В электродинамике — разделе учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов или макроскопических заряженных тел, важнейшим понятием является понятие электрического тока.
Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. В проводнике под действием приложенного электрического поля Ε свободные электрические заряды перемещаются: положительные — по полю, отрицательные — против поля, т.е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости. Если же упорядоченное движение электрических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела, то возникает так называемый конвекционный ток.
Для возникновения и существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, а с другой – наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I — скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:
Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным. Для постоянного тока
где Q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника.
Единица силы тока – ампер (А). Более детально ток можно охарактеризовать с помощью вектора плотности тока j.
Плотностью тока называется физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока:
Направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате (А/м2).
Выразим силу и плотность тока через скорость v упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для ионов), то за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд
Сила тока
,
а плотность тока
.
Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора j, т. е.
,
где dS = n dS (n — единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с вектором j угол ).
В электродинамике
— разделе учения об электричестве, в
котором рассматриваются явления и
процессы, обусловленные движением
электрических зарядов или макроскопических
заряженных тел, — важнейшим понятием
является понятие электрического тока.
Электрическим
током
называется любое упорядоченное
(направленное) движение электрических
зарядов. В проводнике под действием
приложенного электрического поля Е
свободные электрические заряды
перемещаются: положительные — по полю,
отрицательные — против поля (рис. 146,
а),
т. е. в проводнике возникает электрический
ток, называемый током
проводимости.
Если же упорядоченное движение
электрических зарядов осуществляется
перемещением в пространстве заряженного
макроскопического тела (рис. 146, б),
то возникает так называемый конвекционный
ток.
Для возникновения
и существования электрического тока
необходимо, с одной стороны, наличие
свободных носителей
тока —
заряженных частиц, способных перемещаться
упорядоченно, а с другой — наличие
электрического поля,
энергия которого, каким-то образом
восполняясь, расходовалась бы на их
упорядоченное движение. За направление
тока условно
принимают направление движения
положительных
зарядов.
Количественной
мерой электрического тока служит сила
тока I
скалярная
физическая величина, определяемая
электрическим зарядом, проходящим через
поперечное сечение проводника в единицу
времени:
Если сила тока и
его направление не изменяются со
временем, то такой ток называется
постоянным.
Для постоянного тока
где Q
— электрический
заряд, проходящий за время t
через поперечное сечение проводника.
Единила силы тока — ампер (А).
Физическая величина,
определяемая силой тока, проходящего
через единицу площади поперечного
сечения проводника, перпендикулярного
направлению тока, называется плотностью
тока:
Выразим силу и
плотность тока через скорость v
упорядоченного движения зарядов в
проводнике. Если концентрация носителей
тока равна n
и каждый носитель имеет элементарный
заряд е
(что не обязательно для ионов), то за
время dt
через поперечное сечение S
проводника переносится заряд dQ=ne
v
S
dt.
Сила тока
а плотность тока
(96.1)
Плотность тока —
вектор,
ориентированный по направлению тока,
т. е. направление вектора j
совпадает с направлением упорядоченного
движения положительных зарядов. Единица
плотности тока — ампер на метр в квадрате
(А/м2).
Сила тока сквозь
произвольную поверхность S
определяется как поток вектора j,
т. е.
(96.2)
где dS=ndS
(n
— единичный вектор нормали к площадке
dS,
составляющей с вектором j
угол ).
16. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
Если в цепи на
носители тока действуют только силы
электростатического
поля, то происходит перемещение носителей
(они предполагаются положительными) от
точек с большим потенциалом к точкам с
меньшим потенциалом. Это приведет к
выравниванию потенциалов во всех
точках цепи и к исчезновению электрического
поля. Поэтому для существования
постоянного тока необходимо наличие в
цепи устройства, способного создавать
и поддерживать разность потенциалов
за счет работы сил неэлектростатического
происхождения. Такие устройства
называются
источниками тока.
Силы неэлектростатического
происхождения,
действующие на заряды со стороны
источников тока, называются
сторонними.
Природа сторонних
сил может быть различной. Например, в
гальванических элементах они возникают
за счет энергии химических реакций
между электродами и электролитами; в
генераторе — за счет механической
энергии вращения ротора генератора и
т. п. Роль источника тока в электрической
цепи, образно говоря, такая же, как роль
насоса, который необходим для перекачивания
жидкости в гидравлической системе. Под
действием создаваемого поля сторонних
сил электрические заряды движутся
внутри источника тока против сил
электростатического поля, благодаря
чему на концах цепи поддерживается
разность потенциалов и в цепи течет
постоянный электрический ток.
Сторонние силы
совершают работу по перемещению
электрических зарядов. Физическая
величина, определяемая работой,
совершаемой сторонними силами при
перемещении единичного положительного
заряда, называется
электродвижущей силой
(э.д.с.),
действующей
в цепи:
(97.1)
Эта работа
производятся за счет энергии, затрачиваемой
в источнике тока, поэтому величину
можно также называть электродвижущей
силой источника тока, включенного в
цепь. Часто, вместо того чтобы сказать:
«в цепи действуют сторонние силы»,
говорят: «в цепи действует э.д.с.», т. е.
термин «электродвижущая сила»
употребляется как характеристика
сторонних сил. Э.д.с., как и потенциал,
выражается в вольтах (ср. (84.9) и (97.1)).
Сторонняя сила
Fст,
действующая на заряд Q0,
может быть выражена как
где Е
— напряженность поля сторонних сил.
Работа же сторонних сил по перемещению
заряда Q0
на замкнутом участке цепи равна
(97.2)
Разделив (97.2) на
Q0,
получим выражение для э. д. с., действующей
в цепи:
т. е. э.д.с., действующая
в замкнутой цепи, может быть определена
как циркуляция вектора напряженности
поля сторонних сил. Э.д.с., действующая
на участке 1—2,
равна
(97.3)
На заряд Q0
помимо сторонних сил действуют также
силы электростатического поля Fe=Q0E.
Таким образом, результирующая сила,
действующая в цепи на заряд Q0,
равна
Работа, совершаемая
результирующей силой над зарядом Q0
на участке 1—2,
равна
Используя выражения
(97.3) и (84.8), можем записать
(97.4)
Для замкнутой цепи
работа электростатических сил равна
нулю (см. § 83), поэтому в данном случае
Напряжением
U
на участке 1—2
называется физическая величина,
определяемая работой, совершаемой
суммарным полем электростатических
(кулоновских) и сторонних сил при
перемещении единичного положительного
заряда на данном участке цепи. Таким
образом, согласно (97.4),
Понятие напряжения
является обобщением понятия разности
потенциалов: напряжение на концах
участка цепи равно разности потенциалов
в том случае, если на этом участке не
действует Э.д.с., т. е. сторонние силы
отсутствуют.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Электрическим током называют направленное движение свободно заряженных частиц под действием электрического поля.
Как правило движение зарядов происходит в некоторой среде (веществе или вакууме), являющейся проводником для электрического тока. Движущимися в среде заряженными частицами могут быть электроны (в металлах, полупроводниках) или ионы (в жидкостях и газах).
Для возникновения и протекания электрического тока в любой токопроводящей среде необходимо выполнение двух условий:
- Наличие в среде свободных носителей заряда;
- Наличие электрического поля.
Для поддержания электрического поля, например в проводнике, к его концам необходимо подключить какой-либо источник электрической энергии (батарейку или аккумулятор). Поле в проводнике создается зарядами, которые накопились на электродах источника тока под действием сил (химических, механических и т.д.).
За направление тока условно принято принимать направление движения положительных зарядов. Следовательно, условно принятое направление тока обратно направлению движения электронов – основных отрицательных электрических носителей заряда в металлах и полупроводниках.
Понять явление электрического тока достаточно сложно так как его невозможно увидеть глазами. Для лучшего понимания процессов в электронике проведем аналогию между электрическим током в проводнике и водой в тонкой трубочке. В трубочке есть вода (носители заряда в проводнике), но она неподвижна, если трубочка лежит на горизонтальной поверхности и уровень высот ее концов (значения потенциалов электрического поля) одинаковый. Если трубочку наклонить так, что один конец станет выше другого (появится разность потенциалов), вода потечет по трубочке (электроны придут в движение).
Способность вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью. Каждому веществу соответствует определенная степень электропроводности. Ее значение зависит от концентрации в веществе носителей заряда – чем она выше, тем больше электропроводность. В зависимости от электропроводности все вещества делятся на три большие группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.
Электрический ток может менять направление и величину во времени (переменный ток) или оставаться неизменным (постоянный) (рисунок 2).
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I, которая определяется числом электронов (зарядов) q, проходящих через импровизированное поперечное сечение проводника в единицу времени t (рисунок 3).
Для постоянного тока представленное выше выражение можно записать в виде
Ток в системе СИ измеряется в амперах, [А]. Току в 1 А соответствует ток, при котором через поперечное сечение за 1 секунду проходит электрический заряд, равный 1 Кл.
1 A = 1 Кл/1 сек.
Плотность электрического тока
Под плотностью тока j понимается физическая величина, равная отношению тока I к площади поперечного сечения S проводника. При равномерном распределении тока по поперечному сечению проводника.
J = I/S
Плотность тока в системе СИ измеряется в амперах на миллиметр квадратный, [А/мм2].
Рассмотрим плотность тока в проводнике с разным поперечным сечением. Например, соединены два проводника с различными сечениями: первый толстый провод с большим поперечным сечением S1 второй тонкий провод с сечением S2. К концам которых приложено постоянное напряжение (рисунок 5) в следствии чего через них протекает постоянный ток с одинаковой силой тока.
Предположим, что сила тока через поперечное сечение толстого проводника S1 и тонкого провода S2 различная. Из этого предположения вытекает, что за каждую единицу времени через сечения S1 и S2 протекают различные значения электрического заряда. Следовательно, в объёме провода, расположенного между двумя указанными сечениям происходит непрерывное скапливание зарядов, и напряженность электрического поля изменялась бы, чего не может быть, так как при изменении электрического поля ток был бы непостоянен. В проводах с различным сечением при одном и том же токе плотность тока обратно пропорциональна площади поперечного сечения.
I = J1S1 = J2S2
Плотность тока — векторная величина.
Направление вектора 
совпадает с направлением положительно заряженных зарядов и, следовательно, с направлением самого тока I.
Если концентрация носителей тока равна n, каждый носитель имеет заряд e и скорость его движения в проводнике равна v (рисунок 3), то за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд
В этом случае величину силы тока I можно представить в виде зависимости
а плотность тока
Сила тока через произвольную поверхность определяется через поток вектора плотности тока, как интеграл по произвольной (в общем случае) поверхности S (рисунок 6)
От величины плотности тока зависит важный показатель – качество электропередачи. Фактически этот показатель зависит от степени нагрузки проводника (хотя и не только от нее). В зависимости от значения плотности тока принято выбирать сечение проводов – это связано с наличием у проводников сопротивления, в результате которого происходит нагрев жил проводника вплоть до его расплавления и выхода из строя.
#1. … — направленное движение свободно заряженных частиц под действием электрического поля.
Электрический заряд
Электрический ток
Электропроводность
#2. Как направлен ток в металлическом проводе?
со направлено движению основных носителей заряда
обратно движению основных носителей заряда
перпендикулярно движению заряда
#3. В каком проводнике плотность тока выше?
В тонком
Одинакова
В толстом
Плотность тока для каждого проводника:
J1 = I/S1 J2 = I/S2
Так как сила тока в проводах одинакова:
J1 < J2
Результат
Отлично!
Попытайтесь снова(
В этой статье мы познакомим вас с плотностью электрического тока. Мы объясним, почему это величина важна в электротехнике, покажем ее формулу, а также проведем несколько примеров расчетов.
Простое объяснение
Плотность тока J — векторная физическая величина, характеризующая плотность потока электрического заряда в рассматриваемой точке.
Википедия
Высокая плотность электрического тока вызывает нагрев кабеля. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы не превысить допустимую допустимую силу тока в линии или проводнике. Кроме того, эффективное сечение проводника может уменьшаться при воздействии высокочастотных сигналов (скин-эффект), что увеличивает плотность тока. Поэтому при выборе проводника необходимо учитывать не только фактический ток, но и частоту сигнала.
Формулы
Как уже упоминалось выше, плотность тока J описывает отношение электрического тока к площади, через которую он протекает, то есть: J = I / S . Здесь J — плотность тока, I — сила тока, S — площадь поперечного сечения.
Единица измерения — соответственно амперы на квадратный метр, то есть [ J ] = А / м2 .
Однако часто плотность тока также указывают в амперах на квадратный миллиметр ( А / мм2 ), поскольку сечения обычных проводников (проводов, кабелей) имеют такой порядок величины.
Пример расчёта
В общем случае для расчета плотности тока учитываются геометрические свойства кабеля. На их основе можно сначала рассчитать площадь поперечного сечения, а затем, при известной силе тока, плотность тока.
Медный провод
Ниже приводится расчет плотности тока для медного провода диаметром 1 мм, по которому течет ток 8 А. Предполагается, что линия имеет круглое поперечное сечение.
Сначала рассчитаем площадь поперечного сечения провода, зная, что его диаметр d = 1 мм:
S = r2 * π = π * d2 / 4 = π * 12 / 4 = 0, 785 мм2 .
Тогда плотность тока J может быть рассчитана по приведенной выше формуле. Для тока I = 8А и площади поперечного сечения S = 0,785 мм2 получаем: J = 8 / 0,785 = 10, 2 А / мм2 .
Токопроводящие дорожки
В отличие от кабеля, сечение токопроводящей дорожки не круглое, а прямоугольное. Здесь мы рассматриваем медную проводниковую дорожку шириной 0,5 мм и толщиной 0,035 мм.
Вы можете рассчитать площадь прямоугольного поперечного сечения токопроводящей дорожки, умножив ширину токопроводящей дорожки на толщину меди: S = 0,5 * 0,035 = 0,0175 мм2 .
Для тока I, равного 200 мА, плотность тока J составляет: J = I / S = 0,2 / 0,0175 = 11,43 А / мм2 .
Применение
Плотность тока особенно важна в тех случаях, когда необходимо оптимизировать сечение проводника по соображениям стоимости, площади и веса. Как правило, сечение проводника выбирается как можно меньше, чтобы соответствовать условиям применения.
Здесь важно, чтобы фактическая плотность тока в проводнике не превышала максимально допустимую плотность тока. Причина этого в том, что каждый электрический проводник имеет электрическое сопротивление. При протекании электрического тока на этом сопротивлении возникает падение электрического напряжения. В результате происходит преобразование энергии и нагрев линии. Чрезмерный нагрев может повредить изоляцию проводника и вызвать серьезные повреждения.
Именно поэтому, например, допустимые плотности тока для бытовых установок регламентируются соответствующими стандартами. Кроме того, все кабели в домашних хозяйствах оснащены предохранителем, который срабатывает до достижения максимально допустимой плотности электрического тока.
В автомобильном секторе важную роль играет экономия веса и пространства. Поэтому здесь также тщательно подбираются кабели, чтобы найти компромисс между нагревом и весом/пространством.