ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Электрический заряд
Все тела способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. В природе существует два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные заряды притягиваются.
Носителями зарядов являются элементарные частицы. Заряд почти всех частиц одинаков по абсолютной величине и представляет собой наименьший встречающийся в природе электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Положительный элементарный заряд обозначается +е,отрицательный –е. Экспериментально найдено, что е=1,6021892*10-19Кл.
В частности элементарными частицами являются электрон (-е), протон (+е) и нейтрон (заряд равен нулю). Из этих частиц построены атомы любого вещества, поэтому электрические заряды входят в состав всех тел.Обычно электроны и протоны имеются в равных количествах и распределены в теле с одинаковой плотностью. В этом случае алгебраическая сумма зарядов в любом элелментарном объеме тела равна равна нулю, вследствие чего тело оказывается нейтральным. Если создать переизбыток в теле частиц какого-либо знака, тело окажется заряженным. Можно производить и перераспределение частиц поднеся к одной части тела другое заряженное тело.
Всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, поэтому он является целым кратным е:
q=+Ne.
Электрические заряды могут возникать и исчезать. Однако возникают или исчезают одновременно два элементарных заряда разных знаков. Например электрон и позитрон (положительный электрон) при всирече аннигилируют, т.е. превращаются в нейтральные частицы, называемые гамма-фотонами. При этом исчезают заряды –е и +е. В ходе процесса называемого рождением пары, гамма-фотон, пролетая вблизт атомного ялра, превращается в пару частиц – електрон и позитрон. В результате возникают заряды –е и +е.
Таким образом, существует закон сохранения электрического заряда, который утверждает, что суммарный заряд электрически изолированной системы не может изменяться.
Электрический ток
Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Носителями тока могут быть электроны, а также положительные и отрицательные ионы, т.е. атомы или молекулы, потерявшие либо присоединившие к себе один или несколько электронов.
Заряд, перносимый через некоторую воображаемую поверхность (например, через поперечное сечение проводника) в еденицу времени, называется силой тока.
I=dq/dt.
Заряд измеряется в кулонах; один кулон в секунду равен одному амперу.
Направлением тока далее будем считать направление, в котором двигались бы положительные заряды. На самом деле ток в большинстве случаев создается движением электронов, которые, будучи заряжены отрицательно, движутся в направлении, противоположном принятому за направление тока. Ток неизменяющейся силы обозначается через I, а мгновенное значение изменяющегося тока – через i.
Ток не изменяющийся со времнем называется постоянным. Переменные токи – это токи, направление которых периодически изменяется. Число периодов циклического изменения тока в секунду называется частотой переменного тока и измеряется в герцах (Гц). Электроэнергия обычно подается потребителю в виде переменного тока с частотой 50 Гц (в России и в европейских странах) или 60 Гц (в США).
ДВИЖЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПРОВОДЕ
Представте вы в кинотеатре. Экран это минус а киноаппаратная плюс, в первом ряду пустое место это электрон, позади сидящие люди электрический ток, так вот, если зрирель со второго ряда пересядит на свободный первый, а далее с третьего на второй и с четвёртого в третий и так далее, то движущиеся (пересаживающиеся люди) это ток, а свободное место это движение электрона. Ток течёт от плюса к минусу, а электроны наоборот от минуса к плюсу.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Потенциал. Если для перемещения заряда между двумя точками необходимо затратить энергию или если при перемещении заряда между двумя точками заряд приобретает энергию, то говорят, что в этих точках имеется разность потенциалов. Энергия необходима для перемещения заряда от более низкого потенциала к более высокому. На схемах рядом с точкой более высокого потенциала ставится знак +, а рядом с точкой более низкого – знак -.
Батарея или генератор электрического тока – это устройство, которое сообщает энергию зарядам. Источник тока перемещает положительные заряды от меньшего потенциала к большему за счет химической энергии. Неизменяющаяся разность потенциалов обозначается через V, а мгновенное значение изменяющейся разности потенциалов – через e.
Разность потенциалов на зажимах батареи или генератора называется электродвижущей силой (ЭДС) и обозначается через Eg, если она не изменяется, и через eg, если она переменна. Разность потенциалов в двух точках a и b обозначается через Vab. Разность потенциалов и ЭДС измеряются в вольтах.
Диэлектрики. Свойство материалов максимально не проводить электрический ток (какой либо изолятор). Идеальный диэлектрик – это материал, внутренние электрические заряды которого связаны настолько прочно, что он не способен проводить электрический ток. Поэтому он может служить хорошим изолятором. Хотя идеальных диэлектриков в природе не существует, проводимость многих изоляционных материалов при комнатной температуре не превышает 10–23 проводимости меди; во многих случаях такую проводимость можно считать равной нулю.
Проводники. Свойство материалов максимально проводить электрический ток (какой либо провод или рельс на железной дороге). Кристаллическая структура и распределение электронов в твердых проводниках и диэлектриках сходны между собой. Основное различие заключается в том, что в диэлектрике все электроны прочно связаны с соответствующими ядрами, тогда как в проводнике имеются электроны, находящиеся во внешней оболочке атомов, которые могут свободно перемещаться по кристаллу. Такие электроны называют свободными электронами или электронами проводимости, поскольку они являются переносчиками электрического заряда. Число электронов проводимости, приходящихся на один атом металла, зависит от электронной структуры атомов и степени возмущения внешних электронных оболочек атома его соседями по кристаллической решетке. У элементов первой группы периодической системы элементов (лития, натрия, калия, меди, рубидия, серебра, цезия и золота) внутренние электронные оболочки заполнены целиком, а во внешней оболочке имеется один-единственный электрон. Эксперимент подтвердил, что у этих металлов приходящееся на один атом число электронов проводимости приблизительно равно единице. Однако для большинства металлов других групп характерны в среднем дробные значения числа электронов проводимости в расчете на один атом. Например, у переходных элементов – никеля, кобальта, палладия, рения и большинства их сплавов – число электронов проводимости на один атом равно примерно 0,6. Число носителей тока в полупроводниках гораздо меньше. Например, в германии при комнатной температуре оно порядка 10–9. Чрезвычайно малое число носителей в полупроводниках приводит к возникновению у них множества интересных свойств.
Тепловые колебания кристаллической решетки в металле поддерживают постоянное движение электронов проводимости, скорость которых при комнатной температуре достигает 106 м/с. Поскольку это движение хаотично, оно не приводит к возникновению электрического тока. При наложении же электрического поля появляется небольшой общий дрейф. Этот дрейф свободных электронов в проводнике и представляет собой электрический ток. Поскольку электроны заряжены отрицательно, направление тока противоположно направлению их дрейфа.
Разность потенциалов. Для описания свойств конденсатора необходимо ввести понятие разности потенциалов. Если на одной обкладке конденсатора имеется положительный заряд, а на другой – отрицательный заряд той же величины, то для переноса дополнительной порции положительного заряда с отрицательной обкладки на положительную необходимо совершить работу против сил притяжения со стороны отрицательных зарядов и отталкивания положительных. Разность потенциалов между обкладками определяется как отношение работы по переносу пробного заряда к величине этого заряда; при этом предполагается, что пробный заряд значительно меньше заряда, находившегося первоначально на каждой из обкладок. Несколько видоизменив формулировку, можно дать определение разности потенциалов между любыми двумя точками, которые могут находиться где угодно: на проводе с током, на разных обкладках конденсатора либо просто в пространстве. Это определение таково: разность потенциалов между двумя точками пространства равна отношению работы, затрачиваемой на перемещение пробного заряда из точки с более низким потенциалом в точку с более высоким потенциалом, к величине пробного заряда. Снова предполагается, что пробный заряд достаточно мал и не нарушает распределения зарядов, создающих измеряемую разность потенциалов. Разность потенциалов V измеряется в вольтах (В) при условии, что работа W выражена в джоулях (Дж), а пробный заряд q – в кулонах (Кл).
Емкость. Емкость конденсатора равна отношению абсолютной величины заряда на любой из
двух его обкладок (напомним, что их заряды различаются только знаком) к разности потенциалов между обкладками:
С=Q/V
Емкость C измеряется в фарадах (Ф), если заряд Q выражен в кулонах (Кл), а разность потенциалов – в вольтах (В). Две только что упомянутые единицы измерения, вольт и фарада, названы так в честь ученых А.Вольты и М.Фарадея.
Фарада оказалась настолько крупной единицей, что емкость большинства конденсаторов выражают в микрофарадах (10–6 Ф) или пикофарадах (10–12 Ф).