Alma38.ru

Электро Свет
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Особенности протекания тока в металлах. Электрический ток в металлах Все металлы являются проводниками электрического тока. Все металлы являются проводниками электрического тока. Строение металлов

Особенности протекания тока в металлах. Электрический ток в металлах Все металлы являются проводниками электрического тока. Все металлы являются проводниками электрического тока. Строение металлов

Когда в обыденной жизни, мы слышим выражение электрический ток, то в первую очередь подразумевается под этим именно ток проводимости. Это всего лишь один из видов токов для среды, называемой проводниками.

Природа тока проводимости обусловлена свойством вещества под названием — проводники. Давайте разберёмся с тем, что такое проводники, как в них существует электрический ток и какие явления при этом происходят.

Начнём с того, что электрический ток определяется как поток электричества, а значит это поток зарядов, которые и несут то самое электричество в количественном измерении в кулонах (Кл).

Структура металлов

На предыдущих уроках мы изучили практически все понятия, связанные с возникновением электрического тока: электрические заряды, электрическое поле, источники тока, простейшие электрические цепи и электрические схемы. Теперь нам предстоит выяснить, как течёт электрический ток в металлах, какие действия оказывает электрический ток, а также направление тока.

Металлы, как мы выяснили из экспериментов на предыдущих уроках, хорошо проводят электрический ток. Для того чтобы пояснить этот факт, зададимся вопросом: а что же такое металлы?

Металлы, как правило, – это поликристаллические вещества (состоящие из множества кристаллов) (Рис. 1, 2).


)

Рис. 2. Структура железа ()

Проводники первого рода и проводники второго рода.

Проводники делятся на проводники первого рода и проводники второго рода. Проводники первого рода – металлы и их сплавы, а проводники второго рода — водные растворы кислот, солей и щелочей, сильно разряженные газы.

Твердые и жидкие проводники, прохождение через которые электрического тока не вызывает переноса вещества в виде ионов, называются проводниками первого рода. Электрический ток в проводниках первого рода осуществляется потоком электронов (электронная проводимость). К таким проводникам относятся твёрдые и жидкие металлы и некоторые неметаллы (графит, сульфиды цинка и свинца). Их удельное сопротивление r лежит в пределах 10–8 – 10–5 Ом×м. Температурный коэффициент проводимости отрицателен, то есть с ростом температуры электропроводность уменьшается.

Вещества, прохождение через которые электрического тока вызывает передвижение вещества в виде ионов (ионная проводимость), называются проводниками второго рода. Типичными проводниками второго рода являются растворы солей, кислот и оснований в воде и некоторых других растворителях, расплавленные соли и некоторые твёрдые соли. Температурный коэффициент электропроводности положителен.

Деление проводников в зависимости от типа проводимости (электронная или ионная) является условным. Известны твёрдые вещества со смешанной проводимостью, например Ag2S, ZnO, Cu2O и др. В некоторых солях при нагревании наблюдается переход от ионной проводимости к смешанной (CuCl).

Движение электронов в металлах до появления электрического поля

То есть, в металлах мы имеем дело с упорядоченной структурой атомов: каждый атом находится на своём конкретном месте.

Как мы уже знаем, вокруг ядра атомов движутся электроны.

Что же даёт возможность появления свободных электрических зарядов?

Дело в том, что дальние электроны (те, которые находятся на самых удалённых от ядра орбитах) довольно слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому. Такое беспорядочное движение электронов чем-то напоминает электронный газ. Если внутри металла нет электрического поля, то движение этих свободных электронов чем-то напоминает движение поднятого в воздух роя мошкары в летний день (Рис. 3).

Рис. 3. Движение электронов внутри металлического проводника ()

Ток смещения в диэлектрике

По определению вектора электрической индукции ($overrightarrow$):

где $_0$ — электрическая постоянная, $overrightarrow$ — вектор напряженность, $overrightarrow

$ — вектор поляризации. Следовательно, ток смещения можно записать как:

где величина $frac>$ — плотность тока поляризации. Токи поляризации — токи, которые вызваны движением связанных зарядов, которые принципиально не отличаются от свободных зарядов. Поэтому нет ни чего странного, что токи поляризации порождают магнитное поле. Принципиальная новизна содержится в утверждении, что вторая часть тока смещения ($_0frac>$), не связанная с движением зарядов, также порождает магнитное поле. Получается, что в вакууме, любое изменение электрического поля по времени вызывает магнитное поле.

Задай вопрос специалистам и получи ответ уже через 15 минут!

Однако, надо заметить, что сам термин «ток смещения» для диэлектриков имеет какое-то обоснование, так как в них действительно происходит смещение зарядов в атомах и молекулах. Но этот термин применяется и к вакууму, где зарядов нет, значит, нет их смещения.

Электрический ток в металлах

Электроны, перескакивая от одного атома к другому, движутся в том направлении, куда им указывает электрическое поле. Это движение и называется электрическим током в металлах.

Мы знаем, что электрический ток – это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах в роли движущихся заряженных частиц выступают электроны. В других веществах это могут быть ионы или ионы и электроны.

Движение заряженных частиц (в металлах – электронов) происходит очень медленно (доли миллиметров в секунду). Возникает вопрос: почему же, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно?

Читайте так же:
Управление розеткой через реле

Дело в том, что внутри проводников с огромной скоростью (со скоростью света – приблизительно 300 000 километров в секунду) распространяется электрическое поле.

При замыкании цепи поле распространяется практически мгновенно. А уже вслед за полем начинают медленно двигаться электроны, причём сразу по всей цепи. Эту ситуацию можно сравнить с движением воды в водопроводе. Воду заставляет двигаться давление в трубах, которое при открытии крана распространяется практически мгновенно, заставляя «ближайшую» к крану воду выливаться. При этом по трубам движется вся вода под этим самым давлением. Получается, что давление – это аналог электрического поля, а вода – аналог электронов. Как только прекращается действие электрического поля, сразу прекращается упорядоченное движение электрических зарядов.

Как направлено электричество (движение)

Движение тока может осуществляться двумя путями. Направление перемещения заряженных частиц связывают с движением электронов, имеющих положительный заряд. Когда ток возникает благодаря отрицательным электронам, тогда направление принимают противоположным их движению. Это характерно для проводников из металла. Но ток может возникать и в жидкости, и газе, в которых частицы свободно передвигаются по любой траектории из-за отсутствия прочной связи между ними. В этом случае носителям тока будут положительные ионы и отрицательные электроны, а электрический ток идет от «плюса» к «минусу».

Вам это будет интересно Особенности DC тока

Опыт Рикке

Возникает логичный вопрос: а не изменяется ли проводник из-за того, что из него «ушли» электроны? Опыт по подтверждению того, что все электроны одинаковые, был проведён немецким учёным Рикке (Рис. 4) тогда, когда на трамвайных линиях использовали три разных проводника: алюминиевый и два медных.

Рис. 4. Карл Виктор Рикке (


)

Рикке в течение года наблюдал за последовательным соединением трёх проводников: медь + алюминий + медь. Поскольку ток в трамвайных линиях течёт довольно большой, то эксперимент позволял дать однозначный ответ: одинаковы ли электроны, которые являются носителями отрицательного заряда в разных проводниках.

За год масса проводников не изменилась, диффузии не произошло, то есть структура проводников осталась неизменной. Из этого следовал вывод, что электроны могут переходить из одного проводника в другой, но структура их при этом не изменится.

Виды токов

Потоки электронов, имеющиеся в проводящих материалах, могут двигаться всё время в одну сторону либо постоянно менять своё направление. В первом случае они формируют переменный, а во втором – постоянный токи.

Электрическое поле – это?

Переменные потоки образуются под воздействием меняющихся по своей величине и знаку напряжений, прикладываемых к концам проводника, а для получения постоянного токового сигнала используется разность потенциалов одной полярности.

Обратите внимание! Меняющиеся токи протекают по электропроводке любой квартиры, а примером второй разновидности может служить однонаправленное движение электронов в аккумуляторах или батарейках.

Исторически сложилось так, что в цепи постоянного потока за его направление принято считать движение от «плюса» источника питания к его «минусу». Хотя в действительности носители отрицательного заряда перемещаются в прямо противоположном направлении (от «минуса» к «плюсу»). Но принятое ранее условное направление настолько закрепилось в сознании людей, что его оставили неизменным, полагая абсолютно условным значение этого параметра.

Постоянный ток

Постоянный ток

Для того чтобы разобраться с тем, куда текут переменные токи, следует отталкиваться непосредственно от их определения. В этой ситуации под воздействием переменного потенциала (напряжения) они меняют своё направление с определённой периодичностью.

Важно! В российских бытовых сетях переменное напряжение имеет частоту 50 Герц. С соответствующей периодичностью меняет своё направление и текущий по электропроводке ток.

В зарубежных электрических сетях (в США и Японии, в частности) данная частота составляет 60 Герц, что несколько повышает эффективность с одновременным возрастанием потерь в питающих линиях.

Переменный ток (график)

Переменный ток (график)

Действия тока

Поговорим теперь о том, какое действие оказывает электрический ток. За счёт чего он получил такое широкое применение в быту и технике?

Можно выделить три основных действия электрического тока:

1. Тепловое. При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из самых главных действий тока, которое используется человеком. Самый простой пример – некоторые бытовые обогреватели (Рис. 5).

Рис. 5. Электрообогреватель ()

2. Химическое. Проводник может изменять химический состав при прохождении по нему тока. В частности, при помощи электрического тока добывают некоторые металлы в чистом виде, выделяя их из различных соединений. К примеру, таким образом получают алюминий (Рис. 6).

Рис. 6. Электролизный цех алюминиевого width=»670″ height=»446″[/img])

3. Магнитное. Если по проводнику течёт ток, то магнитная стрелка вблизи такого проводника изменит своё положение.

Электрическая проводимость

Проводимость металлов

Как уже отмечалось в прошлой главе, металлы являются самой распространенной средой, проводящей электрический ток. И носителями зарядов являются свободные электроны. В связи с этим существует особая терминология, в соответствии с которой проводимость металлов называется электронной проводимостью, а сами электроны металла – электронами проводимости.
Этот факт ни в коей мере не постулировался, а был проверен и доказан независимо многими учеными разными методами. Например, немецкий физик Карл Рикке проводил опыт по пропусканию тока в 0,1 А в течении года через три отполированных цилиндра: одного алюминиевого и двух медных. По истечению эксперимента (а за это время по цепи прошел огромный заряд в ) никаких изменений в структуре цилиндров не произошло, за исключением небольшой диффузии (рис. 1). А если бы носителями заряда были не электроны, а ионы, то тогда был бы перенос вещества одного цилиндра в вещество другого, и, конечно же, в результате столь длительного эксперимента, химическое строение цилиндров изменилось бы.

Читайте так же:
Розетка 5 постов этм

Рис. 1. Схема опыта Рикке

Еще одним опытом по подтверждению электронной проводимости металлов стал опыт 1912 года российских ученых Мангельштама и Папалекси, спустя небольшое время проведенный также англичанами Стюартом и Толменом. В ходе этого опыта катушка с большим количеством витков быстро вращалась, а затем резко тормозилась. В результате чего замкнутый вместе с ней в цепь гальванометр показывал наличие небольшого тока (рис. 2).

Рис. 2. Схема опыта Мангельштама-Папалекси

Дело в том, что вместе с раскручиваемой катушкой вращаются, конечно же, и находящиеся в металле электроны. Когда же катушка тормозится, электроны некоторое время продолжают двигаться внутри катушки по инерции, производя таким образом ток.

Сверхпроводимость

Определение. Сверхпроводимость – явление, когда сопротивление проводника становится близким к нулю.

Открытию явления сверхпроводимости предшествовало получение в 1908 году голландцем Камерлингом Оннесом (рис. 4) жидкого гелия. Помещая образец проводника в жидкий гелий, стало возможным наблюдать поведение проводников при сверхнизких температурах (близко к 0 ). И в 1911 году Оннес установил, что ртуть при температуре около 4 К резко приобретает сопротивление, равное нулю.

Рис. 4. Камерлинг Оннес (Источник)

Его опытам с ртутью предшествовали опыты с платиной, в результате которых он установил, что чем чище вещество (чем меньше в нем примесей), тем быстрее уменьшается его сопротивление с уменьшением температуры. Благодаря жидкому состоянию ртути при нормальных условиях, этот металл очень легко было очистить от примесей. И была установлена следующая зависимость удельного сопротивления ртути от низких температур: линейное снижение прерывается скачком к нулю (рис. 5):

Явление сверхпроводимости объясняется с точки зрения квантовой физики.

Электронный газ

Чтобы оценить, как много в металле тех самых электронов проводимости, нужно понимать, что каждый атом металла обеспечивает как минимум один свободный электрон. В среднем, концентрация электронов проводимости составляет:

И в качестве модели поведения свободных электронов можно принять модель газа. Каждый электрон электронного газа ведет себя, как отдельно взятая молекула газа. При появлении внешнего электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченное движение. Именно это движение и обуславливает электрический ток.

§25. Ток смещения и система уравнений Максвелла

Замечание
Мы знаем, что постоянный ток в цепи с конденсатором не течет, переменный — протекает. Сила квазистационарного тока во всех элементах цепи, если они соединяются последовательно, одинакова. В конденсаторе, обкладки которого разделяет диэлектрик, ток проводимости, вызванный перемещением электронов, идти не может. Значит, если ток переменный (присутствует переменное электрическое поле), происходит некоторый процесс, который замыкает ток проводимости без переноса заряда между обкладками конденсатора. Этот процесс называют током смещения.

Любое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Исследуя разные электромагнитные процессы, Максвелл сделал вывод о том, что существует обратное явление: изменение электрического поля вызывает появление вихревого магнитного поля. Это одно из основных утверждений в теории Максвелла.

Готовые работы на аналогичную тему

  • Курсовая работа Ток смещения 410 руб.
  • Реферат Ток смещения 270 руб.
  • Контрольная работа Ток смещения 230 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

Так как магнитное поле — обязательный признак любого тока, Максвелл назвал переменное электрическое поле током смещения. Ток смещения следует отличать от тока проводимости, который вызван движением заряженных частиц (электронов и ионов). Токи смещения появляются только в том случае, если электрическое смещение ($overrightarrow$) переменно. Объемная плотность тока смещения определяется как:

Именно вследствие этого физическое содержание предположения Максвелла о токах смещения сводится к утверждению о том, что переменные электрические поля — источники переменных магнитных полей.

Следует заметить, что плотность тока смещения определена производной вектора $overrightarrow$, а не самим вектором.

Появились вопросы по этой теме? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос

Теперь Тесла понимал, почему его переменные заряды высокой частоты из первых опытов никогда не выказывали таких мощных проявлений. Именно прерывистость, яростный импульсный разряд, придавал этому неожиданному «газообразному» компоненту возможность свободно перемещаться. Импульсы, однонаправленные импульсы, были единственной причиной, с помощью которой мог быть высвобожден этот потенциал. Синусоидальные колебания в этом отношении были абсолютно бесполезны.

Секреты свободной энергии холодного электричества. Глава 2. Розеттский камень

Импульсную технологию применял в своих устройствах не только великий изобретатель начала двадцатого века, но и его современники: Э. Грей, П. Линдеманн, Д. Бедини, А. Хаббард, И. Ависо, и многие другие искатели свободной энергии. Выдержка из статьи об исследованиях Тесла, как нельзя лучше предваряет эту работу, в которой мы подойдём к радиантной энергии с научной точки зрения, попробуем её связать с не менее «загадочными» токами смещения, выведем общие и инженерные уравнения для примерного подсчёта потенциальной энергии и КПД, предложим возможную схемотехнику для устройств на этой основе.

Читайте так же:
Что делать если ребенка ударило током от розетки

Что нам известно о токе смещения? Совсем немного [1]. Джеймс Максвелл ввёл его для симметрии в своих знаменитых уравнениях, как дополнение к току проводимости. В ВУЗах этому вопросу уделяется мало внимания, т.к. исследований на эту тему практически нет, поэтому в электрических схемах оба тока считают так, как будто это один и тот же ток, и не сильно заморачиваются по поводу их принципиальных различий. Было совсем немного попыток экспериментально его зафиксировать, но поскольку каких-либо значительных результатов достигнуто не было, то дальше эта тема не развивалась, несмотря на то, что косвенно сам ток обнаружить таки удалось [2-4].

Рис.1. Ток смещения между пластинами конденсатораРис.2. Схема подключения конденсатора C1 и торроидальной катушки L1

Смысл тока смещения отражает рисунок 1, на котором изображены две пластины конденсатора с радиусом (r_0), через которые протекает изменяющийся во времени ток (i), причём ток смещения образуется только между ними, т.к. до и после конденсатора течёт обычный ток проводимости, который через диэлектрик проходить не может по определению. Тогда, между пластинами возникает переменное электрическое поле (vec E), которое, согласно Максвеллу, порождает магнитное поле (vec B). Если в это поле поместить катушку индуктивности так, чтобы она захватывала силовые магнитные линии, то в ней будет наводиться ЭДС самоиндукции, которую, в свою очередь, можно пустить на активную нагрузку.

Всё это схематически показано на рисунке 2, где пластины конденсатора C1 через ключ SW1 подключаются к источнику напряжения B1. Между пластинами C1 располагается торроидальная катушка L1, к которой подключен резистор R1. При замыкании ключа в конденсаторе возникнет ток смещения, который создаст магнитное поле в катушке и ток в нагрузке (R1). От этой первоначальной схемы мы и будем отталкиваться в наших дальнейших рассуждениях.

Эти уравнения продержались более 100 лет и, по сей день, довольно хорошо описывают многие процессы в электротехнике [5]. Безусловно, за это время у исследователей накопилось много данных, которые уже не укладываются в эти формулы, но об этом мы поговорим в другой раз. Сейчас же нас будут интересовать некоторые их особенности, применительно к нашей задаче. Примечательным является то, что в этих уравнениях отсутствует время, как процесс, а это означает, что энергетические соотношения между их правыми и левыми частями полностью отсутствуют. Подсчитать баланс энергий и мощностей с их помощью просто так не получится, придётся потрудится, чем мы с вами в дальнейшем и займёмся. С другой стороны, эти формулы никак не связаны с законом сохранения энергии, что открывает двери для искателей свободной энергии.

Ещё одна особенность этих уравнений — поддержка поперечных и полное отсутствие продольных волн. Хотя, по нашему мнению, именно последние переносят потенциал с одной пластины конденсатора на другую и ответственны за распостранение электрического поля вдоль проводника. Само название — «ток смещения» — прямо говорит об этом. Но поскольку в наших расчётах способ переноса энергии не принципиален, заострять внимание мы на этом не будем.

А начнём мы с двух уравнений, которые ещё называют законом Ампера-Максвелла [6], и пойдём по пути «от общего — к частному», — так, как это практикуется во всех радиотехнических ВУЗах при выводе инженерных формул. Правда, рассматривать эти уравнения мы будем не совсем с обычной точки зрения. Полностью они выглядят так: [ mathbf, mathbf = mathbf + >> qquad (1.1)] [ oint limits _mathbf , mathbf

= int limits _mathbf , mathbf +int limits _ >>, mathbf qquad (1.2)]

На самом деле, это одно и то же уравнение, но записанное в дифференциальной (1.1) и интегральной (1.2) форме. Несмотря на сложность записи, их смысл довольно простой: электрический ток, который описывается в правой части уравнения, порождает магнитное поле, скромно расположившееся в левой части этой формулы. Известно, что если в задаче необходимо найти направление силовых линий или геометрию полей, то лучше применять дифференциальную форму уравнения, а если — их конкретные значения, то — интегральную, с которой мы и будем далее работать.

Глубинный смысл уравнения Максвелла

Некоторые исследователи недолюбливают Эйнштейна за его вклад в отрицание теории эфира, но именно он, один из первых, кто показал метод доступа к свободной энергии. Все знают его знаменитую формулу, связывающую массу и энергию, однако другие, не менее интересные его способы, пока малоизвестны. Попробуем популярно объяснить, как связать Максвелла и Эйнштейна, и при этом открыть ещё один метод получения энергии!

Для этого возьмём интегральную форму уравнения (1.2) и рассмотрим его правую часть. Там всего два слагаемых, отражающих ток проводимости и ток смещения. С первым током — всё ясно, он хорошо изучен и описан в литературе, крутит двигатели, зажигает лампочки и циркулирует во всех промышленных сетях. Он нам неинтересен, поэтому в дальнейших рассуждениях мы будем предполагать, что импульс, о котором далее пойдёт речь, будет настолько быстрым, что ток проводимости не будет успевать появляться в задающей (реакторной) части схемы наших устройств. Поэтому и в формуле оставим только слагаемое с током смещения: [ oint limits _mathbf , mathbf

= int limits _ >>, mathbf qquad (1.3)]

Из теории относительности известно, что если двигаться со скоростью света вдоль линий электрического поля, то относительно наблюдателя это поле будет магнитным, и наоборот. Причём направление силовых линий также изменится на перпендикулярное первоначальному. А ведь (partial mathbf / partial t) в формуле (1.3) и представляет собой скорость изменения потока электрической индукции. На этом сайте мы используем систему единиц СИ, но если посмотреть на запись этой формулы в системе СГС [6], более отражающей реальность, то в числителе добавиться ещё один член (c) — скорость света: [ oint limits _mathbf , mathbf

= frac<1> int limits _ >>, mathbf quad [CGS] qquad (1.4)] То есть, эта формула отражает процесс преобразования электрического поля в магнитное, причём заметьте — безо всяких индуктивностей. Но для того, чтобы результат получился более-менее реальный, необходимо сделать изменение потока очень быстрым. Можно даже примерно прикинуть, что если расстояние между пластинами конденсатора будет 30см (рис. 2), то время нарастания импульса (его фронт), до момента появления тока проводимости, должно быть порядка 1нс: (t=0.3/(3cdot10^8)). Вот почему импульсная технология до сих пор не получила большого распостранения, а для многих изобретателей она по-прежнему остаётся загадкой!

В следующей части мы разработаем методику расчёта импульсных систем на токе смещения, чуть позже — рассмотрим частные, но более реальные случаи, а затем перейдём и к схемотехнике.

  1. Википедия. Ток смещения.
  2. Эксперименты по обнаружению и изучению токов смещения в вакууме.
  3. В.С. Гудыменко, В.И. Пискунов. Экспериментальная проверка существования магнитного поля, создаваемого токами смещения конденсатора.
  4. Задорожный В.Н. Ток смещения и его магнитное поле.
  5. Википедия. Уравнения Максвелла
  6. Википедия. Закон Ампера-Максвелла

Ток смещения в диэлектрике

По определению вектора электрической индукции ($overrightarrow$):

где $_0$ — электрическая постоянная, $overrightarrow$ — вектор напряженность, $overrightarrow

$ — вектор поляризации. Следовательно, ток смещения можно записать как:

где величина $frac>$ — плотность тока поляризации. Токи поляризации — токи, которые вызваны движением связанных зарядов, которые принципиально не отличаются от свободных зарядов. Поэтому нет ни чего странного, что токи поляризации порождают магнитное поле. Принципиальная новизна содержится в утверждении, что вторая часть тока смещения ($_0frac>$), не связанная с движением зарядов, также порождает магнитное поле. Получается, что в вакууме, любое изменение электрического поля по времени вызывает магнитное поле.

Однако, надо заметить, что сам термин «ток смещения» для диэлектриков имеет какое-то обоснование, так как в них действительно происходит смещение зарядов в атомах и молекулах. Но этот термин применяется и к вакууму, где зарядов нет, значит, нет их смещения.

Ответы на экзаменационные вопросы № 1-31 по курсу «Физика» (Кинематические характеристики поступательного и вращательного движения. Ток смещения, его отличие и сходство с током проводимости. Закон полного тока) , страница 7

29. Закон Био-Саваро-Лапласа, его применение для расчета магнитного поля прямолинейного проводника с током.

Электрический ток, текущий в замкнутом контуре, создает вокруг себя магнитное поле, индукция которого по закону Био-Саваро-Лапласа, пропорциональна току , где dl – элемент контура с током, r – радиус вектор соединяющий dB с данной точкой, dB в плоскости ^ dl и r. — формула для расчета B и H магнитного поля прямого тока, где a1, a2 углы между током и радиус векторами проведенными из начала и из конца проводника. Рассмотрим поле бесконечно длинного прямого проводника a1=0, a2=0 . Магнитное поле созданное круговым полем — формула выражающая магнитное поле в центре круглого проводника.

30. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея-Ленца. Уравнение Максвелла. Причины возникновения ЭДС индукции.

Вокруг проводника с током, существует электромагнитная индукция, причиной которого является переменное электрическое поле. Процесс создания магнитного поля с помощью переменного электромагнитного поля называется электромагнитной индукцией. — закон Фарадея. ЭДС индукции возникает только в том случае, когда магнитный поток пронизывающий контур является переменным — закон Фарадея-Ленца, индукционный ток в контуре всегда имеет какое-то направление при котором его собственное магнитное поле препятствует изменению основного магнитного поля создающего данный ток. Для создания новой теории Максвелл обобщил все, что было известно в электродинамике и добавил понятие ток смещения. Максвелл ввел обратную гипотезу о возможности получения переменного магнитного поля с помощью переменного электрического поля и это поле он назвал током смещения . Рассчитаем индуктивность бесконечно длинного соленоида. — т.е. индуктивность соленоида зависит от числа витков соленоида N, его длины , площади S и магнитной проницаемости вещества ,сцепленный с контуром магнитный поток Ф поэтому пропорционален току I в контуре: Ф=L*I., где коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. При изменении силы тока в контуре будет изменяться также и сцепленный с ним магнитный поток; следовательно в контуре будет индицироваться э.д.с. т.е. происходить самоиндукция. Измеряется (Гн) – гери 1 Гн = 1 Вб/А = 1 В*с/А.

31. Ток смещения. Его отличие и сходство с током проводимости. Закон полного тока.

Для создания новой теории Максвелл обобщил все, что было известно в электродинамике и добавил понятие ток смещения. Максвелл ввел обратную гипотезу о возможности получения переменного магнитного поля с помощью переменного электрического поля и это поле он назвал током смещения . Закон полного тока выполняется только для отдельных участков цепи, поэтому уравнения, получаемые для каждого участка цепи противоречат друг другу, поэтому чтобы исключить противоречие, в правую часть данного закона добавили еще одно слагаемое, которое называется током смещения . Ток смещения имеет размерность токопроводимость. Сходства: Величина тока смещения равна току проводимости, и они равны по величине. Различия: Ток проводимости – это реальное движение заряженных частиц которое сопровождается выделением теплоты. Главное свойство в том, что их ток проводим и ток смещения создает магнитное поле.

Портал ТОЭ

К активным элементам относятся источники энергии, остальные – пассивные элементы , в которых энергия рассеивается и (или) накапливается.

В зависимости от числа выводов элементы цепи бывают: двухполюсными, трёхполюсными и т.д., многополюсными.

Под элементами в ТОЭ подразумеваются обычно не физически существующие составные части электроустановок, а их идеализированные модели, которым приписываются определённые электрические и магнитные свойства, так, что они в совокупности приближённо отображают явления, происходящие в реальных устройствах. Эти свойства представляются определёнными соотношениями между током и напряжением на данном элементе.

Но, прежде чем рассматривать данные элементы, вспомним основные электрические величины.

1. Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов. Численно определяется по формуле:

где q – заряд (количество электричества) через сечение проводника, кулон (Кл).

Электрическому току приписывается направление, за которое принимается некий заранее выбранный ориентир, обычно за него принимают направление перемещения положительных зарядов (от « + » к « − »). Направление тока характеризуется его знаком.

2. Электрические заряды движутся под дейтсвием напряжения. Напряжением (разностью потенциалов) между двумя точками цепи называется работа, совершаемая при перемещении малого заряда между этими точками:

(иначе, это энергия dA = dW ).

Условно положительное направление напряжения совпадает с направлением тока.

3. Если поступающая в приёмник элементарная энергия определяется выражением:

то скорость поступления в цепь электрической энергии является мгновенной мощностью :

Если p > 0 , энергия поступает в приёмник, если p 0 – возвращается в источник.

4. Энергия, поступившая в приёмник за Δ t = t 2 − t 1 определяется выражением:

Энергия всегда положительна.

  • потери электрической энергии (поглощение электромагнитной энергии);
  • возникновении магнитного поля;
  • возникновение электрического поля.

В соответствии с этим различают следующие виды элементов.

1. Резистивное (активное) электрическое сопротивление (резистор) – это элемент, в котором электромагнитная энергия преобразуется в тепловую.

С этим элементом оперировали уже в 70 гг. XVIII века такие учёные, как английский учёный Г. Кавендиш, французский физик Ж. Нолле и др.

Активное сопротивление определяется по формуле:

Обратная ему величина (в отдельных случаях) – активная (резистивная) проводимость g = 1 ∕R , См (сименс).

Зависимость u ( t ) = f ( i ( t )) называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). В общем случае она линейная, а обозначение нелинейного активного элемента .

Первоначально активное сопротивление мы будем рассматривать как линейное с линейной ВАХ

К такому идеальному элементу близки по свойствам реостаты, лампы накаливания и др.

Мгновенная мощность в активном элементе

2. Индуктивность – это элемент, в котором накапливается энергия магнитного поля. В первом приближении им называют индуктивную катушку.

При протекании тока по катушке по правилу буравчика возникает магнитный поток. Магнитное поле изображается в виде замкнутых силовых линий магнитного поля, сцепленных с витками катушки. Число линий поля, сцепленных с отдельными витками, неодинаково, поэтому вводится понятие потокосцепления, представляющего собой сумму всех потоков, сцеплённых с отдельными витками катушки:

где W – число витков катушки.

Индуктивность выражается формулой:

На основании закона электромагнитной индукции устанавливается связь между током и напряжением в катушке: при изменении магнитного потока, сцеплённого с контуром, в нём наводится ЭДС, равная скорости изменения потокосцепления и направленная так, чтобы ток, вызванный ею, стремился воспрепятствовать изменению наводящего потока.

Напряжение на индуктивном элементе определяется скоростью изменения тока.

Индуктивность характеризуется вебер-амперной характеристикой. Для среды, не являющейся ферромагнетиком, эта зависимость Ψ( i ) линейна. Если есть ферромагнитный сердечник, индуктивность нелинейна.

Энергия магнитного поля

3. Ёмкость – элемент, в котором накапливается энергия электрического поля. К этому идеальному устройству близок конденсатор. При приложении к конденсатору напряжения на его обкладках появляются заряды, равные по величине и противоположные по знаку. В диэлектрике между обкладками образуется связанное с этими зарядами электрическое поле.

Ток в ёмкостном элементе определяется скоростью изменения напряжения. Ток в ёмкости является током смещения i см , представляющим собой изменяющееся во времени электрическое поле. (Природа тока смещения иная, чем у тока проводимости i пр , которого нет в диэлектрике. Лишь часть этого тока можно представить в виде смещений связанных зарядов поляризованного диэлектрика. Линии тока смещения в диэлектрике являются продолжением линий токов проводимости в обеих обкладках конденсатора).

Ёмкость характеризуется кулон-вольтной характеристикой q ( u ) .

Для нелинейной ёмкости обозначение следующее: .

Энергия электрического поля

Процесс запасения энергии как в магнитном, так и в электрическом полях является обратимым (в отличие от необратимого преобразования энергии в активном элементе). Запасённая энергия может быть отдана другим элементам.

В заключение следует сказать, что в чистом виде элементы R , L , C не встречаются, использование идеальных элементов – лишь приближённый метод исследования.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector