Условия, необходимые для существования электрического тока

Электрическое поле внутри проводника с током

Проводникам с током можно придавать самую разнообразную форму. Провода можно намотать на катушку, согнуть под любым углом и т. д. При этом с помощью амперметра (прибора для измерения силы тока) можно обнаружить, что сила тока в проводнике не зависит от его формы.

Если не меняется сила тока в проводнике, то, согласно соотношению (2.2.7), не меняется и скорость направленного движения электронов в проводнике. Во всех сечениях проводника одного и того же диаметра она одинакова. Но скорость упорядоченного движения электронов зависит от силы, действующей на них, т. е. от напряженности электрического поля внутри проводника. Значит, напряженность поля во всех сечениях проводника должна быть одинаковой по модулю и не меняться при изменении формы проводника.

Линии напряженности электрического поля на протяжении всего проводника параллельны его поверхности

(оси проводника). Они не могут пронизывать поверхность проводника и при любой форме проводника повторяют его изгибы (рис. 2.9). Если бы линии напряженности пронизывали поверхность проводника изнутри, то вектор имел бы составляющую, перпендикулярную поверхности проводника. Заряженные частицы двигались бы к поверхности и накапливались на ней. Созданное этими зарядами поле неизбежно влияло бы на движение заряженных частиц, и сила тока не могла оставаться постоянной.

Окончание параграфа >>>

Видео

Понятие об электрическом токе

Подобно речному течению, потоку молекул воды, электрический ток — это поток заряженных частиц. Что это такое, что его вызывает, и почему он не всегда идет в одном направлении? Когда вы слышите слово «течет», о чем вы думаете? Возможно, это будет река. Это хорошая ассоциация, потому что именно по этой причине электрический ток получил свое название. Он очень похож на поток воды, только вместо молекул воды, движущихся по руслу, заряженные частицы движутся по проводнику.

Среди условий, необходимых для существования электрического тока, есть пункт, предусматривающий наличие электронов. Атомы в проводящем материале имеют много этих свободных заряженных частиц, которые плавают вокруг и между атомами. Их движение является случайным, поэтому поток в каком-либо заданном направлении отсутствует. Что же нужно, чтобы существовал электрический ток?

Условия существования электрического тока включают в себя наличие напряжения. Когда оно применяется к проводнику, все свободные электроны будут двигаться в одном направлении, создавая ток.

Электрическая энергия

Большая часть электроэнергии, которую мы используем, поступает в виде переменного тока из электрической сети. Он создается генераторами, работающими по закону индукции Фарадея, благодаря которому изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике.

Генераторы имеют вращающиеся катушки провода, которые проходят через магнитные поля по мере их вращения. Когда катушки вращаются, они открываются и закрываются относительно магнитного поля и создают электрический ток, меняющий направление на каждом повороте. Ток проходит через полный цикл вперед и назад 60 раз в секунду.

Генераторы могут питаться от паровых турбин, нагретых углем, природным газом, нефтью или ядерным реактором. Из генератора ток проходит через ряд трансформаторов, где растет его напряжение. Диаметр проводов определяет величину и силу тока, которую они могут переносить без перегрева и потери энергии, а напряжение ограничено только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли.

Закон сохранения заряда

Рисунок 1

Рисунок 1

Основным физическим законом считается закон сохранения электрического заряда. При выборе произвольной замкнутой поверхности S, изображенной на рисунке 1, ограничивающей объем V количество выходящего электричества в единицу времени (1 секунду) из объема V можно определить по формуле sjndS. Такое же количество электричества выражается через заряд qt, тогда получаем:

qt=SjndS (6), где jn считается проекцией вектора плотности на направление нормали к элементу поверхности dS, при этом:

jn=jcos a (7), где a является углом между направлением нормали к dS и вектором плотности тока. Уравнение (6) показывает частое употребление производной для того, чтобы сделать акцент на неподвижности поверхности S.

Выражение (6) считается законом сохранения электрического заряда в макроскопической электродинамике. Если ток постоянен во времени, тогда запись этого закона примет вид:

SjndS= (8).

Пример 1

Найти формулу для того, чтобы рассчитать конвекционный ток при его возникновении в длинном цилиндре с радиусом сечения R и наличием его равномерной скорости движения υ, который заряжен по поверхности равномерно. Значение напряженности поля у поверхности цилиндра равняется E. Направление скорости движения вдоль оси цилиндра. Решение Основой решения задачи берется определение силы тока в виде: I=dqdt (1.1). Из формулы (1.1) следует, что возможно нахождение элемента заряда, располагающегося на поверхности цилиндра. Напряженность поля равномерно заряженного цилиндра на его поверхности находится по выражению: E=σε (1.2), где σ является поверхностной плотностью заряда, ε=8,85·10-12 КлН·м2. Выразим σ из (1.2), тогда: σ=E·ε (1.3). Связь поверхностной плотности заряда с элементарным зарядом выражается при помощи формулы: dqdS=σ (1.4). Используя (1.3), (1.4), имеем: dq=E·edS (1.5). Выражение элемента поверхности цилиндра идет через его параметры: dS=2π ·Rdh (1.6), где dh является элементом высоты цилиндра. Запись элемента заряда поверхности цилиндра примет вид: dq=E·ε·2h·Rdh (1.7). Произведем подстановку из (1.7) в (1.1): I=d(E·ε·2π·Rdh)dt=2πRεEdhdt (1.8). Движение цилиндра идет вдоль оси, тогда запишем: dhdt=υ (1.9). Получим: I=2πRεEυ. Ответ: конвективный ток I=2πRεEυ.

Пример 2

Изменение тока в проводнике происходит согласно закону I=1+3t. Определить значение заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, за время t, изменяющегося от t1=3 с до t2=7 c. Каким должен быть постоянный электрический ток, чтобы за аналогичное время происходило то же значение заряда? Решение Основа решения задачи – выражение, связывающее силу тока и заряд, проходящий через поперечное сечение проводника: I=dqdt (2.1). Формула (2.1) показывает, что нахождение количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время от t1 до t2 возможно таким образом: q=∫t1t2Idt (2.2). Произведем подстановку имеющегося по условию закона в (2.2) для получения: q=∫t1t2(1+3t)dt=∫t1t2dt+∫t1t23tdt=t2-t1+3·t22t1t2=(t2-t1)+32t22-t12 (2.3). Вычислим заряд: q=7-3+32(72-32)=4+32·40=64 (Кл). Чтобы определить постоянный ток для получения силы используется формула: Iconst=qt (2.3), где t считается временем, за которое поперечное сечение проводника пройдет заряд q. Тогда время протекания заряда равняется: t=t2-t1 (2.4). Выражение (2.3) примет вид: Iconst=qt2-t1 (2.5). Произведем подстановку и вычислим: Iconst=647-3=644=16 (A). Ответ: q=64 Кл. Iconst=16 А..

Всё ещё сложно? Наши эксперты помогут разобраться Все услуги

Теги

Adblock
detector