Если проследить историю электротехники как самостоятельной науки, можно понять, откуда взялся этот парадоксальный подход.
Куда уходит ток?
Электрический ток протекает в электрической цепи между источником электрического тока и приемником электрического тока. Но в каком направлении течет этот ток? Традиционно считается, что во внешней цепи ток течет от плюсовой стороны источника к минусовой, а внутри источника – от минусовой стороны к плюсовой.
Действительно, электрический ток – это упорядоченное движение электрически заряженных частиц. В случае проводника из металла этими частицами являются электроны, которые представляют собой отрицательно заряженные частицы. Однако во внешней цепи электроны движутся от минуса (отрицательного полюса) к плюсу (положительному полюсу), а не от плюса к минусу.
Если полупроводниковый диод подключен к внешней цепи, то очевидно, что ток возможен только тогда, когда диод подключен катодом к минусовой стороне. Отсюда следует, что направление электрического тока в цепи предполагается противоположным фактическому движению электронов.
Если проследить историю становления электротехники как самостоятельной науки, можно понять, откуда взялся этот парадоксальный подход.
Американский исследователь Бенджамин Франклин однажды выдвинул унитарную (единую) теорию электричества. Согласно этой теории, электрическая материя представляет собой невесомую жидкость, которая может вытекать из одних тел, накапливаясь в других.
Согласно Франклину, все тела имеют электрическую жидкость, но тела становятся наэлектризованными только тогда, когда у них есть избыток или недостаток электрической жидкости (электрофлюида). Недостаток электрической жидкости (по мнению Франклина) означал отрицательную электрификацию, в то время как ее избыток означал положительную электрификацию.
Это привело к появлению концепции положительного и отрицательного заряда. Когда положительно заряженные тела объединяются с отрицательно заряженными телами, электрическая жидкость течет от тела с большей электрической жидкостью к телам с меньшей электрической жидкостью. Она напоминает систему взаимосвязанных сосудов. В науку вошло понятие электрического тока – движения электрических зарядов.
Гипотеза Франклина стала предтечей теории электронной проводимости, но она оказалась отнюдь не безупречной. Французский физик Шарль Дюфе обнаружил, что на самом деле существует два вида электричества, которые по отдельности соответствуют теории Франклина, но взаимно нейтрализуются при контакте. Была разработана новая дуалистическая (двойственная) теория электричества, выдвинутая естествоиспытателем Робертом Симмером на основе экспериментов Шарля Дюфе.
При трении для электризации наэлектризованных тел заряжается не только натираемое тело, но и натирающее тело. Дуалистическая теория утверждала, что в нормальном состоянии тела содержат два типа электрической жидкости и в разных количествах, которые нейтрализуют друг друга. Электризация объяснялась изменением соотношения отрицательного и положительного электричества в наэлектризованных телах.
И гипотеза Франклина, и гипотеза Симмера успешно объясняли электростатические явления и даже конкурировали друг с другом.
Изобретение вольтова столба в 1799 году и открытие электролиза привело к выводу, что при электролизе растворов и жидкостей существуют два противоположных направления заряда – отрицательный и положительный. Это был триумф дуалистической теории, поскольку при разложении воды теперь можно было наблюдать, как на положительном электроде выделяются пузырьки кислорода, а на отрицательном – пузырьки водорода.
Но не все прошло гладко. Количество выделяемого газа варьировалось. Выделилось в два раза больше водорода, чем кислорода. Это вызвало недоумение физиков. В то время химики еще не знали, что молекула воды содержит два атома водорода и только один атом кислорода.
Эти теории были понятны не всем.
Однако в 1820 году Андре-Мари Ампер в работе, представленной членам Парижской академии наук, сначала решает выбрать одно направление токов в качестве основного, а затем дает правило, по которому можно точно определить влияние магнитов на электрические токи.
Чтобы не говорить постоянно о двух противоположных направлениях токов двух электрических токов и избежать ненужных повторений, Ампер решил принять направление электрического тока строго как направление самого положительного тока. Таким образом Ампер впервые представил общепринятый до сих пор принцип направления электрического тока.
Этой позиции впоследствии придерживался и сам Максвелл, который изобрел правило “буравчика” для определения направления магнитного поля катушки. Однако вопрос об истинном направлении электрического тока оставался открытым. Фарадей писал, что такое положение вещей является лишь временным; оно удобно для ученых и позволяет им однозначно определять направление токов. Однако это лишь удобная мера.
После открытия Фарадеем электромагнитной индукции возникла необходимость определить направление индуцированного тока. Русский физик Ленц дал принцип: если металлический проводник приближается к току или магниту, в нем возникает гальванический ток. А направление результирующего тока таково, что неподвижный проводник выйдет из-под его действия в движении, противоположном его первоначальному движению. Простое и понятное правило.
Даже после открытия электрона эта конвенция существовала более полутора веков. С изобретением такого устройства, как электронно-лучевая трубка, наряду с широким внедрением полупроводников, начали возникать трудности. Но электротехника, как и прежде, оперирует старыми определениями. Иногда это приводило к настоящей путанице. Но внесение исправлений вызовет больше неудобств.
Можно сказать, что отверстие – это место на оболочке, из которого вышел электрон. Дырки движутся в направлении, противоположном потоку электронов (рис. 2.3).
Текущий поток
Электрический ток это медленный поток электронов от области с отрицательным зарядом к области с положительным зарядом. Ампер (A) используется в качестве единицы измерения тока. Его название происходит от имени французского ученого Андре Мари Ампера. Ампер – это ток, который существует в проводнике, когда через данную точку протекает заряд в один кулон в секунду.
Приведенная ниже формула показывает связь между силой тока и зарядом в секунду:
где I – сила тока в амперах, Q – величина электрического заряда в кулонах, t – время в секундах.
Пример. Каково будет значение тока в цепи, если через данную точку цепи за 4 секунды протечет 12 кулонов заряда.
Решение.
Q=12 Кл;
T=4 с;
I=Q/t=12/4=3 (A).
Рассмотрим протекающий ток вдоль проводника. Обычно носителями заряда в цепи являются отрицательно заряженные электроны. Тогда ток представляет собой поток отрицательно заряженных электронов. Исторически сложилось так, что направление движения тока не совпадает с направлением движения электронов, т.е. противоположно. Однако было обнаружено, что когда электроны переходят от одного атома к другому, создаются положительные заряды, называемые дырками. (рис. 2.2).
Можно сказать, что дырка – это место на оболочке, из которого вышел электрон. Дырки движутся в направлении, противоположном потоку электронов (рис. 2.3).
Когда электроны забираются с одного конца проводника и добавляются к другому концу проводника, по проводнику течет ток. Когда свободные электроны медленно движутся по проводнику, они сталкиваются с атомами, высвобождая при этом другие электроны. Эти освобожденные электроны движутся к положительно заряженному концу проводника, также сталкиваясь с другими атомами. Это движение (также известное как дрейф) происходит из-за отталкивания зарядов. Кроме того, положительно заряженный конец проводника, где имеется дефицит электронов, притягивает отрицательно заряженные электроны.
Таким образом, в результате “действия” законов взаимодействия электрических зарядов происходит медленный дрейф электронов. Хотя отдельные электроны сталкиваются с атомами и высвобождают другие электроны, скорость которых достигает скорости света.
Для иллюстрации этого возьмем полую трубку и заполним ее шариками (рис. 2.4).
Если поместить шарик в один конец трубки, он будет выталкиваться из другого конца. Отдельным шарам потребуется некоторое время для перемещения, но частота их столкновений иногда будет довольно высокой.
Устройство, которое забирает электроны с положительно заряженного конца проводника и возвращает их на отрицательно заряженный конец проводника, называется источником напряжения. По сравнению с водопроводной системой, источник напряжения можно рассматривать как своего рода насос (рис. 2.5).
ПОНРАВИЛАСЬ ЛИ ВАМ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИТЕСЬ СО СВОИМИ ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Напряжение в цепи постоянного тока – это работа, совершаемая электрическим полем при перемещении пробного заряда из точки A в точку B. Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на ее концах. Предполагается, что в таких цепях ток течет от плюса к минусу (от плюсового полюса к минусовому).
Электрический ток и поток электронов
После того как мы установили, что в большинстве случаев электрические заряды переносятся электронами, нам нужно понять, почему они движутся. Для этого нам необходимо заглянуть в микромир частиц – атом, чтобы понять его структуру и физические процессы, происходящие в нем.
Атом состоит из ядра и множества вращающихся вокруг него электронов, число которых зависит от общего заряда ядра. Электроны движутся по определенным траекториям – орбиталям (уровням). Те частицы, которые находятся ближе всего к ядру, удерживаются им очень прочно и не участвуют в химических реакциях и физических процессах. Те частицы, которые находятся на внешних уровнях, активны и определяют способность данного атома к химическому взаимодействию и образованию свободных зарядов. Они называются валентными молекулами.
Активность и способность атомов сбрасывать свободные электроны зависит от количества молекул на внешних уровнях. Например, в некоторых веществах многочисленные электроны находятся далеко от ядра, поэтому они вырываются со своих орбит и начинают устремляться к другим атомам, что приводит к перемещению свободных зарядов. При приложении электрического потенциала (напряжения) движение электронов становится направленным, возникает электрический ток. Именно поэтому твердые тела (например, металлы) с большим количеством свободных электронов являются проводниками.
Диэлектрики не имеют частиц, способных нести электрический заряд – у них мало электронов на внешних уровнях, поэтому они не могут отделиться, переходя сначала в хаотическое, а затем в направленное движение.
Промежуточное положение между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники, электропроводность которых зависит от внешних факторов (температуры, света и т.д.).
Но этого недостаточно для ответа на поставленный вопрос, необходимо также знать, что:
Все напряжение от батареи, без остатка, будет распределено между потребителями в цепи. Тогда 12 В – 6 В = 6 В.
Как протекает постоянный ток.
Обычно, когда новички задают простые вопросы на форумах, над ними просто смеются и отправляют обратно читать школьные учебники.
Пример первый.
Обычная мудрость в электронике гласит, что прямое ток течет от плюса к минусу.. Когда он покидает положительную клемму, он стремится достичь отрицательной клеммы аккумулятора. Давайте рассмотрим простой пример того, как ток течет через лампочку.
Лампа в этом случае также называется зарядом, потому что он совершает полезную работу. Обычно не возникает сомнений в том, как работает такая схема.
Но если мы включим две лампочки, одна из которых имеет падение напряжения 6 В, то каково падение напряжения на другой лампочке?
И каково падение напряжения?
Когда ток протекает через что-то, имеющее сопротивление, на этом чем-то возникает падение напряжения происходит падение напряжения.. В данном случае, то, что обладает сопротивлением, – это лампочка.
Но этого недостаточно для ответа на вопрос, вам также необходимо знать, что:
Все напряжение от батареи, без остатка, будет распределено между потребителями в цепи. Тогда 12 В – 6 В = 6 В.
Пример второй.
Перегорит ли лампочка?
Новички ответят, что лампочка не загорится, потому что конденсатор не проводит постоянный ток. Это неверно.
Ток будет протекать через конденсатор, пока он не зарядитсяи когда он зарядится, ток перестанет течь через него, и лампочка не загорится.
Пример 3.
До какого напряжения зарядится конденсатор?
Конденсатор является аморфным и будет заряжаться до тех пор, пока он заряжен. Максимальное напряжение, до которого может быть заряжен конденсатор в этом случае, ограничено падением напряжения на диоде и составляет 0,6 В. Процесс будет проходить следующим образом: сначала ток будет протекать через конденсатор, пока его падение напряжения не достигнет 0,6 В, затем ток будет протекать через диод.
О чем может рассказать такой график? Ток появляется в цепи в момент времени, обозначенный a на графике. Она постепенно увеличивается и течет в одном направлении, достигая своего максимального значения (точка b), и медленно уменьшается до нуля (точка c).
Направление тока от минуса к плюсу или наоборот?
Окончательный результат
Как известно, в проводнике ток переносится электронами, в электролитах – катионами и анионами (или просто ионами), в полупроводниках электроны взаимодействуют с так называемыми дырками, в газах – ионы с электронами. Электропроводность материала зависит от наличия свободных элементарных частиц.
Если в металлическом проводнике нет электрического поля, в нем не течет ток. Но как только на двух его частях возникает разность потенциалов, то есть напряжение, движение электронов перестает быть хаотичным и появляется порядок: они начинают отталкиваться друг от друга со стороны минуса и двигаться в сторону плюса. Казалось бы, это и есть ответ на вопрос “Каково направление течения?”. Но это не так.
Достаточно заглянуть в энциклопедический словарь или любой учебник физики, и там уже есть противоречие. В нем говорится, что условно под словом “направление тока” подразумевается направленное движение положительных зарядов, другими словами: от плюса к минусу.
Как насчет этого заявления? Потому что противоречие здесь видно невооруженным глазом!
Сила привычки
Когда люди учились создавать цепи постоянного тока, они еще не знали о существовании электрона. Особенно в то время, они не знали, что она движется от минуса к плюсу.
Когда в первой половине 19 века Ампер предложил направление тока плюс – минус, это было воспринято как должное и не подвергалось сомнению. Только спустя 70 лет было осознано, что ток в металлах вызывается движением электронов.
И когда это было осознано (а это было в 1916 году), все настолько привыкли к выбору, сделанному Ампером, что ничего не изменили.
“Золотая середина
В электролитах отрицательно заряженные молекулы движутся к катоду, а положительно заряженные молекулы – к аноду. То же самое происходит и в газах. Если мы подумаем о направлении тока в этом случае, на ум приходит только одна возможность: движение разнополярных электрических зарядов в замкнутой цепи происходит навстречу друг другу.
Если взять это утверждение за основу, то оно снимает существующее противоречие. Возможно, это покажется неожиданным, но более 70 лет назад ученые зафиксировали, что противоположные электрические заряды в проводящей среде движутся навстречу друг другу.
Это утверждение верно для любого проводника, независимо от его типа: металл, газ, электролит, полупроводник. В любом случае, остается надеяться, что со временем физики устранят терминологическую путаницу и примут четкое определение того, что в конечном итоге представляет собой направление течения тока.
Привычки, конечно, трудно изменить, но в конце концов мы должны вернуть все на свои места.
Ток течет от плюса к минусу (хотя электроны бегут от минуса к плюсу)
Как протекает ток в электрических цепях
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц), в жидкостях и газах – движение ионов (положительно заряженных частиц). Кроме того, токи бывают постоянными и переменными, с очень разным движением электрических зарядов. Для того чтобы понять и освоить тему движения тока в проводниках, мы должны сначала более подробно разобраться в основах электрофизики. С этого я и собираюсь начать.
Как же протекает электрический ток? Мы знаем, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы материи. Структура атома напоминает нашу Солнечную систему, в центре которой находится ядро атома. Она состоит из протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц), плотно прижатых друг к другу. Вокруг этого ядра электроны (более мелкие частицы с отрицательным зарядом) движутся по своим орбитам с огромной скоростью. Количество электронов и орбиты, по которым они вращаются, могут варьироваться от вещества к веществу. Атомы в твердых телах имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, в которой атомы расположены в определенном порядке относительно друг друга.
Откуда же может взяться электрический ток? Оказывается, в некоторых веществах (проводниках электричества) электроны, находящиеся дальше всего от ядра, могут отскакивать от атома и перемещаться к соседнему атому. Такое движение электронов называется свободным движением. Электроны просто перемещаются в веществе от одного атома к другому. Но если подключить к этому веществу (электрическому проводнику) внешнее электромагнитное поле, создав тем самым электрическую цепь, все свободные электроны начинают двигаться в одном направлении. Это движение электрического тока в проводнике.
Теперь давайте рассмотрим, что такое постоянный и переменный ток. Поэтому постоянный ток движется только в одном направлении. Как уже упоминалось в начале – электроны движутся в твердых телах, а ионы – в жидкостях и газах. Электроны – это отрицательно заряженные частицы. Поэтому в твердых телах электрический ток течет от минусовой стороны к плюсовой (электроны движутся в электрической цепи). В жидкостях и газах ток течет в двух направлениях одновременно, точнее, одновременно, электроны текут к плюсовой стороне, а ионы (отдельные атомы, не связанные друг с другом кристаллической решеткой, каждый сам по себе) текут к минусовой стороне источника тока.
С другой стороны, ученые официально признали, что движение происходит от плюса к минусу (то есть противоположно тому, что есть на самом деле). Таким образом, научно правильно говорить, что электрический ток течет от плюса к минусу, но с реальной точки зрения (электрофизической природы) правильнее считать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Вероятно, это сделано для некоторого удобства.
Теперь, что касается переменного электрического тока. Это немного сложнее. Если в постоянном токе движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически, электроны со знаком минус текут в сторону плюса), то в переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Возможно, вы слышали, что в обычной городской электросети переменный ток имеет напряжение 220 В и стандартную частоту 50 Гц. Эти 50 герц говорят нам о том, что электрический ток проходит полный синусоидальный цикл 50 раз за одну секунду. Фактически, за одну секунду направление тока меняется целых 100 раз (один цикл меняется дважды).
Тема: В какую сторону течет ток в проводах, электрических цепях, схемах.
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц), в жидкостях и газах – движение ионов (положительно заряженных частиц). Кроме того, токи могут быть постоянными или переменными и имеют очень разное движение электрических зарядов. Для того чтобы правильно понять и усвоить тему протекания тока в проводниках, сначала необходимо более глубокое понимание основ электрофизики. Именно с этого я намерен начать.
Как же протекает электрический ток? Мы знаем, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы материи. Структура атома напоминает нашу Солнечную систему, в центре которой находится ядро атома. Она состоит из протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц), плотно прижатых друг к другу. Вокруг этого ядра с большой скоростью вращаются по своим орбитам электроны (более мелкие частицы с отрицательным зарядом). Количество электронов и орбиты, по которым они вращаются, могут варьироваться от вещества к веществу. Атомы в твердых телах имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура материи, в которой атомы расположены в определенном порядке относительно друг друга.
Откуда же может взяться электрический ток? Оказывается, в некоторых веществах (проводниках электричества) электроны, наиболее удаленные от ядра, могут отскакивать от атома и перемещаться к соседнему атому. Такое движение электронов называется свободным движением. Проще говоря, электроны перемещаются в веществе от одного атома к другому. Однако если мы подключим к этому веществу (электрическому проводнику) внешнее электромагнитное поле, создав тем самым электрическую цепь, все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении. Это движение электрического тока в проводнике.
Теперь давайте рассмотрим, что такое постоянный и переменный ток. Поэтому постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как уже упоминалось в начале – электроны движутся в твердых телах, а ионы – в жидкостях и газах. Электроны – это отрицательно заряженные частицы. Поэтому в твердых телах электрический ток течет от минусовой стороны к плюсовой (электроны движутся в электрической цепи). В жидкостях и газах ток течет в двух направлениях, точнее, одновременно, причем электроны текут к плюсовой стороне, а ионы (отдельные атомы, не связанные кристаллической решеткой, каждый сам по себе) – к минусовой стороне источника тока.
Ученые же официально признали, что движение происходит от плюса к минусу (т.е. противоположно реальному движению). Итак, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток течет от плюса к минусу, но с реальной точки зрения (электрофизической природы) правильнее считать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Вероятно, это сделано для некоторого удобства.
Теперь, что касается переменного тока. Это немного сложнее. Если при постоянном токе движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически, электроны со знаком минус перетекают в знак плюс), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Возможно, вы слышали, что в обычной городской электросети переменный ток имеет напряжение 220 В и стандартную частоту 50 Гц. Эти 50 герц говорят нам о том, что электрический ток проходит полный синусоидальный цикл 50 раз за одну секунду. На самом деле, направление тока меняется до 100 раз за одну секунду (он меняется дважды за один цикл).
Как вы читаете схемы? В нашей прошлой статье мы рассмотрели, как выглядят основные компоненты радиоприемника на схеме. В этой статье мы обсудим такие термины, как электрический ток, напряжение и сила тока. Хотя я уже писал о них в первых статьях, в этой статье мы постараемся собрать их все вместе, чтобы вам было легче разобраться.
Проводники электрического тока
Давайте начнем с самого начала. Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных плат, которые соединяют различные радиодетали вместе. Например, в статье “простейший усилитель звука” я использовал провода для соединения различных радиоэлементов вместе и получил схему, усиливающую звуковые частоты
Чтобы все было красиво, эстетично и не занимало много места, прямо на платах создаются “провода”, которые уже называются печатными дорожками.
В домашних условиях для этого используется технология LUT (технология лазерного травления).
На другой стороне печатной платы находятся радиокомпоненты
Поскольку любители стараются сделать свои устройства как можно меньше, плотность сборки увеличивается. Поэтому в некоторых случаях радиокомпоненты и печатные дорожки размещаются на обеих сторонах печатной платы.
Промышленные печатные платы уже являются многослойными. Они состоят из слоев, как торт:
Внутри них находятся дорожки, которые соединяются между слоями. Это позволяет сэкономить много места на поверхности печатной платы. Развитие технологии SMD создало спрос на многослойные печатные платы.
Электричество
Я уверен, что вы не раз слышали выражение “ток течет по этому проводу”. Электронику легче объяснить в терминах гидравлики. Если ток течет, значит, в нашем случае этот провод является шлангом или трубкой для электричества. Оказывается, так оно и есть. А что такое электрический ток?
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, обычно электронов, в одном направлении. По аналогии с гидравликой, электроны – это молекулы воды. Электрический ток подобен потоку воды. Думаю, на сегодня этого достаточно. Одних слов недостаточно, поэтому давайте нарисуем картину, чтобы порадовать глаза:
В настоящее время шланг лежит где-то в саду, и в нем еще есть вода. Шланг ни с чем не соединен, а это значит, что молекулы воды в шланге находятся в неподвижном состоянии.
Как и в электронике, медный провод лежит на столе и ни к чему не подключен.
Но сейчас уже вечер. Нужно полить помидоры и огурцы, иначе вы останетесь без закуски до зимы. Как только вы включаете кран, вода в шланге начинает двигаться:
Теперь вопрос к вам: почему, когда мы открываем кран, вода течет по шлангу? Она создала давление…Молекулы слева толкнули молекулы справа, и они начали двигаться. Но кто толкал молекулы, которые толкали молекулы? Это был либо насос, либо вода в водонапорной башне, которую толкала гравитационная сила Земли.
В электронике электроны толкает нечто, называемое ЭДС. В каждой электрической цепи есть “насос”, который проталкивает электроны через провода и радиоэлементы. Он может находиться в самой цепи или быть подключен к цепи извне. Как только электроны начинают двигаться в одном направлении в проводах, вы можете сказать электрический ток.
Напряжение
Теперь давайте представим себе следующую ситуацию. У нас есть водяной насос, но мы заблокировали шланг.
Вода вроде бы готова, но течь некуда! Шланг перекрыт пробкой. Но на саму пробку теперь давит насосная станция. От чего зависит давление на плунжер? Думаю, понятно, что это зависит от мощности насоса. Если мощность насоса приличная, пробка выскочит на скорости пули, или давление разорвет шланг, если пробка плотно сидит в шланге.
То же самое можно сказать и о водонапорной башне. Давление в нижней части башни зависит от количества воды, залитой в башню. Если башня заполнена, давление в нижней части башни будет высоким, и наоборот.
А теперь подумайте о давлении на дне океана, особенно в Марианской впадине ?.
Что вы можете сказать о давлении в этих двух случаях? Она вроде бы есть, но молекулы воды стоят на месте.
Так, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжение. Например, вы наверняка не раз слышали выражение типа “источник питания может выдавать напряжение от 0 до 30 вольт”. Или, говоря детским языком, создайте “электрическое давление” от 0 до 30 вольт на его клеммах (отмечены на фото). Ноль, от которого ведется отсчет электрического давления, отмечен минусом.
Электрическое давление не означает наличие электрического тока. Чтобы возник электрический ток, необходимо движение электронов в одном направлении, но в данный момент они стоят на месте. А если нет движения, то нет и электрического тока. Но тот факт, что давление уже существует, является предпосылкой для создания электрического тока.
Вы уже можете создавать давление воздуха в своем теле. Для этого просто наберите воздух в легкие и закройте рот. Затем выпустите воздух и надуйте щеки, не открывая рта. В это время молекулы воздуха будут оказывать давление на щеки. Чем больше воздуха вы выдыхаете, тем сильнее напрягаются ваши щеки от давления. Движение происходит из области высокого давления в область низкого давления. Вы создали высокое давление внутри легких и низкое давление снаружи. Вот почему ваши щеки опухли.
С точки зрения электроники, на одном байонете приводного блока имеется высокое давление, а на другом – низкое. Именно поэтому положительный щуп привода и вообще всего оборудования стараются сделать красным, так как остерегайтесь, это высокое давление! А отрицательный щуп – черный или синий. Это минимальное (нулевое) давление.
В электронике, чтобы указать, на какой клемме больше “электрическое давление”, а на какой меньше, ставят два знака: плюс и минус, положительный и отрицательный соответственно. В плюсе – избыточное давление, а в минусе – недостаточное.
Поэтому, если эти два провода замкнуть, электрический ток потечет от плюса к минусу, но это не должно происходить напрямую, так как это будет называться коротким замыканием.
Таким образом, у нас уже есть один компонент для возникновения электрического тока – это напряжение.
Давайте снова вернемся к гидравлике.
Мы создали давление, но электрического тока по-прежнему нет. Что нам нужно сделать? Справа снимите заглушку со шланга и дайте воде вытечь. Если есть движение, значит, есть электрический ток!
От какого слова происходит слово “электричество”? Я думаю, это происходит от слова “ток”. Поток воды, поток энергии, поток света и т.д., а также поток электронов в проводах называется просто “электрический ток”. Таким образом, заставляя электроны течь, мы тем самым создаем электрический ток ?.
Теперь снова надуйте свои пухлые щеки и постарайтесь создать очень высокое давление внутри рта. Что произойдет? Ваши губки не выдержат, и поток воздуха выйдет из вашего рта в окружающее пространство. Этим вы создаете высокое давление во рту, которое устремляется в область низкого давления, находящуюся снаружи. Почти таким же образом, подтягивая живот, вы создаете “ветер” из своего пука :-).
Хорошо, давайте подытожим то, что мы здесь написали. ЭДС заставляет электроны двигаться по проводам. Чтобы было движение, электроны должны куда-то двигаться, предпочтительно обратно к источнику ЭМП. В идеале, это должно быть что-то вроде этого:
Как вы можете видеть, у нас есть труба, выходящая из насосной станции и входящая в насосную станцию. Это означает, что контур трубопровода закрыт. Пока работает насосная станция, у нас есть движущаяся вода. Как только насосная станция умирает, вода перестает двигаться. Также важно, чтобы труба не была тонкой в диаметре, иначе она лопнет, если насосная станция имеет высокую производительность.
Аналогия с электроникой та же самая. Во-первых, цепь должна быть замкнутой, во-вторых, в ней должен быть источник ЭДС и, в-третьих, провод должен выдерживать поток электронов.
Сила тока
Нас также интересует другой важный фактор, а именно, сколько воды вытечет из шланга за определенное время.
Как вы думаете, какое количество воды быстрее наполнит ведро?
Или этот?
Очевидно, последнее. Почему? Потому что, скажем, через секунду из трубы выльется больше воды, чем из шланга. И количество воды, выливаемой за секунду из зеленого шланга, будет больше, чем из желтого, потому что давление воды в желтом шланге очень слабое. Теперь небольшой вопрос. Какой поток будет иметь большую силу? Очевидно, что струя, выходящая из трубы. Такой поток также можно использовать для привода гидроэлектрогенераторов.
Предположим, у нас есть большая труба, к которой приварены две другие трубы, но одна из них вдвое меньше другой.
Из какой трубы за секунду вытечет больший объем воды? Конечно, тот, у которого больше диаметр, потому что площадь поперечного сечения S2 большой трубы больше, чем площадь поперечного сечения S1 маленькой трубы. Поэтому сила потока через большую трубу будет больше, чем через маленькую, так как объем воды, протекающей через поперечное сечение S2 трубы, будет в два раза больше, чем через тонкую трубу.
Итак. давайте теперь применим все, что мы написали о воде, к электронике. Провода – это либо шланги, либо трубы, в зависимости от размера. Тонкая проволока – это шланг тонкого диаметра, толстая проволока – шланг более толстого диаметра, можно сказать, что это труба. В молекулах воды есть электроны. Поэтому толстый провод может переносить больше электронов при том же напряжении, чем тонкий провод.
Кроме того, в какой трубке сила потока электронов будет больше? Конечно, через толстый провод, потому что через поперечное сечение проводника в единицу времени будет протекать больше электронов, чем в тонком проводе ? А число электронов, протекающих через поперечное сечение проводника за интервал времени, называется текущий. Я же говорил, что сантехника и электроника очень сильно связаны ;-).
Не будем забывать, что электроны имеют заряд, поэтому официальная терминология силы тока следующая: сила тока – это физическая величина, равная отношению количества заряда, проходящего через данную поверхность (читается как площадь поперечного сечения) за определенное время. Он измеряется в кулонах в секунду. Для экономии времени и по другим моральным и эстетическим причинам было решено, что Кулон/секунда будет называться Ампером, в честь французского физика.
Давайте еще раз посмотрим на шланг с водой и зададим себе вопросы. От чего зависит поток воды? Первое, что приходит на ум, – это давление. Почему молекулы воды движутся слева направо на рисунке ниже? Потому что давление слева больше, чем справа. Чем выше давление, тем быстрее вода будет вытекать из шланга – это элементарно.
Теперь вопрос: как можно увеличить количество электронов в сечении? Первое, что приходит на ум, – увеличить давление. В этом случае скорость потока воды увеличится, но не намного, потому что шланг лопнет, как грелка во рту у Тузика. Второе решение – надеть шланг большего диаметра. В этом случае через поперечное сечение будет проходить больше молекул воды, чем в тонком шланге:
Все те же рассуждения можно применить и к обычной проволоке. Чем больше его диаметр, тем больший ток может протекать через него. Чем меньше диаметр, тем меньше нагрузка на него, иначе он “разорвется”, т.е. перегорит. Предохранители работают по такому принципу. Внутри предохранителя находится тонкий провод. Его толщина зависит от силы тока, для которого он предназначен.
Когда ток, протекающий по проводу, превышает ток, на который рассчитан предохранитель, предохранитель перегорает и размыкает цепь. Перегоревший предохранитель больше не проводит ток, потому что провод открыт
Заключение
Электрический ток в основном характеризуется такими параметрами, как напряжение и сила тока. Провода служат именно как “трубки и шланги” для переноса электрического тока на расстояние. Они выбираются в зависимости от величины тока, который будет проходить через них.
Например, эти медные “провода” используются для передачи бушующего электричества на заводах, крупных фабриках, электросетях и т.д. Такие шины называются медными шинами.
На последней фотографии показан предохранитель, соединяющий шины. Его номинальная мощность составляет 500 ампер. Можно сказать, что очень большой заряд, точнее 500 Кулон, может пройти через поперечное сечение такой медной шины за 1 секунду.
А что произойдет, если мы поместим туда тонкую медную проволоку? Я думаю, что может произойти что-то вроде этого
Резюме
Электрический ток – это движение в одном направлении свободных электронов.
У нас есть свободные электроны в проводах, которые в основном сделаны из меди и алюминия.
Электрический ток характеризуется двумя параметрами: напряжением и силой тока.
Чтобы в проводе возник электрический ток, на одном его конце должно быть положительное давление, а на другом – отрицательное.
Ток течет от плюса к минусу (хотя электроны бегут от минуса к плюсу)
Ток, протекающий через провод, – это количество заряда, протекающего через площадь “круга” (поперечное сечение провода) за одну секунду. Он выражается в амперах (Кулон/Вольт).
Провода, по которым будет протекать больше тока, имеют большую толщину, иначе тонкие провода будут нагреваться и плавиться, нанося вред окружающим предметам.
Читайте далее:- Атомная структура.
- Как работают атомы.
- Многоликий протон.
- Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда.
- Как и откуда берутся молнии: типы, физическая природа, причины. Физика атмосферы.
- 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
- Свойства атомов и их периодичность – ЗФТШ, МФТИ.