Ток это в физике: Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы — урок. Физика, 8 класс.

Ток на единицу площади поперечного сечения известен как плотность тока . Он выражается в амперах на квадратный метр, амперах на квадратный сантиметр или амперах на квадратный миллиметр. Плотность тока также может быть выражена в амперах на круговой мил. В общем, чем больше ток в проводнике, тем выше плотность тока. Однако в некоторых ситуациях плотность тока неодинакова в разных частях электрического проводника. Классический пример — так называемая 9-ка.0035 скин-эффект , при котором плотность тока высока вблизи внешней поверхности проводника и низка вблизи центра. Этот эффект возникает при переменном токе высокой частоты. Другим примером является ток внутри активного электронного компонента, такого как полевой транзистор (FET).

Электрический ток всегда создает магнитное поле. Чем сильнее ток, тем интенсивнее магнитное поле. Пульсирующий постоянный или переменный ток обычно создает электромагнитное поле. Это принцип, по которому происходит распространение беспроводного сигнала.

См. также напряжение, сопротивление и закон Ома.

Последнее обновление: октябрь 2021 г.

кроссплатформенная мобильная разработка

Кроссплатформенная мобильная разработка — это подход к разработке программных приложений, совместимых с несколькими мобильными операционными системами (ОС) или платформами.

Сеть

• управление неисправностями

  Управление сбоями — это компонент управления сетью, который обнаруживает, изолирует и устраняет проблемы.

• изящная деградация

  Мягкая деградация — это способность компьютера, машины, электронной системы или сети поддерживать ограниченную функциональность даже …

• Синхронная оптическая сеть (SONET)

  Synchronous Optical Network (SONET) — это североамериканский стандарт синхронной передачи данных по оптическим волокнам.

Безопасность

• менеджер паролей

  Менеджер паролей — это технологический инструмент, который помогает пользователям Интернета создавать, сохранять, управлять и использовать пароли в различных онлайн-средах …

• Код аутентификации сообщения на основе хэша (HMAC)

  Hash-based Message Authentication Code (HMAC) — это метод шифрования сообщений, в котором используется криптографический ключ в сочетании с …

• Брандмауэр веб-приложений (WAF)

  Брандмауэр веб-приложений (WAF) — это брандмауэр, который отслеживает, фильтрует и блокирует трафик протокола передачи гипертекста (HTTP) по мере его. ..

ИТ-директор

• рамки соблюдения

  Структура соответствия — это структурированный набор руководств, в котором подробно описаны процессы организации для поддержания соответствия…

• качественные данные

  Качественные данные — это информация, которую невозможно подсчитать, измерить или выразить с помощью чисел.

• зеленые ИТ (зеленые информационные технологии)

  Green IT (зеленые информационные технологии) — это практика создания и использования экологически устойчивых вычислительных ресурсов.

HRSoftware

• опыт кандидата

  Опыт кандидата отражает отношение человека к прохождению процесса подачи заявления о приеме на работу в компанию.

• непрерывное управление производительностью

  Непрерывное управление эффективностью в контексте управления человеческими ресурсами (HR) представляет собой надзор за работой сотрудника . ..

• вовлечения сотрудников

  Вовлеченность сотрудников — это эмоциональная и профессиональная связь, которую сотрудник испытывает по отношению к своей организации, коллегам и работе.

Служба поддержки клиентов

• лид-скоринг

  Оценка лидов — это методология, используемая отделами продаж и маркетинга для определения ценности лидов или потенциальных …

• построить на заказ

  Сборка на заказ — это методология и производственная практика, при которых продукт создается после получения подтвержденного заказа.

• управление данными клиентов (CDM)

  Управление данными о клиентах (CDM) — это набор административных процессов, позволяющих получать данные о клиентах и ​​взаимодействиях с ними …

9.1 Электрический ток — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описать электрический ток
• Определить единицу электрического тока
• Объясните направление тока

До сих пор мы рассматривали в основном статические заряды. Когда заряды действительно двигались, они ускорялись в ответ на электрическое поле, создаваемое разностью потенциалов. Заряды теряли потенциальную энергию и приобретали кинетическую энергию, когда они проходили через разность потенциалов, когда электрическое поле действительно работало над зарядом.

Хотя для протекания зарядов не требуется материал, большая часть этой главы посвящена изучению движения зарядов через материал. Скорость, с которой заряды проходят мимо определенного места, то есть количество заряда в единицу времени, известна как электрический ток . Когда заряды протекают через среду, ток зависит от приложенного напряжения, материала, через который проходят заряды, и состояния материала. Особый интерес представляет движение зарядов в проводнике. В предыдущих главах заряды ускорялись за счет силы, обеспечиваемой электрическим полем, теряя потенциальную энергию и приобретая кинетическую энергию. В этой главе мы обсудим ситуацию с силой, обеспечиваемой электрическим полем в проводнике, где заряды теряют кинетическую энергию, и материал достигает постоянной скорости, известной как « скорость дрейфа ». Это аналогично объекту, падающему через атмосферу и теряющему кинетическую энергию в воздухе, достигая постоянной конечной скорости.

Если вы когда-либо проходили курс по оказанию первой помощи или технике безопасности, вы, возможно, слышали, что в случае поражения электрическим током сила тока, а не напряжение, является важным фактором, определяющим тяжесть поражения и его количество. повреждения человеческого организма. Ток измеряется в единицах, называемых амперами; Вы, возможно, заметили, что автоматические выключатели в вашем доме и предохранители в вашем автомобиле рассчитаны на ампер (или ампер). Но что такое ампер и что он измеряет?

Определение силы тока и силы тока

Электрический ток определяется как скорость, с которой протекает заряд. Когда присутствует большой ток, например, используемый для работы холодильника, большое количество заряда проходит по проводу за небольшой промежуток времени. Если ток небольшой, например, используемый для работы портативного калькулятора, небольшое количество заряда перемещается по цепи в течение длительного периода времени.

Электрический ток

Средний электрический ток I — скорость течения заряда,

Iave=ΔQΔt, Iave=ΔQΔt,

9.1

, где ΔQΔQ — количество чистого заряда, прошедшего через данную площадь поперечного сечения за время ΔtΔt (рис. 9.2). Единицей силы тока в СИ является ампер (А), названный в честь французского физика Андре-Мари Ампера (1775–1836). Поскольку I=ΔQΔtI=ΔQΔt, мы видим, что ампер определяется как один кулон заряда, проходящий через данную площадь в секунду:

1A≡1Cs.1A≡1Cs.

9,2

Мгновенный электрический ток, или просто электрический ток, является производной по времени от протекающего заряда и находится путем принятия предела среднего электрического тока как Δt→0Δt→0:

I=limΔt→0ΔQΔt=dQdt. I=limΔt→0ΔQΔt=dQdt.

9,3

Большинство электрических приборов рассчитаны на ампер (или амперы), необходимые для правильной работы, как и предохранители и автоматические выключатели.

Рисунок 9.2 Скорость потока заряда является текущей. Ампер — это поток заряда в один кулон через площадь за одну секунду. Ток в один ампер возникнет, если 6,25×10186,25×1018 электронов пройдут через площадь 9.0162 A каждую секунду.

Пример 9.1

Расчет среднего тока

Основное назначение аккумуляторной батареи в легковом или грузовом автомобиле — питание электрического стартера, который запускает двигатель. Операция запуска транспортного средства требует подачи большого тока от аккумуляторной батареи. Как только двигатель запускается, устройство, называемое генератором переменного тока, берет на себя подачу электроэнергии, необходимой для работы автомобиля и для зарядки аккумулятора.

(a) Какой средний ток возникает, когда аккумуляторная батарея грузового автомобиля приводится в движение с зарядом 720 Кл за 4,00 с при запуске двигателя? б) Сколько времени требуется, чтобы заряд батареи составил 1,00 Кл?

Стратегия

Мы можем использовать определение среднего тока в уравнении I=ΔQΔtI=ΔQΔt, чтобы найти средний ток в части (a), поскольку заряд и время заданы. Для части (b), когда мы знаем средний ток, мы можем определить его определение I=ΔQΔtI=ΔQΔt, чтобы найти время, необходимое для того, чтобы 1,00 C заряда вытек из батареи.

Раствор

а. Ввод заданных значений заряда и времени в определение тока дает

I=ΔQΔt=720C4,00с=180C/с=180A.I=ΔQΔt=720C4,00с=180C/с=180A.

б. Решение зависимости I=ΔQΔtI=ΔQΔt для времени ΔtΔt и ввод известных значений заряда и тока дает

Δt=ΔQI=1,00C180C/с=5,56×10-3 с=5,56 мс 5,56×10-3 с=5,56 мс.

Значение

а. Это большое значение тока иллюстрирует тот факт, что большой заряд перемещается за небольшой промежуток времени. Токи в этих «стартерах» достаточно велики, чтобы преодолеть инерцию двигателя. б. Большой ток требует короткого времени для подачи большого количества заряда. Этот большой ток необходим для подачи большого количества энергии, необходимой для запуска двигателя.

Пример 9.2

Расчет мгновенных токов

Рассмотрим заряд, движущийся по поперечному сечению провода, где заряд моделируется как Q(t)=QM(1−e−t/τ)Q(t)=QM(1−e−t/τ). Здесь QMQM — это заряд после длительного периода времени по мере приближения времени к бесконечности в единицах кулонов, а ττ — постоянная времени в единицах секунд (см. рис. 9.3). Какова сила тока в проводе?

Рисунок 9.3 График движения заряда через поперечное сечение провода с течением времени.

Стратегия

Ток через поперечное сечение можно найти из I=dQdtI=dQdt. Обратите внимание на рисунок, что заряд увеличивается до QMQM, а производная уменьшается, приближаясь к нулю, по мере увеличения времени (рис. 9.4).

Раствор

Производную можно найти, используя ddxeu=eududxddxeu=eududx.

I=dQdt=ddt[QM(1−e−t/τ)]=QMτe−t/τ. I=dQdt=ddt[QM(1−e−t/τ)]=QMτe−t/τ.

Рисунок 9.4 График изменения тока, протекающего по проводу, во времени.

Значение

Ток через рассматриваемый провод уменьшается экспоненциально, как показано на рис. 9.4. В следующих главах будет показано, что ток, зависящий от времени, появляется, когда конденсатор заряжается или разряжается через резистор. Напомним, что конденсатор — это устройство, хранящее заряд. Вы узнаете о резисторе в модели проводимости в металлах.

Проверьте свое понимание 9.1

В портативных калькуляторах часто используются небольшие солнечные батареи для обеспечения энергией, необходимой для выполнения вычислений, необходимых для сдачи следующего экзамена по физике. Ток, необходимый для работы вашего калькулятора, может составлять всего 0,30 мА. Сколько времени потребуется для того, чтобы 1,00 Кл заряда вытекли из солнечных элементов? Можно ли использовать солнечные элементы вместо батарей для запуска традиционных двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время в большинстве легковых и грузовых автомобилей?

Проверьте свое понимание 9.

2

Автоматические выключатели в доме измеряются в амперах, обычно в диапазоне от 10 до 30 ампер, и используются для защиты жильцов от вреда и их приборов от повреждения из-за больших токов. Один 15-амперный автоматический выключатель можно использовать для защиты нескольких розеток в гостиной, а один 20-амперный автоматический выключатель можно использовать для защиты холодильника на кухне. Какой вывод вы можете сделать из этого о токе, потребляемом различными приборами?

Ток в цепи

В предыдущих параграфах мы определили ток как заряд, протекающий через площадь поперечного сечения в единицу времени. Чтобы заряд протекал через устройство, такое как фара, показанная на рис. 9.5, должен быть полный путь (или цепь) от положительного вывода к отрицательному. Рассмотрим простую схему автомобильного аккумулятора, выключателя, лампы фары и проводов, обеспечивающих путь тока между компонентами. Чтобы лампа зажглась, должен быть полный путь для протекания тока. Другими словами, заряд должен иметь возможность покинуть положительную клемму батареи, пройти через компонент и вернуться к отрицательной клемме батареи. Переключатель там для управления цепью. В части (а) рисунка показана простая схема автомобильного аккумулятора, выключателя, токопроводящей дорожки и лампы фары. Также показана схема цепи [часть (b)]. Схема — это графическое представление схемы, которое очень полезно для визуализации основных характеристик схемы. На схемах используются стандартные символы для представления компонентов в цепях и сплошные линии для обозначения проводов, соединяющих компоненты. Батарея показана в виде серии длинных и коротких линий, представляющих исторический гальванический столб. Лампа изображена в виде круга с петлей внутри, представляющей собой нить накаливания лампы накаливания. Переключатель показан в виде двух точек с проводящей полосой для соединения двух точек, а провода, соединяющие компоненты, показаны сплошными линиями. Схема в части (c) показывает направление тока, когда переключатель замкнут.

Рисунок 9,5 а) Простая электрическая схема фары (лампы), аккумулятора и выключателя. Когда переключатель замкнут, непрерывный путь для протекания тока обеспечивается проводящими проводами, соединяющими нагрузку с клеммами батареи. (б) На этой схеме батарея представлена ​​параллельными линиями, которые напоминают пластины оригинальной конструкции батареи. Более длинные линии указывают на положительную клемму. Проводники показаны сплошными линиями. Переключатель показан в разомкнутом положении в виде двух клемм с линией, представляющей проводящую полосу, которая может контактировать между двумя клеммами. Лампа представлена ​​кругом, охватывающим нить накала, как в лампе накаливания. (c) Когда переключатель замкнут, цепь замкнута, и ток течет от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи.

Когда переключатель замкнут, как показано на рис. 9.5(c), существует полный путь прохождения заряда от положительной клеммы батареи через переключатель, затем через фару и обратно к отрицательной клемме батареи. Обратите внимание, что направление тока течет от положительного к отрицательному. Направление обычного тока всегда представлено в направлении, в котором будет течь положительный заряд, от положительного вывода к отрицательному.

Обычный ток течет от положительной клеммы к отрицательной клемме, но в зависимости от реальной ситуации могут перемещаться положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое. В металлических проводах, например, ток переносится электронами, то есть движутся отрицательные заряды. В ионных растворах, таких как соленая вода, движутся как положительные, так и отрицательные заряды. Это верно и для нервных клеток. Генератор Ван де Граафа, используемый для ядерных исследований, может производить ток чисто положительных зарядов, таких как протоны. В ускорителе Тэватрон в Фермилабе перед его закрытием в 2011 году столкнулись пучки протонов и антипротонов, летящие в противоположных направлениях. Протоны положительны, и поэтому их ток направлен в том же направлении, в котором они движутся. Антипротоны заряжены отрицательно, и поэтому их ток направлен в направлении, противоположном направлению движения реальных частиц.

Ток, протекающий по проводу, более подробно показан на рис. 9.6. На рисунке показано движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток считается направленным в сторону положительного заряда, можно проследить до американского ученого и государственного деятеля Бенджамина Франклина в 1700-х годах. Не зная о частицах, из которых состоит атом (а именно о протоне, электроне и нейтроне), Франклин полагал, что электрический ток течет от материала, в котором больше «электрической жидкости», к материалу, в котором меньше этого «электрического флюида». электрическая жидкость». Он ввел термин положительный для материала, в котором было больше этой электрической жидкости, и отрицательный для материала, в котором не было электрической жидкости. Он предположил, что ток будет течь от материала с большим количеством электрического флюида — положительного материала — к отрицательному материалу, в котором меньше электрического флюида. Франклин назвал это направление тока положительным током. Это было довольно продвинутое мышление для человека, который ничего не знал об атоме.

Рисунок 9,6 Текущий I — это скорость, с которой заряд проходит через площадь A , такую ​​как поперечное сечение провода. Обычный ток определяется как движущийся в направлении электрического поля. (а) Положительные заряды движутся в направлении электрического поля, которое совпадает с направлением обычного тока. б) Отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Обычный ток направлен в сторону, противоположную движению отрицательного заряда. Поток электронов иногда называют электронным потоком.

Теперь мы знаем, что материал является положительным, если в нем больше протонов, чем электронов, и отрицательным, если в нем больше электронов, чем протонов. В проводящем металле протекание тока обусловлено в первую очередь электронами, текущими от отрицательного материала к положительному, но по историческим причинам мы рассматриваем протекание положительного тока, и показано, что ток течет от положительного вывода батареи к положительному.