ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Причины электрического тока Заряженные объекты являются причиной не только электростатического поля, но еще и электрического тока. В этих двух явлениях, есть существенное отличие: Для возникновения электростатического поля требуются неподвижные, каким-то образом зафиксированные в пространстве заряды. Для возникновения электрического тока, требуется наличие свободных, не закрепленных заряженных частиц, которые в электростатическом поле неподвижных зарядов приходят в состояние упорядоченного движения вдоль силовых линий поля. Упорядоченное движение свободных зарядов вдоль силовых линий поля - электрический ток.
Количественной мерой тока служит I - заряд, перенесенный через заданную поверхность S (или через поперечное сечение проводника), в единицу времени. Если за время через поверхность переносится заряд , то сила тока равна: Если движение свободных зарядов таково, что оно не приводит к перераспределению зарядов пространстве то в этом частном случае электрическое поле статическое. Этот частный случай является постоянным током. Ток, не изменяющийся по величине со временем – называется постоянным током
две основные характеристики электрического тока – это сила тока I и плотность тока j. Как известно из курса школьной физики, есть В отличие от силы тока, которая есть величина скалярная и направления не имеет, плотность тока – это вектор. Связь между этими двумя физическими величинами такова: Или наоборот, модуль вектора плотности тока численно равен отношению силы тока через элементарную площадку, перпендикулярную направлению движения носителей заряда, к ее площади: Плотность тока j - есть более подробная характеристика тока, чем сила тока I. j - характеризует ток локально, в каждой точке пространства, а I – это интегральная характеристика, привязанная не к точке, а к области пространства, в которой протекает ток. плотность тока j связана с плотностью свободных зарядов ρ и со скоростью их движения :
За направление вектора принимают направление вектора положительных носителей зарядов. Если носителями являются как положительные, так и отрицательные заряды, то плотность тока где и – объемные плотности зарядов. Там, где носители только электроны плотность тока
Поле вектора можно изобразить графически с помощью линий тока, которые проводят так же, как и линии вектора напряженности Для постоянного тока в однородном проводнике с поперечным сечением S сила тока: Из этого следует, что плотности постоянного тока в различных поперечных сечениях 1 и 2 цепи обратно пропорциональны площадям S 1 и S 2 этих сечений :
Свободные электромагнитные колебания в контуре быстро затухают и поэтому практически не используются. И наоборот, незатухающие вынужденные колебания имеют большое практическое значение. Вынужденные электрические колебания появляются при наличии в цепи периодической электродвижущей силы. Электрические лампы в наших квартирах и на улице, холодильник и пылесос, телевизор и магнитофон — все они работают, используя энергию электромагнитных колебаний. На применении электромагнитных колебаний основана работа электромоторов, приводящих в действие станки на заводах и фабриках, движущих электровозы и т. п. Во всех этих примерах речь идет об использовании одного из видов электромагнитных колебаний — переменного электрического тока. Переменным называют ток, периодически изменяющийся по модулю и направлению. Переменный электрический ток в энергетических электрических цепях является результатом возбуждения в них вынужденных электромагнитных колебаний, которые создаются генератором переменного тока.
Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Если индуктивность проводника очень мала, то при включении его в цепь переменного тока индукционными полями можно пренебречь по сравнению с внешним электрическим полем. Тогда движение электрических зарядов в проводнике определяется действием только внешнего электрического поля, напряженность которого пропорциональна напряжению на концах проводника. При изменении напряжения по гармоническому закону напряженность электрического поля в проводнике изменяется по такому же закону. Под действием переменного электрического поля в проводнике возникает переменный электрический ток, частота и фаза колебаний которого совпадает с частотой и фазой колебаний напряжения: U=Um cos ωt i=Im cos ωt
Поток магнитной индукции Ф, пронизывающий проволочную рамку площадью S, пропорционален косинусу угла α между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции Ф=B*S*cos α При равномерном вращении рамки угол α увеличивается прямо пропорционально времени α = ωt Где ω- угловая скорость вращения рамки
Колебания силы тока в цепи являются вынужденными электрическими колебаниями, возникающими под действием приложенного переменного напряжения. Амплитуда силы тока равна: Im = U m / R При совпадении фаз колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность переменного тока равна: P = i*U = Im. Um 2 ωt cos Среднее значение квадрата косинуса за 1 период равно 0, 5. В результате средняя мощность за период P = I m Um / 2 = 2 R Im /2
Поток магнитной индукции меняется по гармоническому закону Ф=B*S*cos ωt Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС индукции в рамке равна взятой со знаком «-» скорости изменения потока магнитной индукции, т. е. производной потока магнитной индукции по времени Где Em e=-Ф’= -BS(cos ωt)’= = BSω * sin ωt = Em = BSω sin ωt - амплитуда ЭДС индукции
Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Если индуктивность проводника настолько мала, что при включении его в цепь переменного тока индукционными полями можно пренебречь по сравнению с внешним электрическим полем, то движение электрических зарядов в проводнике определяется действием только внешнего электрического поля, напряженность которого пропорциональна напряжению на концах проводника. При изменении напряжения по гармоническому закону напряженность электрического поля в проводнике изменяется по такому же закону. U=Um cos ωt Под действием переменного электрического поля в проводнике возникает переменный электрический ток, частота и фаза колебаний которого совпадает с частотой и фазой колебаний напряжения: i=Im cos ωt
Поток магнитной индукции Ф, пронизывающий проволочную рамку площадью S, пропорционален косинусу угла α между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции Ф=B*S*cos α При равномерном вращении рамки угол α увеличивается прямо пропорционально времени α = ωt Где ω- угловая скорость вращения рамки
Колебания силы тока в цепи являются вынужденными электрическими колебаниями, возникающими под действием приложенного переменного напряжения. Амплитуда силы тока равна: Im = U m / R При совпадении фаз колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность переменного тока равна: P = i*U = Im. Um 2 ωt cos Среднее значение квадрата косинуса за 1 период равно 0, 5. В результате средняя мощность за период P = I m Um / 2 = 2 R Im /2
Поток магнитной индукции меняется по гармоническому закону Ф=B*S*cos ωt Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС индукции в рамке равна взятой со знаком «-» скорости изменения потока магнитной индукции, т. е. производной потока магнитной индукции по времени e=-Ф’= -BS(cos ωt)’= = BSω * sin ωt = Em sin Em = BSω ωt Где - амплитуда ЭДС индукции
Сопротивление, включенное в цепь переменного тока, в котором происходит превращение электрической энергии в полезную работу или в тепловую энергию, называется активным сопротивлением. Мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения. Поэтому для нахождения мгновенного значения силы тока можно применить закон Ома i=u/R=Um cos ωt/R = Im co В проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока совпадают по фазе с колебаниями напряжения, а амплитуда силы тока определяется равенством Мощность в цепи постоянного тока на участке с сопротивлением R определяется по формуле Мгновенная мощность в цепи переменного тока на участке с активным сопротивлением R, определяется формулой Средняя мощность равна 2 R P=I 2 R P=i Im = U m / R 2 R = I 2 R/2 P¯= i
Величина, равная квадратному корню из среднего значения квадрата силы тока, называется действующим значением силы переменного тока. Действующее значение силы переменного тока обозначается через I: Действующее значение переменного напряжения определяется аналогично действующему значению силы тока: Колебания силы тока в цепи с резистором совпадают по фазе с колебаниями напряжения, а мощность определяется действующими значениями силы тока и
Скачать презентацию ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК Причины электрического тока Заряженные объекты
Физика.Веб 5 электрический ток.ppt