Электричество в доме Все об электроэнергии для Вашего дома
У многих запоминание основных понятий электродинамики вызывает проблему. Для лучшего усвоения материала необходима ассоциация, которая покажет смысл главных определений и явлений. Рассмотрим на простейших примерах рассматриваются важнейшие понятия, связанные с электричеством.
Содержание
Суть электрического тока и поля
Электрический ток – движение заряженных частиц в одном направлении. Он направлен туда, куда движутся положительные заряды. Данное явление можно сравнить с движениями молекул воды в трубе. Хаотичные колебания не являются течением, так как их суммарная направленность равна нулю.
Чтобы все молекулы начали передвигаться в одном направлении, нужно приложить силу. Например, поднять один конец трубы, тогда вода начнёт перетекать в противоположном направлении. А для появления тока нужно создать электрическое поле. Так как частицы заряжены (они положительные), то в присутствии поля они будут передвигаться в одном направлении.
Существует две разновидности тока:
- постоянный – у которого направление движения заряда не меняется со временем;
- переменный – у которого направление движения периодически меняется.
Данное явление сопровождается некоторыми процессами:
- магнитными, что характерно для всех проводников;
- тепловыми, что также есть везде, кроме сверхпроводников;
- химическими, что имеется лишь в электролитах.
Условия существования электрического тока в проводнике:
- присутствие в проводнике свободных заряженных частиц;
- появление электрического поля.
Основные понятия
Прежде чем разбирать, каковы условия существования электрического тока, полезно познакомиться с основными понятиями, которые часто используются при описании процессов.
Сила тока
В формулах обозначается как I (и), единицей измерения является ампер (А). Силой тока называют то, какой заряд протекает через поперечное сечение проводника за единицу времени. Ассоциацией может стать то, сколько воды протекает через сечение трубы за единицу времени.
Напряжение
В формулах обознается как U, единицей измерения является Вольт (В). Напряжение – это работа, которая совершается для перемещения по электрической цепи одной положительно заряженной частицы. В сравнении с водой можно привести такую ассоциацию, что это объём работы, который нужен для перемещения литра жидкости из одного конца трубы в другой.
Сопротивление
Сопротивление в формулах обозначается как R, единицей измерения служит Ом (Ом). Физический смысл явления заключается в сопротивлении, которое оказывает проводник при движении частиц. В вакууме заряды перемещаются гораздо быстрее, так как им ничто не мешает, но в веществе на них ложится дополнительная нагрузка из-за кристаллической решётки.
Удельное сопротивление для каждого материала своё, это статичные цифры, которые можно посмотреть в справочнике. Интересно, что этот параметр сильно зависит от температуры, что объясняется движением элементов кристаллической решётки, а также высвобождением частиц при повышении температуры.
Чтобы было понятней, нужно вспомнить движение воды по трубе. Ведь жидкость при течении тоже испытывает сопротивление, которое выражается в силе трения. Но для более схожей картины нужно представить, что вся труба уставлена решётками, которые тоже притормаживают движение воды.
Электрическое поле
Важным условием существования электрического тока является одноимённое поле. Оно требуется для того, чтобы все заряженные частицы начали двигаться в одном направлении. Формула этого явления такая: на заряд q в созданном поле с напряжением E действует сила F = q*E. Именно она и вынуждает заряженные частицы перемещаться в определённом направлении.
При отсутствии поля в проводнике нет разности потенциалов (в любых его двух точках). Поэтому доказательством наличия в проводнике поля может послужить неравенство потенциалов. Движущиеся же заряды стремятся эту разность нейтрализовать. Именно из-за этого поле не способно вечно поддерживать ток. Так как с течением времени заряженные частицы уберут неравенство потенциалов, что приведёт к исчезновению электрического поля.
Чтобы движение зарядов было в замкнутой цепи постоянно, нужен внешний источник энергии неэлектрической природы, который будет создавать разность потенциалов в системе. Такой прибор именуется источником тока, обязательный конструктивный элемент в нём – устройство, преобразующее химическую, механическую, тепловую или ядерную энергию в электрическую.
Свободные заряды
Другим важнейшим условием существования электрического тока в проводнике является наличие заряженных частиц. Существует всего 2 разновидности: электрон и протон. Электрон – отрицательный заряд, который в атомах вращается по сложной орбите вокруг ядра. Протон – положительно заряженная частица, которая гораздо тяжелее и крупнее электрона, она вместе с нейтронами (незаряженными) создаёт ядро атома.
Отсюда видно, что большая часть протонов и электронов в веществе не свободна, а соединена в молекулах. Однако электрический ток могут создавать лишь свободные частицы, так как связанные заряды нейтрализуют друг друга. Тем не менее, во многих соединениях имеются свободные частицы, к таким веществам относится вода, многие металлы.
Интересно, что количество свободных зарядов можно увеличить, если передать энергию атому. Тогда электрон слетит с орбиты и освободиться. Энергию можно передать с помощью нагревания. Известно, что у полупроводников увеличивается количество свободных заряженных частиц при повышении температуры.
Скорость тока
При создании условий существования электрического тока в цепи, он возникает во всём проводнике мгновенно, то есть со скоростью света, несмотря на то, что протоны движутся гораздо медленнее. Это связано с тем, что протоны, как будто толкают друг друга, поэтому, когда протон в одном конце проводника начинает своё движение, то почти сразу начинают двигаться частицы в другом конце цепи.
Приведём пример с водой. Если в трубе уже есть жидкость, то, закачивая в один её конец ещё один литр, можно обнаружить, что из другого конца сразу же полилась вода. Несмотря на то, что залитая вода не продвинулась по трубе. Просто новый литр приводит в движение сразу всю жидкость, которая находится в ёмкости.
Читайте также:
