Действие электрического тока

Ом открыл простой закон, устанавливающий связь между  силой тока и напряжением для  отрезка проволоки (для части  цепи, для всей цепи). Кроме этого, он составил правила, которые позволяют  определить, что изменится, если взять  проволоку другого размера. Закон  Ома формулируется следующим  образом: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна  сопротивлению участка.

 

2.2 Закон Джоуля-Ленца.

 

 Электрический ток  в любом участке цепи выполняет  определенную работу. Для примера  возьмем какой-либо участок цепи, между концами которого имеется  напряжение (U). По определению электрического  напряжения, работа, совершаемая при  перемещении единицы заряда между  двумя точками, равна U. Если  сила тока на данном участке  цепи равна i, то за время t пройдет заряд it, и поэтому работа электрического тока в этом участке будет:

А = Uit

Это выражение справедливо  для постоянного тока в любом  случае, для какого угодно участка  цепи, который может содержать  проводники, электромоторы и пр. Мощность тока, т. е. работа в единицу  времени, равна:

Р = A/t = Ui

Эту формулу применяют  в системе СИ для определения  единицы напряжения.

Предположим, что участок  цепи представляет собой неподвижный  проводник. В этом случае вся работа превратится в тепло, которое  выделится в этом проводнике. Если проводник однородный и подчиняется  закону Ома (сюда относятся все металлы  и электролиты), то:

U = ir

где r — сопротивление проводника. В таком случае:

А = rt2i

Этот закон впервые  опытным путем вывел Э. Ленц и, независимо от него, Джоуль.

Следует отметить, что нагревание проводников находит многочисленное применение в технике. Самое распространенное и важное среди них — осветительные  лампы накаливания.

 

 

 

2.3 Закон электромагнитной индукции.

 

В первой половине XIX века английский физик М. Фарадей открыл явление  магнитной индукции. Этот факт, став достоянием многих исследователей, дал  мощный толчок развитию электро- и радиотехники. В ходе опытов Фарадей выяснил, что при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в нем возникает электрический ток. Это и является основой, пожалуй, самого важного закона физики — закона электромагнитной индукции. Ток, который возникает в контуре, назвали индукционным. В связи с тем что электроток возникает в цепи только в случае воздействия на свободные заряды сторонних сил, то при изменяющемся магнитном потоке, проходящем по поверхности замкнутого контура, в нем появляются эти самые сторонние силы. Действие сторонних сил в физике называется электродвижущей силой или ЭДС индукции. Электромагнитная индукция появляется также в незамкнутых проводниках. В том случае когда проводник пересекает магнитные силовые линии, на его концах возникает напряжение. Причиной появления такого напряжения становится ЭДС индукции. Если магнитный поток, проходящий сквозь замкнутый контур, не меняется, индукционный ток не появляется. При помощи понятия «ЭДС индукции» можно рассказать о законе электромагнитной индукции, т. е. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

 

2.4 Правило Ленца.

 

Как мы уже знаем, в проводнике возникает индукционный ток. В зависимости  от условий своего появления он имеет  разное направление. По этому поводу русский физик Ленц сформулировал следующее правило: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле не дает магнитному потоку изменяться. Все это вызывает возникновение индукционного тока. Индукционный ток, так же как и любой другой, имеет энергию. Значит, в случае возникновения индукционного тока появляется электрическая энергия. Согласно закону сохранения и превращения энергии, вышеназванная энергия может возникнуть только за счет количества энергии какого-либо другого вида энергии. Таким образом, правило Ленца полностью соответствует закону сохранения и превращения энергии. Помимо индукции, в катушке может появляться так называемая самоиндукция. Ее суть заключается в следующем. Если в катушке возникает ток или его сила изменяется, то появляется изменяющееся магнитное поле. А если изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, то в ней возникает электродвижущая сила, которая называется ЭДС самоиндукции. Согласно правилу Ленца, ЭДС самоиндукции при замыкании цепи создает помехи силе тока и не дает ей возрастать. При выключении цепи ЭДС самоиндукции снижает силу тока. В том случае, когда сила тока в катушке достигает определенного значения, магнитное поле перестает изменяться и ЭДС самоиндукции приобретает нулевое значение.

 

 

 

Глава III. Действие электрического тока.

 

Мы не можем видеть движущиеся в металлическом проводнике электроны. О наличии электрического тока в  цепи мы можем судить лишь по различным  явлениям, которые вызывает электрический ток. Такие явления называют действиями тока. Некоторые из этих действий легко наблюдать на опыте. 
Тепловое действие тока можно наблюдать, например, присоединив к полюсам источника тока железную или никелиновую проволоку. Проволока нагревается и, удлинившись поэтому, слегка провисает. Её даже можно раскалить докрасна. В эл.лампах, например, тонкая вольфрамовая проволочка накаливается током до яркого свечения.

  Химическое действие тока состоит в том, что в некоторых растворах кислот (солей, щелочей) при прохождении через них электрический тока наблюдается выделение веществ, содержащихся в растворе, которые откладываются на электродах, опущенных в этот раствор. Например , при пропускании тока через раствор медного купороса (CuSO4) на отрицательно заряженном электроде выделится чистая медь (Cu). Этим пользуются для получения чистых металлов. 
    Магнитное действие тока также можно наблюдать на опыте. Для этого медный провод, покрытый изоляционным материалом, нужно намотать на железный гвоздь, а концы провода соединить с источником тока. Когда цепь замкнута, гвоздь становится магнитом (намагничивается) и притягивает небольшие железные предметы: гвоздики, железные стружки, опилки. С исчезновением тока в обмотке (при размыкании цепи) гвоздь размагничивается. 
    Рассмотрим теперь взаимодействие между проводником с током и магнитом. На рисунке изображена висящая на нитях небольшая рамочка, на которую навито несколько витков тонкой медной проволоки. Концы обмотки присоединены к полюсам источника тока. Следовательно, в обмотке существует электрический ток, но рамка висит неподвижно. Если эту рамку поместить теперь между полюсами магнита, то она станет поворачиваться.

 
    Явление взаимодействия катушки  с током и магнита используют в устройстве приборов, измеряющих электрические величины. Стрелка  прибора связана с подвижной катушкой, находящейся в магнитном поле. Когда в катушке существует электрического ток, стрелка отклоняется. Таким образом можно судить о наличии тока в цепи. Следует заметить, что из всех рассмотренных нами действий электрического тока магнитное действие наблюдается всегда, какой бы проводник ни был: твёрдый, жидкий или газообразный.

 Световое действие в лампах накаливания электрический ток нагревает проволоку из вольфрама до белого каления, так что она излучает свет. Впрочем, при этом 95% электроэнергии превращается в тепловую и только 5% превращается в световую энергию. В люминесцентных лампах используются свойства определенных газов, например неона или паров ртути, светиться при прохождении через них электрического тока. Коэффициент полезного действия таких ламп составляет от 15 до 20%.

  Механическое действие. Каждый проводник, по которому течет электрический ток, образует вокруг себя магнитное силовое поле. Эти магнитные действия превращаются в движение, например, в электромоторах, в магнитных подъемных устройствах, в магнитных вентилях и в реле

  Путём многочисленных опытов установлено, что электрический ток проводят далеко не все вещества. Такие вещества называются изоляторами – это резина, пластмасс, дерево, масло, различные смолы, стекло, фарфор, слюда, сухой воздух и т.п. Все эти вещества очень плохие проводники электричества. Металлы же имеют несравненно лучшую проводимость, такие как алюминий, медь, серебро. Тем не менее, хорошо проводящие электрический ток вещества оказывают им сопротивление. Причина заключается в том, что ход «свободных» в веществе электронов протекает не вполне свободно. Так как электронам на пути всё время встречаются атомы и сталкиваются с ними, затрудняя их движения, тем самым лишая собственной энергии. Появляется сопротивление электрическому току, поток электронов сдерживается атомами. Можно вычислять сопротивление электричества. Ом – это единица сопротивления электрического тока. Чем длиннее и тоньше проводник, тем больше сопротивление.

  Например, 50 – 70 Ом составляет сопротивление электроплитки рассчитанной на электрическое напряжение в 120 В., а нить лампы накаливания располагает сопротивлением в 300 – 500 Ом. Атомы вещества от столкновения с электронами начинают энергично колебаться. Электрический проводник начинает нагреваться, так как теплота и есть энергия колебаний атомов. Чем ток сильнее и больше сопротивление в проводнике, тем тепла выделяется больше. Самые различные электротепловые приборы построены основываясь на законы теплового действия тока. Электрические плитки, электрические лампочки накаливания, электросварочные аппараты, инкубаторы, чайники, электросушилки, утюги – это всё аппараты и приборы, использующие тепловое действие электрического тока.

  Э. X. Ленц – русский физик установивший законы теплового действия тока. Электрический ток наравне с тепловым действием может оказывать и химические действия. Многочисленные отрасли электрохимического производства также основаны на применении химических действий тока. На момент прохождения электрического тока по металлическому проводнику в самом веществе металла никаких изменений не происходит, но наблюдается совсем иное на момент прохождении тока сквозь растворы кислот, солей, щелочей. Эти жидкие проводники имеют название электролиты. Пластины, погружённые в электролит, называются электродами, по ним проводится ток.      При растворении в воде щелочей, кислот и солей, их молекулы расщепляются на частицы, несущие отрицательные и положительные заряды. Данные частицы имеют название ионы, а расщепление молекул – это электролитическая диссоциация. На момент присоединения источника тока к электродам, ионы положительного типа начнут движения к отрицательному электроду, а ионы отрицательного типа – к положительному электроду. Положительный электрод называется анод, отрицательный – катод.

  Проще говоря, в электролите появляется электрический ток. Однако этот ток несхож с током, проходящим по металлическому проводнику: свободные электроны там двигаются в одном направлении, здесь же мы можем наблюдать сразу два встречных потока ионов – более тяжёлых частиц. Так, например, положительные ионы в растворах – это атомы металла, потерявшие один или же более электронов.

  На момент прохождения электричества через соленые растворы положительного типа ионы металла достигают катода. Катод располагает отрицательным избыточным зарядом – это электроны, непрестанно сюда поступающие от отрицательного полюса источника тока. Данными электронами ионы металла нейтрализуются, превращаясь в обычные атомы металла и оседая на катоде. Нередко через электролит протекание тока сопровождается вторичными реакциями – это образование около электродов новых соединений.

 При переработке руды добываются электролитическим способом цветные металлы такие как: магний, цинк, свинец, алюминий, медь и другие.

 Для получения каустика, хлора и водорода также используется химическое действие тока, из поваренной соли водного раствора, выделения «тяжёлой воды», применяемой в производстве атомной энергии.

 Продукты, необходимые в народном хозяйстве, химические удобрения, лечебные препараты и многие другие производятся электролитическим методом. С помощью электролиза совершается хромирование, никелировка, посеребренее металлических предметов.

Якоби Борисом Семёновичем, русским  академиком, был найден в 1837 году электролитический  способ получения оттисков из металла  с предметов - гальванопластика. Ещё одним важным характерным свойством обладает электрический ток: он воздействует на магнитную стрелку находящуюся вблизи. К плюсу электробатареи карманного фонаря плотно подсоединён конец оголённого провода, под которым установлен обыкновенный компас. Если же теперь другим концом этого провода коснутся до минуса, то в туже секунду магнитная стрелка компаса отклонится в сторону. Как же это объяснить?

Путём многочисленных опытов было установлено, что на момент прохождения электрического тока по проводнику начинают действовать  в окружающем его пространстве магнитные  силы, то есть образовывается магнитное  поле тока, которое и заставляет двигаться стрелку компаса –  отклоняться в сторону. Простыми словами это объясняется так: магнитное поле создаваемое стальным постоянным магнитом, который установлен на стрелку компаса, взаимодействует с магнитным полем тока. Взаимодействия магнита и тока – это движение компасной стрелки Так же возможно заставить двигаться и сам проводник. Если между полюсами подковообразного магнита поместить проводник, к которому подключена батарея, но поместить так, чтобы проводник находился в магнитном поле магнита и мог свободно перемещаться.   В зависимости от направления тока проводника он начнет втягиваться в магнит или выталкиваться из него, тем самым приходя в движение. По такому принципу взаимодействия тока с магнитом сконструированы многочисленные электроизмерительные приборы, а также различные виды электромоторов и двигателей. Основная заслуга в разработке и теоретическом исследовании более удобных по конструкции электродвигателей переменного тока принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому – выдающемуся русскому учёному. Теперь можно обратиться к явлению, которое получило название электромагнитная индукция. Станем передвигать проводник в магнитном поле. К проводнику установим гальванометр – это прибор, определяющий наличие тока. Стрелка гальванометра укажет своим отклонением на то, что в момент пересечение магнитного поля проводником в нём образуется электрическое напряжение – это и есть ток индукции. Как только проводник перестаёт перемещаться, ток прекращается. Ранее говорилось о том, что проводник в магнитном поле, по которому протекает ток, начинает двигаться. Электрическая энергия тока при этом переходит в энергию механического движения проводника. На случай образования тока индукция имеет как раз обратное явление. В результате перемещения проводника в магнитном поле в проводнике возникает ток. В энергию тока при этом переходит механическая энергия, то есть, движения проводника. Необходимо заметить, что также индукционный ток возникает и в покоящемся замкнутом проводнике, то есть если в пространстве, ограничивающее проводник, образовать меняющееся – это значит ослабевающее или усиливающееся магнитное поле, например, установить вокруг неподвижного проводника вращение магнита

 

 

Библиографический список:

 

1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. В двух книгах. – М.: Энергоатомиздат, 1995
2. Глазенко Т.А., Пряшников В.А. Электротехника и электроника. – М.: Высшая школа, 1996
3. Спиридонов О.П. Физические основы твердотельной электроники; — Москва, 2008 г.- 192 с.
4. И. И. Иванов, Г. И. Соловьев, В. С. Равдоник. Электротехника:— Москва, Лань, 2009 г.- 496 с.
5. Ю. М. Мурзин, Ю. И. Волков. Электротехника:- Москва, Питер, 2007 г.- 448 с.