Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. И так мы с вами изучили раздел электростатики, раздела физики - электродинамики, который изучает взаимодействие неподвижных зарядов, однако, неподвижные заряды не так уж часто нужны для практического применения. На практике, как правило, мы имеем дело с зарядами, которые движутся. Именно движение зарядов вызывает различное действие такие как: свечение лампочек, нагревание электронагревательных приборов, выполнение работы электродвигателями и поэтому мы переходим с вами изучению движения электрических зарядов.
Но прежде, чем переходить к новому разделу, давайте вспомним те темы, которые мы с вами прошли по электростатике, и так первая тема была: Электрические заряды и их взаимодействие. Закон Кулона, Закон Кулона (продолжение), далее порешали задачи на применение закона Кулона (1 часть, 2 часть, 3 часть), далее прошли тему напряженности электрического поля и силовые линии электростатического поля, далее порешали задачи на напряженность электрического поля (1 часть, 2 часть), далее порешали комбинированные задачи на движение заряда в электрическом поле, далее прошли тему потока вектора напряженности электрического поля, теорема Гаусса, напряженность поля неточечных зарядов, далее порешали задачи на поток вектора напряженности электрического поля, далее прошли тему плоского конденсатора и проводников в электрическом поле, диэлектрики в электростатическом поле и диэлектрическая проницаемость, работа электрического поля по переносу заряда, потенциал и электрическое напряжение, порешали простейшие задачи на электрический потенциал, поговорили о свойства электрического потенциала и эквипотенциальных поверхностях, электрон-вольт и потенциал точечного заряда, порешали задачи на электрический потенциал (1 часть, 2 часть, 3 часть), далее прошли метод электростатических изображений, электрическую емкость и конденсаторы, емкость плоского конденсатора и классификация конденсаторов, соединение конденсаторов в батареи, порешали простейшие задачи на электрическую емкость, прошли тему энергии электрического поля, порешали задачи на электрическую емкость, и в конце темы подробно порешали задачи по всей теме электростатики (1 часть, 2 часть, 3 часть)
Ну а теперь давайте перейдем к новой теме...
И так, на самом деле в любом проводнике, в любых условиях электрические заряды движутся...например, у нас есть проводник - металлическая проволока. в этом проводнике есть свободные носители зарядов и сейчас они движутся, причем, скорость этого движения очень приличная. И мы эту скорость уже умеем рассчитывать по формуле из молекулярной физики. Вспомним шутливое мнемоническое правило запоминания этой формулы:
" три кота, делить на массу".
И если посчитать скорость электронов при комнатной температуре, зная массу электронов, то оказывается, что при температуре скорость движения электронов в проводнике порядка ста километров в секунду, но это движение хаотическое и поэтому нас с вами интересовать не будет, а интересовать нас будет направленное движение электрических зарядов. И направленное движение электрических зарядов называется электрическим током. Так вот сейчас мы с вами приступаем к большой теме, заниматься ей мы будет достаточно долго и эта тема называется законы постоянного электрического тока.
И так мы уже эту лекцию начали с неформального определения электрического тока, а теперь давайте запишем строгое определение электрического тока.
Электрический ток - это направленное движение электрических зарядов.
Понятно, что если заряды движутся направленно, то и у тока есть направление, ведь заряды могут двигаться в одну сторону и другую. В проводнике свободные заряды - это электроны, в других проводниках - это могут быть и положительно заряженные частицы, например, немного позже мы с вами познакомимся с токопереносом в полупроводниках. Там носителем зарядов могут быть как бы положительные частицы, которые называются очень интересно они называются "дырками" - это такие своеобразные пузырьки в электронном газе, которые имеют положительный заряд. В электролитах положительно заряженные ионы, тоже являются свободными носителями заряда. Так что же принимать за направление электрического тока? Направление движения положительных или отрицательных зарядов? А тут все зависит от того как мы с вами договоримся. а договорились так, что за направление тока принимается направление движения положительных зарядов. Давайте себе это отметим.
За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.
Т.е если, например, в проводнике электроны движутся слева направо, то мы говорим, что ток течет справа налево. Если мы хотим выяснить направление тока, зная условия его протекания, т.е куда, например, направлено электрическое поле, например, которое вызывает этот ток, то нужно представить себе, что у нас в этом поле находятся положительно заряженные частицы.
Когда электрический ток течет по проводнику глазами этого увидеть нельзя, но тем не менее, как мы помним, из более наших ранних лекции, что протекание электрического тока сопровождается проявлением некоторых явлений, которые называются действия электрического тока.
Понятно, что действие тока более заметно, чем этот ток сильнее. А что значит, что ток сильнее? Так и существует такое выражение, как сила тока. Что это такое? Давайте вспомним. Мы на самом деле это совсем недавно вспоминали это. Что такое сила тока?
Сила тока - это физическая величина равная отношению заряда, протекающего через поперечное сечение проводника ко времени протекания заряда.
Это правильно, но не совсем... это чуточку устарело теперь для нас. Дело в том, что сила тока может быть не постоянной. До сих пор мы предполагали и в течении длительного времени будем предполагать, что сила тока постоянна. Это что-то вроде равномерного движения электрических зарядов, равномерного упорядоченного движения электрических зарядов. Тогда какой бы мы промежуток времени не взяли результат деления величины заряда на промежуток времени будет всегда один и тот же. А если ток может менять свою силу, тогда мы будем пользоваться таким же подходом, как пользовались введением мгновенной скорости. Надо взять небольшой промежуток времени. Когда мы говорили о мгновенной скорости, мы делили перемещение на небольшом участке траектории, т.е за небольшой промежуток времени на продолжительность этого промежутка.
Сила тока - это физическая величина равная отношению заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за небольшой промежуток времени к длительности этого промежутка.
А теперь смотрите...мы с вами будем рассматривать законы постоянного тока. Что такое постоянный ток? Если сила тока постоянная величина и не меняется со временем, то ток называется постоянным.
А теперь давайте рассмотрим какие же условия должны выполняться, для того чтобы мы получили постоянный и не меняющийся с течением времени электрический ток.
Давайте еще раз запишем условия существования постоянного электрического тока.
- Наличие свободных носителей заряда
- Наличие электрического поля
- Наличие замкнутой цепи
- Источник тока - это устройство в котором переносят заряд против сил электростатического поля называется источником тока
А теперь давайте подумаем вот над чем. Сторонняя сила перемещает в пространстве носителей заряда и если на носитель заряда действует сила и при этом носитель заряда движется, то сила совершает работу. Т.е в источнике тока сторонние силы совершают работу и как вы думаете от чего зависит величина этой работы? Зависит ли, например, величина работы сторонних сил от того какой заряд они перенесли? Вот, если сторонняя сила перенесла два кулона электричества, а в другом случае она перенесла один кулон электричества. В каком случае сторонняя сила совершила большую работу? Естественно, когда она перенесла два кулона. Если она перенесла 10 кулон, то работа будет во столько раз больше во сколько раз больше перенесенный сторонними силами заряд.
Электродвижущая сила источника тока - это физическая величина равная отношению работы сторонних сил по переносу заряда в замкнутой цепи к величине перенесенного заряда.
А теперь очень важный момент... в источнике тока, когда во внутренней части цепи сторонние силы перемещают заряд и поскольку ток у нас постоянный, то заряд перемещается равномерно. На заряд внутри источника тока действуют две силы:
- сторонняя сила, которая движет его против электрического поля
- противоположно направленная электрическая сила
Эти силы по модулю равны и противоположны по направлению. Чему равна суммарная работа электрической силы и сторонней силы? Нулю...потому что не меняется кинетическая энергия носителей заряда. и так давайте поговорим о работе сторонней силы и о работе электрической силы.
Вся электрическая цепь может быть разделена на внутреннюю часть, ту где действуют сторонние силы и на внешнюю, там где носители зарядов переносятся только электрическим полем.
А теперь попробуем ответить на вопрос: как сделать так чтобы сторонние силы создавали электрическое поле? Способов существует множество, поскольку мы знаем, что существует множество различных источников тока:
- химические источники тока - гальванические элементы и аккумуляторы.
- фотоэлементы - солнечные батареи.
- генераторы
Как работают генераторы, мы еще позже с вами подробно разберем, а в заключении давайте посмотрим на то что работа источника тока чем-то напоминает работу насоса, только он качает не воду, а электрические заряды. и давайте рассмотрим такую аналогию.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, подпишись на канал и поддержи автора