофореза, а в научных целях для разделения различных веществ (электрофорез белков и прочее).
