Электрический ток в проводниках¶
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике, возникающее под действием электрического поля. В металлах носителями заряда выступают свободные электроны, в электролитах — ионы, в полупроводниках — электроны и дырки, в газах — ионы и электроны. Для существования тока необходимо наличие замкнутой электрической цепи и разности потенциалов (напряжения) между её точками.
¶Природа электрического тока
В металлических проводниках атомы образуют кристаллическую решётку, а валентные электроны слабо связаны со своими атомами и перемещаются по всему объёму материала. Эти свободные электроны при отсутствии внешнего электрического поля движутся хаотично, сталкиваясь с ионами решётки. При подключении проводника к источнику напряжения создаётся электрическое поле, которое действует на заряды с определённой силой, придавая их средней дрейфовой скорости направленный характер.
Скорость дрейфа электронов в типичных медных проводах составляет порядка 0,1 мм/с, что существенно меньше скорости теплового движения электронов (порядка 10⁵ м/с). При этом сигнал о включении тока распространяется со скоростью, близкой к скорости света в диэлектрике, поскольку электрическое поле устанавливается вдоль всего проводника практически мгновенно.
¶Закон Ома
Отношение между силой тока, напряжением и сопротивлением проводника описывается законом Ома: I = U / R, где I — сила тока (в амперах), U — напряжение (в вольтах), R — сопротивление (в омах). Сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров и удельного сопротивления материала: R = ρ · l / S, где ρ — удельное сопротивление, l — длина проводника, S — площадь поперечного сечения.
Удельное сопротивление зависит от природы материала и температуры. У металлов при нагреве сопротивление растёт, у полупроводников — уменьшается. Медь имеет удельное сопротивление около 0,017 Ом·мм²/м, алюминий — около 0,028 Ом·мм²/м, что определяет их широкое применение в электротехнике.
¶Виды электрического тока
По характеру изменения во времени различают:
- Постоянный ток — сила тока не меняется по времени или меняется незначительно.
- Переменный ток — сила тока периодически меняет направление и величину. В бытовой электросети России частота переменного тока составляет 50 Гц, напряжение — 220 В.
- Пульсирующий ток — меняется по величине, но не меняет направления.
- Синусоидальный ток — переменный ток, изменяющийся по синусоидальному закону.
¶Электрическая цепь
Для протекания тока необходима замкнутая цепь, состоящая из источника электрической энергии, проводников и потребителей. Источник создаёт разность потенциалов на своих клеммах, поддерживая постоянное электрическое поле в цепи. В гальванических элементах и аккумуляторах электрическая энергия получается за счёт химических реакций, в генераторах — за счёт механической энергии, преобразуемой в электрическую посредством электромагнитной индукции.
При последовательном соединении сила тока одинакова во всех участках цепи, а суммарное сопротивление равно сумме сопротивлений. При параллельном соединении напряжение на каждом участке одинаково, а обратная величина суммарного сопротивления равна сумме обратных величин сопротивлений отдельных ветвей.
¶Закон Джоуля — Ленца
При прохождении тока через проводник с ненулевым сопротивлением электрическая энергия преобразуется в тепловую. Количество теплоты, выделяемое проводником, определяется законом Джоуля — Ленца: Q = I² · R · t, где Q — количество теплоты (в джоулях), t — время прохождения тока. Этот закон объясняет работу электронагревательных приборов, ламп накаливания и является причиной нагрева электропроводки при чрезмерной нагрузке.
¶Электрическое поле в проводнике
В установившемся режиме электрическое поле внутри идеального проводника равно нулю, так как свободные электроны перераспределяются до полной компенсации внешнего поля. В реальном проводнике с конечным сопротивлением поддерживается слабое поле, которое и является причиной упорядоченного движения электронов. Напряжённость электрического поля связана с напряжением и длиной проводника соотношением E = U / l.
¶Проводники первого и второго рода
К проводникам первого рода относятся металлы и их сплавы, в которых носителями заряда являются свободные электроны. Проводники второго рода — жидкие (электролиты) и расплавленные соли, в которых перенос заряда осуществляется ионами. В электролитах одновременно с электрическим током происходит перенос вещества — электролиз, что находит применение в гальваностатии, получении чистых металлов и производстве щёлочей.
¶Сверхпроводимость
При охлаждении некоторых материалов до критической температуры их электрическое сопротивление падает до нуля — возникает состояние сверхпроводимости. Впервые этот эффект был обнаружен Х. Камерлингом-Оннесом в 1911 году у ртути при температуре 4,2 К. Сверхпроводники находят применение в магнитах МРТ, ускорителях частиц и сверхпроводящих квантовых интерферометрах.
Источники:
- Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики для поступающих в вузы
- Савельев И. В. Курс общей физики
- Фрадкин Б. М. Основы электротехники
- ГОСТ 20372-90. Термины и определения в области электротехники