Как направлен ток в проводниках: Электрический ток в металлических проводниках

Содержание

Сила тока в физике — что это такое?

Электрический ток

По проводам течет электрический ток. Причем он именно «течет», практически как вода. Представим, что вы — счастливый фермер, который решил полить свой огород из шланга. Вы чуть-чуть приоткрыли кран, и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала.

Сила струи очень слабая. Потом вы решили, что напор нужен побольше и открыли кран на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что ни один помидор не останется без внимания, хотя в обоих случаях диаметр шланга одинаков.

А теперь представьте, что вы наполняете два ведра из двух шлангов. У одного из них напор сильнее, у другого слабее. Быстрее наполнится то ведро, в которое льется вода из шланга с сильным напором. Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из двух разных шлангов тоже разный. Иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.

Если мы возьмем проводник с током, то будет происходить то же самое: заряженные частицы будут двигаться по проводнику, как и молекулы воды. Если больше заряженных частиц будет двигаться по проводнику, то «напор» тоже увеличится.

  • Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Сила тока

Сразу возникает потребность в величине, которой мы будем «напор» электрического тока измерять. Такая, чтобы она зависела от количества частиц, которые протекают по проводнику.

Сила тока — это физическая величина, которая показывает, какой заряд прошел через проводник.

Как обозначется сила тока?

Сила тока обозначается буквой I

Сила тока

I = q/t

I — сила тока [A]

q — заряд [Кл]

t — время [с]

Сила тока измеряется в Амперах. Единица измерения выбрана не просто так.

Во-первых, она названа в честь физика Андре-Мари Ампера, который занимался изучением электрических явлений. А во-вторых, единица этой величины выбрана на основе явления взаимодействия двух проводников.


Здесь аналогии с водопроводом провести, увы, не получится. Шланги с водой не притягиваются и не отталкиваются вблизи друг друга (а жаль, было бы забавно).

Когда ток проходит по двум параллельным проводникам в одном направлении, проводники притягиваются. А когда в противоположном направлении (по этим же проводникам) — отталкиваются.


За единицу силы тока 1 А принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.

Задача

Найти силу тока в цепи, если за 2 секунды в ней проходит заряд, равный 300 мКл.

Решение:

Возьмем формулу силы тока

I = q/t

Подставим значения

I = 300 мКл / 2 с = 150 мА

Ответ: сила тока в цепи равна 150 мА

Проводники и диэлектрики

Некоторые делят мир на черное и белое, а мы — на проводники и диэлектрики.

  • Проводники — это материалы, через которые электрический ток проходит. Самыми лучшими проводниками являются металлы.
  • Диэлектрики — материалы, через которые ток не проходит. Изи!

Проводники

Диэлектрики

Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам

Воздух, дистиллированная вода, поливинилхлорид, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухое дерево, каучук

То, что диэлектрик не проводит электрический ток, не значит, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передавать.

Направление тока

Раньше в учебниках по физике писали так: когда-то давно решили, что ток направлен от плюса к минуса, а потом узнали, что по проводам текут электроны. Но электроны эти — отрицательные, а значит к минусу идти не могут. Но раз уже условились о направлении, поэтому оставим, как есть. Вопрос тогда возникал у всех: почему нельзя поменять направление тока? Но ответ так никто и не получил.

Сейчас пишут немного иначе: положительные частицы текут по проводнику от плюса к минусу, туда и направлен ток. Здесь вопросов ни у кого не возникает.

Так и какая версия верна?

На самом деле, обе. Носители заряда в каждом типе материала разные. В металлах — это электроны, в электролитах — ионы. У каждого типа частиц свои знаки и потребность в том, чтобы бежать к противоположно заряженному полюса источника тока.

Не будем же мы для каждого типа материала выбирать направление тока, чтобы решить задачу! Поэтому принято направлять ток от плюса к минусу. В большинстве задач школьного курса направление тока роли не играет, но есть то самое коварное меньшинство, где этот момент будет очень важным.

Поэтому запомните — направляем ток от плюса к минусу.



Источник тока

Вода в шланге берется из водопровода, ключа с водой в земле — в общем, не из ниоткуда. Электрический ток тоже имеет свой источник.

В качестве источника может выступить, например, гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. Эти реакции выделяют энергию, которая потом передается электрической цепи.

У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения. По сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «-».

Амперметр

Мы знаем, куда ток направлен, в чем измеряется сила тока, как ее вычислить, зная заряд и время, за которое этот заряд прошел. Осталось только измерить.

Прибор для измерения силы тока называется амперметр. Его включают в электрическую цепь последовательно с тем проводником, в котором ток измеряют.


Амперметры бывают очень разными по принципу действия: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и индукционные — и это только самые распространенные.

Мы рассмотрим только принцип действия теплового амперметра, потому что для понимания принципа действия других устройств необходимо знать, что такое магнитное поле и катушки.

Тепловой амперметр основан на свойстве тока нагревать провода. Устроен так: к двум неподвижным зажимам присоединена тонкая проволока. Эта тонкая проволока оттянута вниз шелковой нитью, связанной с пружиной. По пути эта нить петлей охватывает неподвижную ось, на которой закреплена стрелка. Измеряемый ток подводится к неподвижным зажимам и проходит через проволоку (на рисунке стрелками показан путь тока).

Под действием тока проволока немного нагреется, из-за чего удлинится, вследствие этого шелковая нить, прикрепленная к проволоке, оттянется пружиной. Движение нити повернет ось, а значит и стрелку. Стрелка покажет величину измерения.



Глава 23. Закон электромагнитной индукции

Если в магнитном поле находится замкнутый проводящий контур, не содержащий источников тока, то при изменении магнитного поля в контуре возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Появление тока свидетельствует о возникновении в контуре электрического поля, которое может обеспечить замкнутое движение электрических зарядов или, другими словами, о возникновении ЭДС. Электрическое поле, которое возникает при изменении поля магнитного и работа которого при перемещении зарядов по замкнутому контуру не равна нулю, имеет замкнутые силовые линии и называется вихревым.

Для количественного описания электромагнитной индукции вводится понятие магнитного потока (или потока вектора магнитной индукции) через замкнутый контур. Для плоского контура, расположенного в однородном магнитном поле (а только такие ситуации и могут встретиться школьникам на едином государственном экзамене), магнитный поток определяется как

(23. 1)

где — индукция поля, — площадь контура, — угол между вектором индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура (см. рисунок; перпендикуляр к плоскости контура показан пунктиром). Единицей магнитного потока в международной системе единиц измерений СИ является Вебер (Вб), который определяется как магнитный поток через контур площади 1 м

2 однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл, перпендикулярной плоскости контура.

Величина ЭДС индукции , возникающая в контуре при изменении магнитного потока через этот контур, равна скорости изменения магнитного потока

(23.2)

Здесь — изменение магнитного потока через контур за малый интервал времени . Важным свойством закона электромагнитной индукции (23.2) является его универсальность по отношению к причинам изменения магнитного потока: магнитный поток через контур может меняться из-за изменения индукции магнитного поля, изменения площади контура или изменения угла между вектором индукции и нормалью, что происходит при вращении контура в поле. Во всех этих случаях по закону (23.2) в контуре будет возникать ЭДС индукции и индукционный ток.

Знак минус в формуле (23.2) «отвечает» за направление тока, возникающего в результате электромагнитной индукции (правило Ленца). Однако понять на языке закона (23.2), к какому направлению индукционного тока приведет этот знак при том или ином изменении магнитного потока через контур, не так-то просто. Но достаточно легко запомнить результат: индукционный ток будет направлен таким образом, что созданное им магнитное поле будет «стремиться» компенсировать то изменение внешнего магнитного поля, которое этот ток и породило. Например, при увеличении потока внешнего магнитного поля через контур в нем возникнет индукционный ток, магнитное поле которого будет направлено противоположно внешнему магнитному полю так, чтобы уменьшить внешнее поле и сохранить, таким образом, первоначальную величину магнитного поля. При уменьшении потока поля через контур поле индукционного тока будет направлено так же, как и внешнее магнитное поле.

Если в контуре с током ток в силу каких-то причин изменяется, то изменяется и магнитный поток через контур того магнитного поля, которое создано самим этим током. Тогда по закону (23.2) в контуре должна возникать ЭДС индукции. Явление возникновения ЭДС индукции в некоторой электрической цепи в результате изменения тока в самой этой цепи называется самоиндукцией. Для нахождения ЭДС самоиндукции в некоторой электрической цепи необходимо вычислить поток магнитного поля, создаваемого этой цепью через нее саму. Такое вычисление представляет собой сложную проблему из-за неоднородности магнитного поля. Однако одно свойство этого потока является очевидным. Поскольку магнитное поле, создаваемого током в цепи, пропорционально величине тока, то и магнитный поток собственного поля через цепь пропорционален току в этой цепи

(23.3)

где — сила тока в цепи, — коэффициент пропорциональности, который характеризует «геометрию» цепи, но не зависит от тока в ней и называется индуктивностью этой цепи. Единицей индуктивности в международной системе единиц СИ является Генри (Гн). 1 Гн определяется как индуктивность такого контура, поток индукции собственного магнитного поля через который равен 1 Вб при силе тока в нем 1 А. С учетом определения индуктивности (23.3) из закона электромагнитной индукции (23.2) получаем для ЭДС самоиндукции

(23.4)

Благодаря явлению самоиндукции ток в любой электрической цепи обладает определенной «инерционностью» и, следовательно, энергией. Действительно, для создания тока в контуре необходимо совершить работу по преодолению ЭДС самоиндукции. Энергия контура с током и равна этой работе. Необходимо запомнить формулу для энергии контура с током

(23.5)

где — индуктивность контура, — сила тока в нем.

Явление электромагнитной индукции широко применяется в технике. На нем основано создание электрического тока в электрических генераторах и электростанциях. Благодаря закону электромагнитной индукции происходит преобразование механических колебаний в электрические в микрофонах. На основе закона электромагнитной индукции работает, в частности, электрическая цепь, которая называется колебательным контуром (см. следующую главу), и которая является основой любой радиопередающей или радиопринимающей техники.

Рассмотрим теперь задачи.

Из перечисленных в задаче 23.1.1 явлений только одно есть следствие закона электромагнитной индукции — появление тока в кольце при проведении сквозь него постоянного магнита (ответ 3). Все остальное — результат магнитного взаимодействия токов.

Как указывалось во введении к настоящей главе, явление электромагнитной индукции лежит в основе работы генератора переменного тока (задача 23.1.2), т.е. прибора, создающего переменный ток, заданной частоты (ответ 2).

Индукция магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, уменьшается с увеличением расстояния до него. Поэтому при приближении магнита к кольцу (задача 23.1.3) поток индукции магнитного поля магнита через кольцо изменяется, и в кольце возникает индукционный ток. Очевидно, это будет происходить при приближении магнита к кольцу и северным, и южным полюсом. А вот направление индукционного тока в этих случаях будет различным. Это связано с тем, что при приближении магнита к кольцу разными полюсами, поле в плоскости кольца в одном случае будет направлено противоположно полю в другом. Поэтому для компенсации этих изменений внешнего поля магнитное поле индукционного тока должно быть в этих случаях направлено по-разному. Поэтому и направления индукционных токов в кольце будут противоположными (ответ 4).

Для возникновения ЭДС индукции в кольце необходимо, чтобы менялся магнитный поток через кольцо. А поскольку магнитная индукция поля магнита зависит от расстояния до него, то в рассматриваемом в задаче 23. 1.4 случае поток через кольцо будет меняться, в кольце возникнет индукционный ток (ответ 1).

При вращении рамки 1 (задача 23.1.5) угол между линиями магнитной индукции (а, значит, и вектором индукции) и плоскостью рамки в любой момент времени равен нулю. Следовательно, магнитный поток через рамку 1 не изменяется (см. формулу (23.1)), и индукционный ток в ней не возникает. В рамке 2 индукционный ток возникнет: в положении показанном на рисунке, магнитный поток через нее равен нулю, когда рамка повернется на четверть оборота — будет равен , где — индукция, — площадь рамки. Еще через четверть оборота поток снова будет равен нулю и т.д. Поэтому поток магнитной индукции через рамку 2 изменяется в процессе ее вращения, следовательно, в ней возникает индукционный ток (ответ 2).

В задаче 23.1.6 индукционный ток возникает только в случае 2 (ответ 2). Действительно, в случае 1 рамка при движении остается на одном и том же расстоянии от проводника, и, следовательно, магнитное поле, созданное этим проводником в плоскости рамки, не изменяется. При удалении рамки от проводника магнитная индукция поля проводника в области рамки изменяется, меняется магнитный поток через рамку, и возникает индукционный ток

В законе электромагнитной индукции утверждается, что индукционный ток в кольце будет течь в такие моменты времени, когда изменяется магнитный поток через это кольцо. Поэтому пока магнит покоится около кольца (задача 23.1.7) индукционный ток в кольце течь не будет. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

Согласно закону электромагнитной индукции (23.2) ЭДС индукции в рамке определяется скоростью изменения магнитного потока через нее. А поскольку по условию задачи 23.1.8 индукция магнитного поля в области рамки изменяется равномерно, скорость ее изменения постоянна, величина ЭДС индукции не изменяется в процессе проведения опыта (ответ 3).

В задаче 23.1.9 ЭДС индукции, возникающая в рамке во втором случае, вчетверо больше ЭДС индукции, возникающей в первом (ответ 4). Это связано с четырехкратным увеличением площади рамки и, соответственно, магнитного потока через нее во втором случае.

В задаче 23.1.10 во втором случае в два раза увеличивается скорость изменения магнитного потока (индукция поля меняется на ту же величину, но за вдвое меньшее время). Поэтому ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в рамке во втором случае, в два раза больше, чем в первом (ответ 1).

При увеличении тока в замкнутом проводнике в два раза (задача 23.2.1), величина индукции магнитного поля возрастет в каждой точке пространства в два раза, не изменившись по направлению. Поэтому ровно в два раза изменится магнитный поток через любую малую площадку и, соответственно, и весь проводник (ответ 1). А вот отношение магнитного потока через проводник к току в этом проводнике, которое и представляет собой индуктивность проводника , при этом не изменится (задача 23.2.2 — ответ 3).

Используя формулу (23. 3) находим в задаче 32.2.3 Гн (ответ 4).

Связь между единицами измерений магнитного потока, магнитной индукции и индуктивности (задача 23.2.4) следует из определения индуктивности (23.3): единица магнитного потока (Вб) равна произведению единицы тока (А) на единицу индуктивности (Гн) — ответ 3.

Согласно формуле (23.5) при двукратном увеличении индуктивности катушки и двукратном уменьшении тока в ней (задача 23.2.5) энергия магнитного поля катушки уменьшится в 2 раза (ответ 2).

Когда рамка вращается в однородном магнитном поле, магнитный поток через рамку меняется из-за изменения угла между перпендикуляром к плоскости рамки и вектором индукции магнитного поля. А поскольку и в первом и втором случае в задаче 23.2.6 этот угол меняется по одному и тому же закону (по условию частота вращения рамок одинакова), то ЭДС индукции меняются по одному и тому же закону, и, следовательно, отношение амплитудных значений ЭДС индукции в рамках равно единице (ответ 2).

Магнитное поле, создаваемое проводником с током в области рамки (задача 23.2.7), направлено «от нас» (см. решение задач главы 22). Величина индукции поля провода в области рамки при ее удалении от провода будет уменьшаться. Поэтому индукционный ток в рамке должен создать магнитное поле, направленное внутри рамки «от нас». Используя теперь правило буравчика для нахождения направления магнитной индукции, заключаем, что индукционный ток в рамке будет направлен по часовой стрелке (ответ 1).

При увеличении тока в проводе будет возрастать созданное им магнитное поле и в рамке возникнет индукционный ток (задача 23.2.8). В результате возникнет взаимодействие индукционного тока в рамке и тока в проводнике. Чтобы найти направление этого взаимодействия (притяжение или отталкивание) можно найти направление индукционного тока, а затем по формуле Ампера силу взаимодействия рамки с проводом. Но можно поступить и по-другому, используя правило Ленца. Все индукционные явления должны иметь такое направление, чтобы компенсировать вызывающую их причину. А поскольку причина — увеличение тока в рамке, сила взаимодействия индукционного тока и провода должна стремиться уменьшить магнитный поток поля провода через рамку. А поскольку магнитная индукция поля провода убывает с увеличением расстояния до него, то эта сила будет отталкивать рамку от провода (ответ 2). Если бы ток в проводе убывал, то рамка притягивалась бы к проводу.

Задача 23.2.9 также связана с направлением индукционных явлений и правилом Ленца. При приближении магнита к проводящему кольцу в нем возникнет индукционный ток, причем направление его будет таким, чтобы компенсировать вызывающую его причину. А поскольку эта причина — приближение магнита, кольцо будет отталкиваться от него (ответ 2). Если магнит отодвигать от кольца, то по тем же причинам возникло бы притяжение кольца к магниту.

Задача 23.2.10 — единственная вычислительная задача в этой главе. Для нахождения ЭДС индукции нужно найти изменение магнитного потока через контур . Это можно сделать так. Пусть в некоторый момент времени перемычка находилась в положении, показанном на рисунке, и пусть прошел малый интервал времени . За этот интервал времени перемычка переместится на величину . Это приведет к увеличению площади контура на величину . Поэтому изменение магнитного потока через контур будет равно , а величина ЭДС индукции (ответ 4).

Действие магнитного поля на проводник с током — урок. Физика, 8 класс.

Рассмотрим рис. \(1\). К источнику тока подсоединены два пластинчатых проводника.

 

Рис. 1. Изображение взаимодействия токов

 

а)

  • цепь
  • не замкнута;
  • в проводниках тока нет;
  • проводники не взаимодействуют друг с другом;

б)

  • провода соединены последовательно;
  • ток по проводникам идёт в противоположных направлениях;
  • проводники отталкиваются друг от друга;

в)

  • проводники соединены параллельно;
  • направление силы тока в проводниках совпадает;
  • проводники притягиваются друг к другу.

 Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.

 

Подвесим металлический проводник на гибких проводах, присоединённых к источнику тока.

Для демонстрации воздействия магнитного поля на участок проводника с током соберём установку из подковообразного магнита — источника постоянного магнитного поля и проводника, подключённого к источнику тока (рис. \(2\)). С помощью реостата будем управлять величиной тока в цепи.

 

Рис. 2. Изображение отсутствия отклонения проводника вблизи магнита при разомкнутом ключе

Рис. 3. Изображение отклонения проводника вблизи магнита при увеличении силы тока в цепи 

  

1. Замкнём цепь. По участку провода, находящемуся в поле постоянного магнита, пройдёт ток, направление которого зависит от полюсов источника тока, к которым подключены концы провода. Вектор магнитной индукции \(\vec{B}\) направлен от северного полюса к южному — сверху вниз. Ток в проводнике направлен от наблюдателя. Магнитное поле втягивает проводник с током (рис. \(3\)).

 

2. Изменим направление тока, поменяв полюса источника тока. Тогда проводник будет выталкиваться магнитным полем.

 

3. Если полюса магнита поменять (перевернуть магнит), то направление движения проводника изменится на противоположное.

Правило левой руки

Ладонь левой руки нужно разместить так, чтобы линии магнитной индукции \(\vec{B}\) входили в ладонь, четыре вытянутых пальца показывали направление движения тока \(\vec{I}\) в проводнике, тогда отогнутый под прямым углом большой палец покажет направление действия силы Ампера \(\vec{F_A}\), действующей на проводник с током.

Движение проводника вызвано этой силой \(\vec{F_A}\), поэтому направление движения проводника совпадает с направлением действия силы \(\vec{F_A}\) (рис. \(4\)).

 

Рис. 4. Изображение положения руки в пространстве при определении направления силы Ампера

Источники:

Рис. 1. Изображение взаимодействия токов. © ЯКласс.

Рис. 2. Изображение отсутствия отклонения проводника вблизи магнита при разомкнутом ключе. © ЯКласс.

Рис. 3. Изображение отклонения проводника вблизи магнита при увеличении силы тока в цепи. © ЯКласс.

Рис. 4. Изображение положения руки в пространстве при определении направления силы Ампера. © ЯКласс.

 

Электрический ток, что это такое

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда.

Когда мы произносим словосочетание «электрический ток», то обычно имеем ввиду самые разные проявления электричества. Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток.

Электролиз, электросварка, искры статического электричества на расческе, по спирали лампы накаливания течет ток, и даже в крохотном карманном фонарике через светодиод течет крохотный ток. Что и говорить о нашем сердце, которое также генерирует небольшой электрический ток, особенно это заметно во время прохождения процедуры ЭКГ.

В физике электрическим током принято называть упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе любых носителей электрического заряда. Движущийся вокруг атомного ядра электрон — это тоже ток. И заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону — также станет источником тока: не равный нулю заряд есть и он движется.

Физические аналогии между течением воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод

Постоянный ток:

Ток течет по проводам бытовых электроприборов питающихся от розетки — электроны перемещаются туда-сюда 50 раз за секунду — это называется переменным током.

Высокочастотные сигналы внутри электронных приборов — это тоже электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри схемы.

Любой электрический ток порождает своим существованием магнитное поле. Вокруг проводника с током оно обязательно присутствует. Не существует магнитного поля без тока и тока без магнитного поля.

Даже если магнитного поля вокруг тока не наблюдается, это лишь значит что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно скомпенсированы, как в двужильном проводе любого электрического чайника — переменные токи в каждый момент направлены в противоположные стороны и текут параллельно друг другу — их магнитные поля друг друга нейтрализуют. Это называется принципом наложения (суперпозиции) магнитных полей.

Практически для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциального или вихревого. Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим образом (как например в генераторе Ван Де Граафа — наэлектризованной резиновой лентой).

Генератор Ван Де Граафа:

В электрическом поле заряженная частица испытывает действие электрической силы, которая у источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах как и напряжение между двумя точками электрической цепи. Чем больше напряжение приложенное к потребителю — тем больший электрический ток это напряжение способно вызвать.

Переменное напряжение порождает в проводнике, к которому оно приложено, переменный ток, поскольку электрическое поле, приложенное к носителям заряда, будет в этом случае также переменным. Постоянное напряжение — условие существования в проводнике тока постоянного.

Высокочастотное напряжение (изменяющее свое направление сотни тысяч раз за секунду) также способствует переменному току в проводниках, но чем выше частота — тем меньше носителей заряда участвуют в создании тока в толще проводника, поскольку электрическое поле действующее на заряженные частицы вытесняется ближе к поверхности, и получается что ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это называется скин-эффект.

Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда в диэлектриках постоянного тока быть не может, поскольку в них заряды не имеют возможности к свободному перемещению, а способны лишь смещаться в пределах внутримолекулярного расстояния от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.

Настоящий электрический ток всегда предполагает возможность свободного перемещения электрических зарядов под действием электрического поля.

Ранее ЭлектроВести писали, что две команды американских физиков разработали стратегию производства устройств для преобразования света в электричество с помощью органических полупроводников и «освобожденных» электронов.

По материалам: electrik.info.

Магнетизм магнитное поле различных проводников с током вектор магнитной индукции — Документ

Магнетизм

Магнитное поле различных проводников с током.

Вектор магнитной индукции


  1. (а) На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен вектор магнитной индукции в точке А?

1) вверх 2) перпендикулярно чертежу от нас

3) вниз 4) перпендикулярно чертежу на нас

(
б) К магнитной стрелке компаса, зафиксирован­ной в положении, представ­лен­ном на рисунке, поднесли магнит. После освобождения фиксатора стрелка ком­паса установится в положе­нии равновесия,

повернувшись на 180

1) повернувшись на 180

2) повернувшись на 90 по часовой стрелке

3) повернувшись на 90 против часовой стрелки

4) оставшись в прежнем положении

  1. (а) На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Если в точке А расположить магнитную стрелку, которая может вращаться, то своим «южным» полюсом стрелка развернется

1) от нас 2) к нам 3) к проводнику 4) от проводника

(б) Какие магнитные полюсы изображены на рисунке?

1) А — северный, В — южный

2) А — северный, В — северный

3) А — южный, В — северный

4) А — южный, В — южный

  1. (а) В каком случае вокруг движущегося электрона возникает магнитное поле?

А. Электрон движется равномерно и прямолинейно.

Б. Электрон движется равномерно по окружности.

В. Электрон движется прямолинейно и равноускоренно

1) только в случае А 2) только в случае Б 3) только в случае В

4) в случаях А, Б и В 5) ни в одном из данных случаев

(
б) На рисунке изображен проволочный виток, по которому течет электриче­ский ток в направлении, указанном стрелкой. Виток расположен в вертикальной плоскости. В центре витка вектор индукции магнитного поля тока направлен

1) вертикально вверх  2) вертикально вниз 

3) вправо  4) влево 

  1. (а) Электрический ток в прямолинейном проводнике направлен перпендикулярно плоскости рисунка и выходит из плоскости к наблюдателю. Какое расположение и направление имеют линии магнитной индукции?


(б) Электрический ток в прямолинейном проводнике направлен перпендикулярно плоскости рисунка и выходит из плоскости от наблюдателя. Какое расположение и направление имеют линии магнитной индукции?



  1. (а) По двум тонким прямым проводникам, параллельным друг другу, текут одинаковые токи I (см. рисунок). Как направлено создаваемое ими магнитное поле в точке С?

1) к нам 2) от нас

3) вверх ↑ 4) вниз ↓

(б) На рисунке изображен проволочный виток, по ко­торому течет электри­ческий ток в направлении, указанном стрелкой. Виток расположен в горизон­тальной плоскости. В центре витка вектор индук­ции магнитного поля тока направлен

1) вертикально вверх 

2) горизонтально влево 

3) горизонтально вправо 

4) вертикально вниз 

  1. Какая физическая величина имеет единицу измерения 1 Тесла?

1) магнитная индукция

2) поток магнитной индукции

3) индуктивность

4) ЭДС индукции

5) энергия магнитного поля

Сила Ампера. Сила взаимодействия двух проводников с током

  1. (а) Как направлена сила (указать номер стрелки), действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле?

(б) Четыре прямых проводника с током – 1, 2, 3 и 4 — находятся в однородном магнитном поле (см. рисунок; остальные части электрических цепей, в которые входят проводники, не показаны, проводник 4 расположен перпендикулярно магнитному полю, ток по нему течет «на нас»). На какой из проводников магнитное поле не действует?

1) 1 2) 2 3) 3 4) 4

  1. В однородном магнитном поле находится рамка, по которой течет ток (см. рисунок). Сила, действующая на нижнюю сторону рамки, направлена

1) вниз 2) перпендикулярно чертежу от нас

3) вверх 4) перпендикулярно чертежу на нас


  1. На рисунке представлено взаимодействие магнитного поля с проводником, по которому идет ток. Определите направление силы Ампера.

1) вверх 2) вниз 3) вправо 4) влево 5) определить нельзя

  1. (а) Электрическая цепь, состоящая из четырех прямолинейных горизонтальных проводников (1 – 2, 2 – 3, 3 – 4, 4 – 1) и источника постоянного тока, находится в однородном магнитном поле, вектор магнитной индукции которого направлен вертикально вниз (см. рисунок, вид сверху). Куда направлена сила Ампера, действующая на проводник 1 – 2?

1) вертикально вверх 2) горизонтально вправо

3) вертикально вниз 4) горизонтально влево


(б) Электрическая цепь, состоящая из четырех прямолинейных горизонтальных проводников (1 – 2, 2 – 3, 3 – 4, 4 – 1) и источника постоянного тока, находится в однородном магнитном поле, вектор магнитной индукции которого направлен горизонтально вправо (см. рисунок, вид сверху). Куда направлена сила Ампера, действующая на проводник 1 – 2?

1) горизонтально влево 2) горизонтально вправо

3) вертикально вниз 4) вертикально вверх

  1. Прямой проводник с током длиной 50 см помещен в однородное магнитное поле с индукцией 0,2 Тл под углом 30º к направлению вектора магнитной индукции. Определите силу тока, протекающего по проводнику, если сила, действующая на проводник, равна 0,4 Н.

1) 0,08 А 2) 0,125 А 3) 4 А 4) 8 А 5) 12,5 А

  1. Определите силу, действующую на прямой проводник длиной 0,12 м, по которому течет ток 30 А, если он находится в магнитном поле с индукцией 0,9 Тл, а направление тока в проводнике составляет угол 60º с направлением магнитного поля.

1) 2,5 Н 2) 2,6 Н 3) 2,7 Н 4) 2,8 Н 5) 2,9 Н

  1. Угол между проводником с током и направлением вектора магнитной индукции внешнего однородного магнитного поля увеличивается от 30º до 90º. Сила Ампера при этом

1) возрастает в 2 раза 2) убывает в 2 раза

3) не изменяется 4) убывает до нуля

  1. Участок проводника длиной 20 см находится в магнитном поле индукцией 50 мТл. Сила тока в проводнике 5 А. Какое перемещение совершит проводник в направлении действия силы Ампера, если работа этой силы равна 0,005 Дж? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.

1) 0,0001 м 2) 0,1 м 3) 0,01 м 4) 10 м

  1. К прямолинейному проводнику приложено напряжение U. Проводник находится в однородном магнитном поле, силовые линии которого перпендикулярны оси проводника. Как изменится сила, действующая на проводник если, не изменяя величины приложенного напряжения, проводник удлинить на 10%?

1) не изменится 2) увеличится в 1,1 раза 3) увеличится в 10 раз

4) уменьшится в 1,1 раза 5) уменьшится в 10 раз

  1. На двух динамометрах подвешен горизонтально проводник длиной 0,2 м, который затем помещен в однородное горизонтальное магнитное поле с индукцией 0,5 Тл, перпендикулярное к проводнику. На сколько изменятся показания каждого динамометра при протекании по проводнику тока силой 5 А?

1) 2,5 Н 2) 0,5 Н 3) 0,25 Н 4) 0,1 Н

  1. На двух непроводящих нитях подвешен горизонтально прямолинейный проводник массой 100 г и длиной 0,2 м. Проводник расположен в однородном горизонтальном магнитном поле с индукцией 0,5 Тл, перпендикулярном к проводнику. Какой ток нужно пропустить по проводнику, чтобы он был невесом?

1) 0,1 А 2) 1,0 А 3) 10 А 4) 100 А 5) 0,01 А

  1. На столе лежит прямой медный проводник, по которому течет ток плотностью 106 А/м2. Над поверхностью стола создается однородное магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны направлению тока. При некоторой величине индукции магнитного поля проводник приподнимается над поверхностью стола. Определите величину индукции этого поля. Плотность меди 8,9.103 кг/м3.

1) 89 Тл 2) 8,9 Тл 3) 0,89 Тл 4) 0,089 Тл

  1. В однородном вертикальном магнитном поле на двух тонких непроводящих нитях подвешен горизонтально проводник длиной 0,2 м и массой 20 г. Индукция магнитного поля равна 0,5 Тл. На какой угол от вертикали отклонятся нити, если сила тока в проводнике равна 2 А?

1) 30º 2) 45º 3) 60º 4) 90º 5) проводник не отклонится

  1. Проводящий стержень длиной 0,25 м, по которому течет ток силой 10 А, лежит на горизонтальной поверхности перпендикулярно к однородному горизонтальному магнитному полю с индукцией 0,2 Тл (см. рисунок, вид сверху). Какую горизонтальную силу F нужно приложить перпендикулярно к проводнику для его равномерного поступательного движения? Масса проводника 0,1 кг, коэффициент трения равен 0,10.

1) 0,01 Н 2) 0,05 Н 3) 0,1 Н 4) 0,15 Н

  1. Проводящий стержень длиной 0,25 м, по которому течет ток силой 10 А, лежит на горизонтальной поверхности перпендикулярно к однородному горизонтальному магнитному полю с индукцией 0,2 Тл (см. рисунок, вид сверху). Какую горизонтальную силу F нужно приложить перпендикулярно к проводнику для его равномерного поступательного движения? Масса проводника 0,1 кг, коэффициент трения равен 0,10.

1) 0,01 Н 2) 0,05 Н 3) 0,1 Н 4) 0,15 Н

  1. Проводник расположен перпендикулярно к однородному горизонтальному магнитному полю с индукцией 0,1 Тл на наклонной плоскости, составляющей угол 30º с горизонтом (см. рисунок). Какую минимальную силу нужно приложить к проводнику параллельно наклонной плоскости для удержания его в состоянии покоя, если сила тока в проводнике 10 А? Коэффициент трения равен 1/(). Масса проводника 0,1 кг, его длина 0,5 м.

1) 0, 375 Н 2) 1,125 Н 3) 0,25 Н 4) 0,75 Н 5) 0,125 Н

  1. Проводник расположен перпендикулярно к однородному вертикальному магнитному полю с индукцией 0,1 Тл на наклонной плоскости, составляющей угол 45º с горизонтом (см. рисунок). Какую минимальную силу нужно приложить к проводнику параллельно наклонной плоскости для удержания его в состоянии покоя, если сила тока в проводнике 10 А? Коэффициент трения равен 0,2. Масса проводника 0,1 кг, его длина 0,5 м.

1) 0, 01 Н 2) 0,1 Н 3) 0,99 Н 4) 1,9 Н 5) 2,7 Н

  1. Проводник длиной l и сопротивлением R согнут в форме квадрата и помещен в однородное магнитное поле с индукцией В, перпендикулярное плоскости квадрата. Какая сила будет действовать на проводник, если на соседние вершины образованной фигуры подать напряжение U?

1) 2) 3) 4)

  1. В однородном магнитном поле находится прямолинейный проводник с током перпендикулярно линиям магнитной индукции (см. чертеж). Во сколько раз изменится сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, если его согнуть пополам под прямым углом в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции?

1) 2) 3) 4)

  1. Два параллельных проводника, по которым текут токи в одном направлении, притягиваются. Это объясняется тем, что

    1. токи непосредственно взаимодействуют друг с другом

    2. электрические поля зарядов в проводниках непосредственно взаимодействуют друг с другом

    3. магнитные поля токов непосредственно взаимодействуют друг с другом

    4. магнитное поле одного проводника с током действует на движущиеся заряды в другом проводнике

  2. Как взаимодействуют два параллельных друг другу проводника, если в первом случае электрический ток идет в них в одном направлении, а во втором случае – в противоположных направлениях?

    1. в обоих случаях притягиваются друг к другу

    2. в обоих случаях отталкиваются друг от друга

    3. в первом случае притягиваются, а во втором случае отталкиваются друг от друга

    4. в первом случае отталкиваются, а во втором случае притягиваются друг к другу

  3. Два параллельных проводника длиной 2,8 м каждый находятся на расстоянии 14 см один от другого и притягиваются друг к другу с силой 3,4 мН. Сила тока в одном из них равна 68 А. Определите силу тока в другом проводнике.

1) 1,25 А 2) 12,5 А 3) 40 А 4) 25 А 5) 125 А

  1. Три параллельных длинных проводника расположены в одной плоскости на одинаковом расстоянии друг от друга. По проводникам текут одинаковые токи так, как указано на рисунке. Как изменится сила, действующая на единицу длины среднего проводника, если ток в правом проводнике увеличить в 2 раза?

1) увеличится в 2 раза 2) увеличится в 1,5 раза

3) уменьшится в 2 раза 3) уменьшится в 1,5 раза

  1. Три параллельных длинных проводника расположены в одной плоскости на одинаковом расстоянии друг от друга. По проводникам текут одинаковые токи в одном направлении (см. рисунок). Во сколько раз изменится сила, действующая на единицу длины правого проводника, если направление тока в левом проводнике изменить на противоположное?

1) уменьшится в 3 раза 2) увеличится в 3 раза 3) уменьшится в 2 раза

4) станет равной нулю 5) не изменится

  1. В однородном магнитном поле с индукцией 100 мкТл в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, помещены два параллельных проводника большой длины, расположенных на расстоянии 10 см друг от друга (см. рисунок). По проводникам текут токи силой 10 А каждый в одном направлении. Во сколько раз изменится сила, действующая на длине 1 м левого проводника, если направление тока в правом проводнике изменить на противоположное?

1) уменьшится в 2 раза 2) увеличится в 2 раза

3) уменьшится в 1,5 раза 4) увеличится в 1,5 раза 5) не изменится

Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитных полях

  1. Вектор индукции магнитного поля направлен вертикально вверх. Как будет двигаться первоначально неподвижный электрон в этом поле? Влияние силы тяжести не учитывать.

1) останется неподвижным 2) равномерно вверх

3) равномерно вниз 4) равноускоренно вниз

  1. (а) Положительно заряженная частица влетает в область однородного магнитного поля, как показано на рисунке. Сила, действующая на частицу со стороны магнитного поля, направлена в плоскости рисунка

1) вверх 2) вниз 3) вправо

4) влево 5) равна нулю

(б) Протон р, влетевший в зазор между полюсами электромагнита, имеет скорость , перпендикулярную вектору индукции магнитного поля, направленному вертикально (см. рисунок). Куда направлена действующая на него сила Лоренца?

    1. перпендикулярно чертежу от наблюдателя

    2. перпендикулярно чертежу к наблюдателю

    3. горизонтально вправо →

    4. вертикально вниз ↓

(в) Электрон е, влетевший в зазор между полюсами электромагнита, имеет скорость , перпендикулярную вектору индукции магнитного поля, направленному вертикально (см. рисунок). Куда направлена действующая на электрон сила Лоренца?

  1. вертикально вниз ↓

  2. вертикально вверх ↑

  3. перпендикулярно чертежу от наблюдателя

  4. перпендикулярно чертежу к наблюдателю

  1. (а) Электрон влетает в однородное магнитное поле со скоростью υ (см. рисунок). Укажите правильную траекторию движения электрона.



(б) Альфа – частица влетает в однородное магнитное поле со скоростью υ (см. рисунок). Укажите правильную траекторию движения α – частицы в магнитном поле.


  1. Электрон и протон влетают в однородное магнитное поле с одинаковыми по модулю скоростями. Однако вектор скорости влетающего электрона параллелен вектору магнитной индукции , а протона – перпендикулярен. Отношение силы, действующей на электрон, к силе, действующей на протон со стороны магнитного поля в этот момент времени, равно

1) 1 2) 0 3) ≈ 1/2000 4) ≈ 2000

  1. Частица с зарядом 8·10-19 Кл движется со скоростью 1000 км/с в магнитном поле с индукцией 5 Тл. Угол между векторами скорости и индукции равен 30º. Определите значение силы Лоренца.

1) 10-15 Н 2) 2·10-14 Н 3) 2·10-12 Н 4) 10-12 Н 5) 4·10-12 Н

  1. Электрон и протон влетают в однородное магнитное поле перпендикулярно вектору магнитной индукции на расстоянии L друг от друга со скоростями υ и 2υ соответственно. Отношение модуля силы, действующей на электрон со стороны магнитного поля, к модулю силы, действующей на протон, в этот момент времени равно

1) 4:1 2) 2:1 3) 1:1 4) 1:2

  1. Заряженная частица движется с постоянной скоростью 200 м/с во взаимно перпендикулярных электрическом (напряженность ) и магнитном (магнитная индукция ) полях. Как связаны величины и между собой?

1) Е и В равны друг другу 2) Е больше В в 200 раз

3) Е меньше В в 200 раз 4) Е больше В в 20 раз

  1. Альфа-частица, кинетическая энергия которой 500 эВ, влетает в однородное магнитное поле, перпендикулярное ее скорости. Индукция магнитного поля 0,1 Тл. Найдите радиус окружности, по которой будет двигаться альфа-частица. 1 эВ = 1,6·10-19 Дж. Заряд альфа-частицы 3,2·10-19 Кл, ее масса 6,6·10-27 кг.

1) 0,024 м 2) 0,026 м 3) 0,028 м 4) 0,032 м 5) 0,036 м

  1. Как изменится частота вращения заряженной частицы в однородном магнитном поле при уменьшении ее скорости в n раз?

1) увеличится в n раз 2) увеличится в n3 раз

3) увеличится в n2 раз 4) не изменится

  1. Заряженная частица движется по окружности в магнитном поле. Во сколько раз изменится радиус окружности, если индукция магнитного поля уменьшится на 20%?

1) 1,25 2) 0,80 3) 1,10 4) 0,64 5) 0,90

  1. Два первоначально покоящиеся электрона ускоряются в электрическом поле: первый в поле с разностью потенциалов U, второй – 2U. Ускорившиеся электроны попадают в однородное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны скорости движения электронов. Отношение радиусов кривизны траектории первого и второго электронов в магнитном поле равно

1) 1/4 2) 1/2 3) 4)

  1. Два иона, прошедшие одну и туже ускоряющую разность потенциалов, влетели перпендикулярно силовым линиям в однородное магнитное поле. Первый из них начал двигаться по окружности радиусом 0,1 м, а второй – по окружности радиусом 0,04 м. Найдите отношение масс первого иона к массе второго, если их заряды одинаковые.

1) 2,75 2) 3,25 3) 4,75 4) 5,25 5) 6,25

  1. Два иона, прошедшие одну и туже ускоряющую разность потенциалов, влетели перпендикулярно силовым линиям в однородное магнитное поле. Масса первого иона в 4 раза больше массы второго, а их заряды одинаковы. Найдите отношение радиуса окружности, по которой движется первый ион, к радиусу окружности, по которой движется второй ион.

1) 1,5 2) 2 3) 3 4) 4 5) 5

Направление электрического тока — Технарь

Наблюдая за действиями тока в растворе медного купороса, мы установили, что медь осаждается лишь на одном из электродов, на том, который соединен с отрицательным полюсом источника электрического тока.

Если в таком опыте поменять местами провода, присоединенные к полюсам источника тока, то медь станет выделяться на другом электроде, который будет теперь соединен с отрицательным полюсом источника тока. Стрелка гальванометра, если включить его в эту цепь, отклонится от нулевого деления в противоположную сторону.

Этот опыт показывает, что электрический ток в проводах имеет определенное направление, от которого зависят и некоторые его действия.

Мы знаем, что электрический ток есть упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. В металлических проводниках электрический ток представляет собой упорядоченное движение электронов — частичек, обладающих отрицательным зарядом. В растворах электролитов электрический ток обусловлен движением ионов обоих знаков. Движение, каких же заряженных частиц в электрическом поле следовало бы принять за направление тока?

Так как в большинстве случаев мы имеем дело, с электрическими токами в металлах, то за направление тока в цепи разумно было бы принять направление движения электронов в электрическом поле, т. е. считать, что ток направлен от отрицательного полюса источника к положительному.

Однако вопрос о направлении тока возник в науке тогда, когда об электронах и ионах еще ничего не было известно. В то время предполагали, что во всех проводниках могут перемещаться как положительные, так и отрицательные электрические заряды. И за направление тока условно приняли то направление, по которому движутся (или могли бы двигаться) в проводнике положительные заряды, т. е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. Так принято считать и сейчас.

Вопросы. 1. На основании, каких явлений можно заключить, что электрический, ток в цепи имеет определенное направление? 2. Движение, каких заряженных частиц принято за направление тока в проводнике? 3. От какого полюса источника тока и к какому движутся в цепи электроны?

Направление индукционного тока. Правило Ленца. Вихревое поле.

Направление индукционного тока

При внесении в катушку магнита в ней возникает индукционный ток. Если к катушке присоединить гальванометр, то можно заметить, что направление тока будет зависеть от того приближаем ли мы магнит или удаляем его.

Магнит будет взаимодействовать с катушкой либо притягиваясь, либо отталкиваясь от нее. Это будет возникать вследствие того, что катушка с проходящим по ней током, будет подобна магниту с двумя полюсами. Направление индуцируемого тока будет определять, где у катушки будет находиться какой из полюсов.

Если приближать к катушке магнит, то в ней будет возникать индукционный ток такого направления, что катушка обязательно будет отталкиваться от магнита. Если мы будет удалять магнит от катушки, то при этом в катушке возникнет такой индукционный ток, что она будет притягиваться к магниту.

Стоит отметить, что не важно каким полюсом мы подносим или убираем магнит, всегда при подносе катушка будет отталкиваться, а при удалении притягиваться. Различие состоит в том, что при приближении магнита к катушке магнитный поток, который будет пронизывать катушку, увеличивается, так как у полюса магнита кучность линий магнитной индукции увеличивается. А при удалении магнита, магнитный поток, пронизывающий катушку, будет уменьшаться.

Узнать направление индукционного тока можно. Для этого существует правило Ленца. Оно основано на законе сохранения. Рассмотрим следующий опыт.

Имеется катушка с подключенным к ней гальванометром. К одному и краев катушки начинаем подносить магнит, например, северным полюсом. Количество линий, которые будут пронизывать поверхность каждого витка катушки, будет увеличиваться. Следовательно, будет увеличиваться и значение магнитного потока.

Так как должен выполняться закон сохранения, должно возникнуть магнитное поле, которое будет препятствовать изменению магнитного потока. В нашем случае магнитный поток увеличивался, следовательно, ток должен течь в таком направлении, чтобы линии вектора магнитной индукции, создаваемые катушкой, были направлены в противоположном направлении линиям магнитной индукции, создаваемым магнитом.

То есть они должны в нашем случае быть направлены вверх. Теперь воспользуемся правилом буравчика. Направляем большой палец правой руки по необходимому нам направлению линий магнитной индукции, то есть — вверх. Тогда остальные пальцы укажут, в какую сторону должен быть направлен индукционный ток. В нашем случае, слева на право.

Аналогичный процесс происходит при удалении магнита. Убираем магнит, магнитный поток уменьшается, следовательно, должно возникнуть поле которое будет увеличивать магнитный поток. То есть поле линии магнитной индукции, которого будут сонаправлены с линиями магнитной индукции, создаваемыми постоянным магнитом. В нашем случае эти лини направлены вниз. Опять пользуемся правилом буравчика и определяем направление индукционного тока.

Правило Ленца.

Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.

Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока в контуре надо так:

1.      Определить направление линий магнитной индукции вектора В внешнего магнитного поля.

2.      Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔФ > 0), или уменьшается (ΔФ < 0).

3.      Установить направление линий магнитной индукции вектора В’ магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции вектора В’ при ΔФ > 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ < 0.

4.      Зная направление линий магнитной индукции вектора В’, найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика.

Направление индукционного тока определяется с помощью закона сохранения энергии. Индукционный ток во всех случаях направлен так, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, вызывающего данный индукционный ток.

Вихревое электрическое поле.

Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике — электрическое поле.

Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.

Индукционное электрическое поле является вихревым.Направление силовых линий вихревого электрического поля совпадает с направлением индукционного тока

Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

электростатическое поле

индукционное электрическое поле

(вихревое электрическое поле )

1. создается неподвижными электрическими зарядами

1. вызывается изменениями магнитного поля

2. силовые линии поля разомкнуты -потенциальное поле

2. силовые линии замкнуты — вихревое поле

3. источниками поля являются электрические заряды

3. источники поля указать нельзя

4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна нулю.

4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна ЭДС индукции

 

Магнитная сила на проводнике с током — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определить направление, в котором токоведущий провод испытывает силу во внешнем магнитном поле
  • Расчет силы на токоведущем проводе во внешнем магнитном поле

Движущиеся заряды испытывают силу в магнитном поле. Если эти движущиеся заряды находятся в проводе, то есть если по проводу проходит ток, на провод также должна действовать сила.Однако, прежде чем обсуждать силу, действующую на ток со стороны магнитного поля, мы сначала исследуем магнитное поле, создаваемое электрическим током. Здесь мы изучаем два отдельных эффекта, которые тесно взаимодействуют: провод с током создает магнитное поле, а магнитное поле оказывает силу на провод с током.

Магнитные поля, создаваемые электрическим током

Обсуждая исторические открытия в области магнетизма, мы упомянули открытие Эрстеда о том, что провод, по которому проходит электрический ток, вызывает отклонение расположенного поблизости компаса.Было установлено, что электрические токи создают магнитные поля. (Эта связь между электричеством и магнетизмом более подробно обсуждается в Источниках магнитных полей.)

Стрелка компаса рядом с проволокой испытывает силу, которая выравнивает касательную иглы к окружности вокруг проволоки. Следовательно, токоведущий провод создает кольцевые петли магнитного поля. Чтобы определить направление магнитного поля, создаваемого проводом, мы используем второе правило правой руки. В RHR-2 ваш большой палец указывает в направлении тока, а ваши пальцы охватывают провод, указывая в направлении создаваемого магнитного поля ((Рисунок)).Если магнитное поле попадало на вас или выходило за пределы страницы, мы обозначаем это точкой. Если бы магнитное поле входило в страницу, мы представляем это с помощью этих символов. Эти символы появляются из рассмотрения векторной стрелки: стрелка, направленная к вам, с вашей точки зрения, будет выглядеть как точка или кончик стрелки. Стрелка, направленная от вас, с вашей точки зрения будет выглядеть как крест или составной эскиз магнитных кругов, показанный на (Рисунок), где показано, что напряженность поля уменьшается по мере удаления от провода петлями, которые дальше разделены.

(a) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге. Обратите внимание на символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, кончика стрелки). (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли.

Расчет магнитной силы

Электрический ток — это упорядоченное движение заряда. Следовательно, провод с током в магнитном поле должен испытывать силу, создаваемую этим полем.Чтобы исследовать эту силу, давайте рассмотрим бесконечно малое сечение провода, как показано на (Рисунок). Длина и площадь поперечного сечения секции составляют дл и A соответственно, поэтому ее объем равен. Проволока сформирована из материала, который содержит n носителей заряда на единицу объема, поэтому количество носителей заряда в сечение: Если носители заряда движутся со скоростью дрейфа, ток в проводе I равен (от тока и сопротивления)

Магнитная сила на любом отдельном носителе заряда такова, что общая магнитная сила на носителях заряда в сечении провода составляет

Мы можем определить dl как вектор длиной dl , указывающий вдоль, что позволяет нам переписать это уравнение как

или

Это сила магнитного поля на отрезке провода.Обратите внимание, что на самом деле это результирующая сила, действующая со стороны поля на сами носители заряда. Направление этой силы задается RHR-1, где вы указываете пальцами в направлении тока и сгибаете их к полю. Затем ваш большой палец указывает в направлении силы.

Бесконечно малое сечение токоведущего провода в магнитном поле.

Чтобы определить магнитную силу на проводе произвольной длины и формы, мы должны интегрировать (рисунок) по всему проводу.Если сечение провода прямое, а B однородное, дифференциалы уравнения становятся абсолютными величинами, что дает нам

Это сила, действующая на прямой провод с током в однородном магнитном поле.

Уравновешивание гравитационных и магнитных сил на токоведущем проводе Провод длиной 50 см и массой 10 г подвешен в горизонтальной плоскости на паре гибких проводов ((Рисунок)). Затем на проволоку действует постоянное магнитное поле величиной 0.50 Т, который направлен, как показано. Каковы величина и направление тока в проводе, необходимые для снятия напряжения в опорных выводах?

(а) Проволока, подвешенная в магнитном поле. (б) Схема свободного тела для проволоки.

Стратегия

Из диаграммы свободного тела на рисунке видно, что натяжения в опорных выводах стремятся к нулю, когда гравитационная и магнитная силы уравновешивают друг друга. Используя RHR-1, мы обнаруживаем, что магнитная сила направлена ​​вверх. Затем мы можем определить ток I , приравняв две силы.

Решение Приравняйте две силы веса и магнитной силы, действующие на провод:

Таким образом,

Значение Это сильное магнитное поле создает значительную силу на длине провода, чтобы противодействовать его весу.

Расчет магнитной силы на токоведущем проводе По длинному жесткому проводу, расположенному вдоль оси y , проходит ток 5,0 А, текущий в положительном направлении y . (a) Если постоянное магнитное поле величиной 0,30 Тл направлено вдоль положительной оси x , какова магнитная сила на единицу длины на проводе? (б) Если постоянное магнитное поле 0.30 Тл направлено на 30 градусов от оси + x к оси + y , какова магнитная сила на единицу длины на проводе?

Стратегия Магнитная сила, действующая на провод с током в магнитном поле, определяется как В части а, поскольку в этой задаче ток и магнитное поле перпендикулярны, мы можем упростить формулу, чтобы получить величину и найти направление через RHR-1. Угол θ составляет 90 градусов, что означает, что длина также может быть разделена на левую часть, чтобы найти силу на единицу длины.Для части b текущая длина, умноженная на длину, записывается в обозначении единичного вектора, а также магнитное поле. После взятия перекрестного произведения направленность очевидна по результирующему единичному вектору.

Решение

  1. Начнем с общей формулы магнитной силы на проводе. Мы ищем силу на единицу длины, поэтому мы делим ее на длину, чтобы вывести ее в левую часть. Мы также устанавливаем Решение, следовательно,


    Направленность: наведите пальцы в положительном направлении y и согните пальцы в положительном направлении x .Ваш большой палец укажет в направлении. Следовательно, с учетом направленности решение:

  2. Текущее значение, умноженное на длину, и магнитное поле записываются в виде единичного вектора. Затем мы используем произведение, чтобы найти силу:

Значение Это большое магнитное поле создает значительную силу на небольшой длине провода. По мере того, как угол магнитного поля становится более близким к току в проводе, на него действует меньшая сила, как видно из сравнения частей a и b.

Проверьте свое понимание Прямой гибкий медный провод погружается в магнитное поле, направленное внутрь страницы. (а) Если ток в проводе течет в направлении + x , в какую сторону будет изгибаться провод? (b) В какую сторону изгибается провод, если ток течет в направлении — x ?

а. наклоняется вверх; б. наклоняется вниз

Сила на круглом проводе Круговая токовая петля радиусом R , по которой проходит ток I , расположена в плоскости xy .Постоянное однородное магнитное поле прорезает петлю параллельно оси y ((рисунок)). Найдите магнитную силу на верхней половине петли, нижней половине петли и общую силу на петле.

Петля из проволоки, по которой течет ток в магнитном поле.

Стратегия Магнитная сила на верхнем контуре должна быть записана в терминах дифференциальной силы, действующей на каждый сегмент контура. Если мы интегрируем по каждому дифференциальному элементу, мы решаем общую силу на этом участке петли.Сила, действующая на нижнюю петлю, определяется аналогичным образом, а общая сила складывается из этих двух сил.

Решение Дифференциальная сила на произвольном куске проволоки, расположенном на верхнем кольце, составляет:

где — угол между направлением магнитного поля (+ y ) и отрезком провода. Дифференциальный сегмент расположен на том же радиусе, поэтому, используя формулу длины дуги, мы имеем:

Чтобы найти силу на сегменте, мы интегрируем по верхней половине круга от 0 до. В результате получаем:

Нижняя половина цикла интегрирована от нуля, что дает нам:

Чистая сила — это сумма этих сил, которая равна нулю.

Значение Полная сила на любом замкнутом контуре в однородном магнитном поле равна нулю. Несмотря на то, что каждая часть петли имеет силу, действующую на нее, результирующая сила, действующая на систему, равна нулю. (Обратите внимание, что на петле есть чистый крутящий момент, который мы рассмотрим в следующем разделе.)

11.4 Магнитная сила на проводнике, проводящем ток — University Physics Volume 2

Задачи обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определить направление, в котором токоведущий провод испытывает силу во внешнем магнитном поле
  • Расчет силы на токоведущем проводе во внешнем магнитном поле

Движущиеся заряды испытывают силу в магнитном поле.Если эти движущиеся заряды находятся в проводе, то есть если по проводу проходит ток, на провод также должна действовать сила. Однако, прежде чем обсуждать силу, действующую на ток со стороны магнитного поля, мы сначала исследуем магнитное поле, создаваемое электрическим током. Здесь мы изучаем два отдельных эффекта, которые тесно взаимодействуют: провод с током создает магнитное поле, а магнитное поле оказывает силу на провод с током.

Магнитные поля, создаваемые электрическим током

Обсуждая исторические открытия в области магнетизма, мы упомянули открытие Эрстеда о том, что провод, по которому проходит электрический ток, вызывает отклонение расположенного поблизости компаса.Было установлено, что электрические токи создают магнитные поля. (Эта связь между электричеством и магнетизмом более подробно обсуждается в Источниках магнитных полей.)

Стрелка компаса рядом с проволокой испытывает силу, которая выравнивает касательную иглы к окружности вокруг проволоки. Следовательно, токоведущий провод создает кольцевые петли магнитного поля. Чтобы определить направление магнитного поля, создаваемого проводом, мы используем второе правило правой руки. В RHR-2 ваш большой палец указывает в направлении тока, в то время как ваши пальцы охватывают провод, указывая в направлении создаваемого магнитного поля (Рисунок 11.11). Если магнитное поле попадало на вас или выходило за пределы страницы, мы обозначаем это точкой. Если магнитное поле попадало на страницу, мы обозначаем это знаком ×. ×. Эти символы появляются из рассмотрения векторной стрелки: стрелка, направленная к вам, с вашей точки зрения, будет выглядеть как точка или кончик стрелки. Стрелка, направленная от вас, с вашей точки зрения будет выглядеть как крест или ×. ×. Составной эскиз магнитных кругов показан на рисунке 11.11, где показано, что напряженность поля уменьшается по мере удаления от провода по петлям, которые расположены дальше друг от друга.

Фигура 11.11 (а) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге. Обратите внимание на символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, кончика стрелки). (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли.

Расчет магнитной силы

Электрический ток — это упорядоченное движение заряда. Следовательно, провод с током в магнитном поле должен испытывать силу, создаваемую этим полем.Чтобы исследовать эту силу, давайте рассмотрим бесконечно малое сечение провода, как показано на рисунке 11.12. Длина и площадь поперечного сечения секции составляют дл и A соответственно, поэтому ее объем равен V = A · dl.V = A · dl. Проволока сформирована из материала, который содержит n носителей заряда в единице объема, поэтому количество носителей заряда в секции составляет nA · dl.nA · dl. Если носители заряда движутся с дрейфовой скоростью v → d, v → d, ток в проводе I равен (по току и сопротивлению)

Магнитная сила, действующая на любой отдельный носитель заряда, равна ev → d × B →, ev → d × B →, поэтому общая магнитная сила dF → dF → на носителях заряда nA · dlnA · dl в сечении провода равна

dF → = (nA · dl) ev → d × B →.dF → = (nA · dl) ev → d × B →.

11.10

Мы можем определить dl как вектор длиной dl , указывающий вдоль v → d, v → d, что позволяет нам переписать это уравнение как

dF → = neAvddl → × B →, dF → = neAvddl → × B →,

11.11

или

dF → = Idl → × B → .dF → = Idl → × B →.

11,12

Это сила магнитного поля на отрезке провода. Обратите внимание, что на самом деле это результирующая сила, действующая со стороны поля на сами носители заряда. Направление этой силы задается RHR-1, где вы указываете пальцами в направлении тока и сгибаете их к полю.Затем ваш большой палец указывает в направлении силы.

Фигура 11,12 Бесконечно малое сечение токоведущего провода в магнитном поле.

Чтобы определить магнитную силу F → F → на проводе произвольной длины и формы, мы должны интегрировать уравнение 11.12 по всему проводу. Если сечение провода прямое, а B однородное, дифференциалы уравнения становятся абсолютными величинами, что дает нам

F → = Il → × B → .F → = Il → × B →.

11.13

Это сила, действующая на прямой провод с током в однородном магнитном поле.

Пример 11,4

Уравновешивание гравитационной и магнитной сил на проводе с током
Проволока длиной 50 см и массой 10 г подвешена в горизонтальной плоскости парой гибких проводов (рисунок 11.13). Затем на проволоку действует постоянное магнитное поле величиной 0,50 Тл, которое направлено, как показано. Каковы величина и направление тока в проводе, необходимые для снятия напряжения в опорных выводах?

Фигура 11.13 (а) Проволока, подвешенная в магнитном поле. (б) Схема свободного тела для проволоки.

Стратегия
Из диаграммы свободного тела на рисунке видно, что натяжения в опорных выводах стремятся к нулю, когда гравитационная и магнитная силы уравновешивают друг друга. Используя RHR-1, мы обнаруживаем, что магнитная сила направлена ​​вверх. Затем мы можем определить ток I , приравняв две силы.
Решение
Приравняйте две силы веса и магнитной силы, действующие на провод:

Таким образом,

I = mglB = (0.010 кг) (9,8 м / с2) (0,50 м) (0,50 T) = 0,39 A. I = mglB = (0,010 кг) (9,8 м / с 2) (0,50 м) (0,50 T) = 0,39 A.
Значение
Это большое магнитное поле создает значительную силу на длине провода, чтобы противодействовать весу провода.

Пример 11,5

Расчет магнитной силы на токоведущем проводе
По длинному жесткому проводу, проложенному вдоль оси y , проходит ток 5,0 А, протекающий в положительном направлении y . (а) Если постоянное магнитное поле величиной 0.30 Тл направлено вдоль положительной оси x , какова сила магнитного поля на единицу длины провода? (b) Если постоянное магнитное поле 0,30 Тл направлено на 30 градусов от оси + x к оси + y , какова магнитная сила на единицу длины на проводе?
Стратегия
Магнитная сила, действующая на провод с током в магнитном поле, определяется выражением F → = Il → × B → .F → = Il → × B →. Что касается части а, поскольку в этой задаче ток и магнитное поле перпендикулярны, мы можем упростить формулу, чтобы дать нам величину и найти направление через RHR-1.Угол θ составляет 90 градусов, что означает sinθ = 1. sinθ = 1. Кроме того, длину можно разделить на левую часть, чтобы найти силу на единицу длины. Для части b текущая длина, умноженная на длину, записывается в обозначении единичного вектора, а также магнитное поле. После взятия перекрестного произведения направленность очевидна по результирующему единичному вектору.
Решение
  1. Начнем с общей формулы магнитной силы на проводе. Мы ищем силу на единицу длины, поэтому мы делим ее на длину, чтобы вывести ее в левую часть.Также полагаем sinθ = 1. sinθ = 1. Таким образом, решение F = IlBsinθFl = (5,0 A) (0,30 Тл) Fl = 1,5 Н / м. F = IlBsinθFl = (5,0 A) (0,30 Тл) Fl = 1,5 Н / м. Направленность: Укажите пальцами в положительном направлении x и согните пальцы в положительном направлении x . Ваш большой палец будет указывать в направлении −k → −k →. Следовательно, с учетом направленности решение F → l = −1,5k → Н / м. F → l = −1,5k → Н / м.
  2. Текущее значение, умноженное на длину, и магнитное поле записываются в виде единичного вектора. Затем мы берем перекрестное произведение, чтобы найти силу: F → = Il → × B → = (5.Н / м.
Значение
Это большое магнитное поле создает значительную силу на небольшой длине провода. По мере того, как угол магнитного поля становится более близким к току в проводе, на него действует меньшая сила, как видно из сравнения частей a и b.

Проверьте свое понимание 11,3

Проверьте свое понимание Прямой гибкий медный провод погружается в магнитное поле, направленное внутрь страницы. (а) Если ток в проводе течет в направлении + x , в какую сторону будет изгибаться провод? (b) В какую сторону изгибается провод, если ток течет в направлении — x ?

Пример 11.6

Сила на круговой провод
Круговая токовая петля радиусом R , по которой проходит ток I , расположена в плоскости xy . Постоянное однородное магнитное поле прорезает петлю параллельно оси y (рисунок 11.14). Найдите магнитную силу на верхней половине петли, нижней половине петли и общую силу на петле.

Фигура 11,14 Проволочная петля, по которой течет ток в магнитном поле.

Стратегия
Магнитная сила на верхнем контуре должна быть записана в терминах дифференциальной силы, действующей на каждый сегмент контура.Если мы интегрируем по каждому дифференциальному элементу, мы решаем общую силу на этом участке петли. Сила, действующая на нижнюю петлю, определяется аналогичным образом, а общая сила складывается из этих двух сил.
Решение
Дифференциальная сила на произвольном куске проволоки, расположенном на верхнем кольце, составляет: dF = IBsinθdl. dF = IBsinθdl.

, где θθ — угол между направлением магнитного поля (+ y ) и отрезком провода. Дифференциальный сегмент расположен на том же радиусе, поэтому, используя формулу длины дуги, мы имеем:

dl = RdθdF = IBRsinθdθ.dl = RdθdF = IBRsinθdθ.

Чтобы найти силу на отрезке, мы интегрируем по верхней половине круга от 0 до π.π. Результат:

F = IBR∫0πsinθdθ = IBR (−cosπ + cos0) = 2IBR.F = IBR∫0πsinθdθ = IBR (−cosπ + cos0) = 2IBR.

Нижняя половина цикла интегрируется от ππ до нуля, что дает нам:

F = IBR∫π0sinθdθ = IBR (−cos0 + cosπ) = — 2IBR.F = IBR∫π0sinθdθ = IBR (−cos0 + cosπ) = — 2IBR.

Чистая сила — это сумма этих сил, которая равна нулю.

Значение
Полная сила на любом замкнутом контуре в однородном магнитном поле равна нулю.Несмотря на то, что каждая часть петли имеет силу, действующую на нее, результирующая сила, действующая на систему, равна нулю. (Обратите внимание, что на петле есть чистый крутящий момент, который мы рассмотрим в следующем разделе.)

Проводник с током I = 15,6 А направлен вдоль положительной оси x и перпендикулярно однородному магнитному полю. Магнитная сила 0,119 Н / м на единицу длины действует на проводник в отрицательном направлении оси y. (а) Определите величину t

Рассчитайте плотность ядра атома 5626Fe, учитывая, что масса ядра равна 9.{-23} {/ экв} г. Из вашего результата прокомментируйте тот факт, что в любом ядре, содержащем более одного протона, также должны присутствовать нейтроны.

Стабильность атома зависит от отношения протонов к нейтронам. Почти все ядра имеют приблизительно сферическую форму, что означает, что они имеют одинаковую плотность. По мере того, как ядро ​​становится больше, электростатическое отталкивание между протонами ослабевает.

Ответ и объяснение:

Дано:

{eq} {\ rm {Nuclear}} \; {\ rm {Mass}} \; {\ rm {= 9}} {\ rm {.{\ frac {{\ rm {1}}} {{\ rm {3}}}}} {/ экв}.

Объем ядра прямо пропорционален общему количеству нуклонов. Это говорит о том, что все ядра имеют примерно одинаковую плотность.

Электрический ток

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Было доказано, что электроны (отрицательные заряды) движутся по проводнику в реакция на электрическое поле. ПОТОК ЭЛЕКТРОННОГО ТОКА будет использоваться на протяжении всего этого объяснение.Электронный ток определяется как направленный поток электронов. Направление движения электронов из области отрицательного потенциала в область положительного потенциал. Следовательно, можно сказать, что электрический ток течет от отрицательного к положительному. В направление тока в материале определяется полярностью применяемого Напряжение. ПРИМЕЧАНИЕ: В некоторых электрических / электронных сообществах направление тока распознается как от положительного к отрицательному.

Q45.Согласно теории электронов, электрический ток течет от какого потенциала к какому. потенциал? Испытай себя


Случайный дрейф

Все материалы состоят из атомов, каждый из которых способен ионизируется.Если к материалу приложена какая-то форма энергии, например, тепло, некоторые электроны приобретают достаточно энергии, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень. В результате некоторые электроны освобождаются от своих родительских атомов, которые затем становятся ионами. Другие формы энергия, особенно свет или электрическое поле, вызовет ионизацию.

Количество свободных электронов в результате ионизации зависит от от количества энергии, приложенной к материалу, а также от атомной структуры материал.При комнатной температуре некоторые материалы, классифицируемые как проводники, имеют большое количество свободных электронов. При аналогичных условиях материалы, классифицируемые как изоляторы, имеют относительно мало свободных электронов.
При изучении электрического тока наибольшее внимание уделяют проводникам. Проводники состоят из атомы, которые содержат слабосвязанные электроны на своих внешних орбитах. Из-за эффектов увеличивая энергию, эти внешние электроны часто отрываются от своих атомов и свободно перемещаются по материалу.Свободные электроны, также называемые подвижными электронами, выбирайте непредсказуемый путь и беспорядочно перемещайтесь по материалу. Следовательно, такое движение называется СЛУЧАЙНЫМ ДРЕЙФОМ.

Важно подчеркнуть, что случайный дрейф электронов встречается во всех материалах. Степень случайного дрейфа в проводнике больше, чем в проводнике. изолятор.


Направленный дрейф

С каждым заряженным телом связано электростатическое поле.Тела с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, а тела с разными зарядами притягиваются. друг с другом. Электростатическое поле будет воздействовать на электрон точно так же. как любое отрицательно заряженное тело. Он отталкивается отрицательным зарядом и притягивается положительным зарядом. Если проводник имеет разность потенциалов, приложенных к нему, как Как показано на рисунке 1-25, случайному дрейфу задается направление. Это приводит к тому, что мобильный электроны должны отталкиваться от отрицательного вывода и притягиваться к положительному Терминал.Это представляет собой общую миграцию электронов с одного конца проводника. к другому. Направленная миграция подвижных электронов из-за разности потенциалов называется НАПРАВЛЕННЫЙ ДРЕЙФ.

Рисунок 1-25. — Направленный дрифт.

Направленное движение электронов происходит при относительно низком СКОРОСТЬ (скорость движения в определенном направлении). Эффект этого направленного движения, однако это ощущается почти мгновенно, как показано на рисунке 1-26.Как разность потенциалов проходит через проводник, положительный вывод батарея притягивает электроны из точки А. В точке А теперь не хватает электронов. Как В результате электроны притягиваются из точки B в точку A. Точка B теперь развила дефицит электронов, поэтому он будет притягивать электроны. Такой же эффект возникает по проводнику и повторяется от точек D до C. положительный полюс батареи притягивал электроны из точки А, отрицательный полюс отталкивался электроны к точке D.Эти электроны притягиваются к точке D, когда она отказывается электронов в точку C. Этот процесс продолжается до тех пор, пока разность потенциалов существует поперек проводника. Хотя отдельный электрон довольно медленно движется через проводника эффект направленного дрейфа возникает практически мгновенно. Как электрон перемещается в проводник в точке D, электрон уходит в точке A. Это действие требует место примерно со скоростью света (186 000 миль в секунду).

Рисунок 1-26. — Эффект направленного сноса.

Q46. С какой скоростью имеют место эффекты направленного дрейфа? Испытай себя


Величина текущего потока

Электрический ток определяется как направленное движение электроны.Таким образом, направленный дрейф является актуальным, и можно использовать следующие термины. взаимозаменяемо. Выражение «направленный дрейф» особенно полезно для различения между случайным и направленным движением электронов. Однако ТЕКУЩИЙ ПОТОК — это терминология, наиболее часто используемая для обозначения направленного движения электронов.

Величина протекания тока напрямую зависит от количества энергия, которая проходит через проводник в результате действия дрейфа.Увеличение количество энергоносителей (подвижных электронов) или увеличение энергии существующие подвижные электроны обеспечат увеличение тока. Когда электрический Потенциал приложен к проводнику, происходит увеличение скорости подвижные электроны, вызывающие увеличение энергии носителей. Также есть генерация увеличенного количества электронов, обеспечивающих дополнительные носители энергии. В дополнительное количество свободных электронов относительно невелико, следовательно, величина тока поток в первую очередь зависит от скорости существующих подвижных электронов.

На величину протекания тока влияет разница потенциал следующим образом. Первоначально подвижным электронам придается дополнительная энергия из-за отталкивающего и притягивающего электростатического поля. Если разность потенциалов увеличивается, электрическое поле будет сильнее, количество энергии, переданной подвижный электрон будет больше, а ток увеличится. Если потенциал разница уменьшается, напряженность поля уменьшается, энергия, подводимая к электрон уменьшается, и ток уменьшается.

Q47. Какова связь между током и напряжением в цепи? Испытай себя

Учебное пособие по физике: Электрический ток

Если два требования электрической цепи выполнены, заряд будет проходить через внешнюю цепь. Говорят, что есть ток — поток заряда. Использование слова ток в этом контексте означает просто использовать его, чтобы сказать, что что-то происходит в проводах — заряд движется.Однако ток — это физическая величина, которую можно измерить и выразить численно. Как физическая величина, , ток — это скорость, с которой заряд проходит через точку в цепи. Как показано на диаграмме ниже, ток в цепи можно определить, если можно измерить количество заряда Q , проходящего через поперечное сечение провода за время t . Ток — это просто соотношение количества заряда и времени.

Текущее — это величина ставки.В физике есть несколько скоростных величин. Например, скорость — это величина скорости — скорость, с которой объект меняет свое положение. Математически скорость — это отношение изменения положения к времени. Ускорение — это величина скорости — скорость, с которой объект меняет свою скорость. Математически ускорение — это отношение изменения скорости к времени. А мощность — это величина скорости — скорость, с которой работа выполняется на объекте. Математически мощность — это отношение работы к времени. В каждом случае величины скорости математическое уравнение включает некоторую величину во времени.Таким образом, ток как величина скорости будет математически выражен как

.

Обратите внимание, что в приведенном выше уравнении используется символ I для обозначения величины тока.

Как это обычно бывает, когда количество вводится в The Physics Classroom, также вводится стандартная метрическая единица, используемая для выражения этого количества. Стандартная метрическая единица измерения тока — ампер . Ампер часто сокращается до Ампер и обозначается условным обозначением A .Ток в 1 ампер означает, что 1 кулон заряда проходит через поперечное сечение провода каждую 1 секунду.

1 ампер = 1 кулон / 1 секунда

Чтобы проверить свое понимание, определите ток для следующих двух ситуаций. Обратите внимание, что в каждой ситуации дается некоторая посторонняя информация. Нажмите кнопку Проверить ответ , чтобы убедиться, что вы правы.

Провод изолируют поперечным сечением 2 мм и определяют, что заряд 20 C пройдет через него за 40 с.

Сечение провода длиной 1 мм изолируется, и определяется, что заряд 2 Кл проходит через него за 0,5 с.

I = _____ Ампер

I = _____ Ампер

Обычное направление тока

Частицы, переносящие заряд по проводам в цепи, являются подвижными электронами.Направление электрического поля в цепи по определению является направлением, в котором проталкиваются положительные испытательные заряды. Таким образом, эти отрицательно заряженные электроны движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Но в то время как электроны являются носителями заряда в металлических проводах, носителями заряда в других цепях могут быть положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое. Фактически, носители заряда в полупроводниках, уличных фонарях и люминесцентных лампах одновременно являются как положительными, так и отрицательными зарядами, движущимися в противоположных направлениях.

Бен Франклин, проводивший обширные научные исследования статического и текущего электричества, считал положительные заряды носителями заряда. Таким образом, раннее соглашение о направлении электрического тока было установлено в том направлении, в котором будут двигаться положительные заряды. Конвенция прижилась и используется до сих пор. Направление электрического тока условно является направлением, в котором должен двигаться положительный заряд. Таким образом, ток во внешней цепи направлен от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи.Электроны действительно будут двигаться по проводам в противоположном направлении. Зная, что настоящими носителями заряда в проводах являются отрицательно заряженные электроны, это соглашение может показаться немного странным и устаревшим. Тем не менее, это соглашение, которое используется во всем мире, и к которому студент-физик может легко привыкнуть.

Зависимость тока от скорости дрейфа

Ток связан с количеством кулонов заряда, которые проходят точку в цепи за единицу времени.Из-за своего определения его часто путают со скоростью дрейфа количества. Скорость дрейфа означает среднее расстояние, пройденное носителем заряда за единицу времени. Как и скорость любого объекта, скорость дрейфа электрона, движущегося по проводу, представляет собой отношение расстояния ко времени. Путь типичного электрона через проволоку можно описать как довольно хаотический зигзагообразный путь, характеризующийся столкновениями с неподвижными атомами. Каждое столкновение приводит к изменению направления электрона.Однако из-за столкновений с атомами в твердой сети металлического проводника на каждые три шага вперед приходится два шага назад. С электрическим потенциалом, установленным на двух концах цепи, электрон продолжает движение вперед на . Прогресс всегда идет к положительной клемме. Однако общий эффект бесчисленных столкновений и высоких скоростей между столкновениями состоит в том, что общая скорость дрейфа электрона в цепи ненормально мала. Типичная скорость дрейфа может составлять 1 метр в час.Это медленно!

Тогда можно спросить: как может быть ток порядка 1 или 2 ампер в цепи, если скорость дрейфа составляет всего около 1 метра в час? Ответ таков: существует много-много носителей заряда, движущихся одновременно по всей длине цепи. Ток — это скорость, с которой заряд пересекает точку в цепи. Сильный ток является результатом нескольких кулонов заряда, пересекающих поперечное сечение провода в цепи. Если носители заряда плотно упакованы в провод, тогда не обязательно должна быть высокая скорость, чтобы иметь большой ток.То есть носители заряда не должны преодолевать большое расстояние за секунду, их просто должно быть много, проходящих через поперечное сечение. Ток не имеет отношения к тому, как далеко за секунду перемещаются заряды, а скорее к тому, сколько зарядов проходит через поперечное сечение провода в цепи.

Чтобы проиллюстрировать, насколько плотно упакованы носители заряда, мы рассмотрим типичный провод, который используется в цепях домашнего освещения — медный провод 14-го калибра. В срезе этого провода длиной 0,01 см (очень тонком) их будет целых 3.51 x 10 20 атомов меди. Каждый атом меди имеет 29 электронов; маловероятно, что даже 11 валентных электронов одновременно будут двигаться как носители заряда. Если мы предположим, что каждый атом меди вносит только один электрон, то на тонком 0,01-сантиметровом проводе будет целых 56 кулонов заряда. При таком большом количестве подвижного заряда в таком маленьком пространстве малая скорость дрейфа может привести к очень большому току.

Чтобы еще больше проиллюстрировать это различие между скоростью заноса и течением, рассмотрим аналогию с гонками.Предположим, что была очень большая гонка черепах с миллионами и миллионами черепах на очень широкой гоночной трассе. Черепахи не очень быстро двигаются — у них очень низкая скорость дрейф . Предположим, что гонка была довольно короткой — скажем, длиной 1 метр — и что значительный процент черепах достиг финишной черты в одно и то же время — через 30 минут после начала гонки. В таком случае течение будет очень большим — миллионы черепах пересекают точку за короткий промежуток времени.В этой аналогии скорость связана с тем, насколько далеко черепахи перемещаются за определенный промежуток времени; а ток зависит от того, сколько черепах пересекли финишную черту за определенный промежуток времени.

Природа потока заряда

Как только было установлено, что средняя скорость дрейфа электрона очень и очень мала, вскоре возникает вопрос: почему свет в комнате или в фонарике загорается сразу после включения переключателя? Разве не будет заметной задержки перед тем, как носитель заряда перейдет от переключателя к нити накала лампочки? Ответ — нет! и объяснение того, почему раскрывает значительную информацию о природе потока заряда в цепи.

Как упоминалось выше, носителями заряда в проводах электрических цепей являются электроны. Эти электроны просто поставляются атомами меди (или любого другого материала, из которого сделана проволока) внутри металлической проволоки. Как только переключатель переводится в положение на , цепь замыкается, и на двух концах внешней цепи устанавливается разность электрических потенциалов. Сигнал электрического поля распространяется почти со скоростью света ко всем подвижным электронам в цепи, приказывая им начать марш и марш .По получении сигнала электроны начинают двигаться по зигзагообразной траектории в обычном направлении. Таким образом, щелчок переключателя вызывает немедленную реакцию во всех частях схемы, заставляя носители заряда повсюду двигаться в одном и том же направлении. В то время как фактическое движение носителей заряда происходит с низкой скоростью, сигнал, который информирует о начале движения, движется со скоростью, составляющей долю от скорости света.

Электроны, которые зажигают лампочку в фонарике, не должны сначала пройти от переключателя через 10 см провода к нити накала.Скорее, электроны, которые зажигают лампочку сразу после того, как переключатель повернут на на , являются электронами, которые присутствуют в самой нити. Когда переключатель повернут, все подвижные электроны повсюду начинают движение; и именно подвижные электроны, присутствующие в нити накала, непосредственно ответственны за зажигание ее колбы. Когда эти электроны покидают нить накала, в нее входят новые электроны, которые ответственны за зажигание лампы. Электроны движутся вместе, как вода в трубах дома.Когда кран поворачивается с на , вода в кране выходит из крана. Не нужно долго ждать, пока вода из точки входа в ваш дом пройдет по трубам к крану. Трубы уже заполнены водой, и вода во всем водном контуре одновременно приводится в движение.

Развиваемая здесь картина потока заряда представляет собой картину, на которой носители заряда подобны солдатам, идущим вместе, повсюду с одинаковой скоростью.Их движение начинается немедленно в ответ на установление электрического потенциала на двух концах цепи. В электрической цепи нет места, где носители заряда расходуются или расходуются. Хотя энергия, которой обладает заряд, может быть израсходована (или лучше сказать, что электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии), сами носители заряда не распадаются, не исчезают или иным образом не удаляются из схема. И нет места в цепи, где бы носители заряда начали скапливаться или накапливаться.Скорость, с которой заряд входит во внешнюю цепь на одном конце, такая же, как скорость, с которой заряд выходит из внешней цепи на другом конце. Ток — скорость потока заряда — везде одинакова. Поток заряда подобен движению солдат, идущих вместе, повсюду с одинаковой скоростью.

Проверьте свое понимание

1.Говорят, что ток существует всякий раз, когда _____.

а. провод заряжен

г. аккумулятор присутствует

г. электрические заряды несбалансированные

г. электрические заряды движутся по петле

2. У тока есть направление. По соглашению ток идет в направлении ___.

а. + заряды перемещаются

г.- движение электронов

г. + движение электронов

3. Скорость дрейфа подвижных носителей заряда в электрических цепях ____.

а. очень быстро; меньше, но очень близко к скорости света

г. быстро; быстрее, чем самая быстрая машина, но далеко не скорость света

г. медленный; медленнее Майкла Джексона пробегает 220-метровую

г.очень медленно; медленнее улитки

4. Если бы электрическую цепь можно было сравнить с водяной цепью в аквапарке, то ток был бы аналогичен ____.

Выбор:

A. давление воды

Б. галлонов воды, стекающей по горке в минуту

с.вода

D. нижняя часть салазок

E. водяной насос

F. верх горки

5. На схеме справа изображен токопроводящий провод. Две площади поперечного сечения расположены на расстоянии 50 см друг от друга. Каждые 2,0 секунды через каждую из этих областей проходит заряд 10 ° C.Сила тока в этом проводе ____ А.

а. 0,10

г. 0,25

г. 0,50

г. 1.0

e. 5,0

ф. 20

г. 10

ч.40

и. ни один из этих

6. Используйте диаграмму справа, чтобы заполнить следующие утверждения:

а. Ток в один ампер — это поток заряда со скоростью _______ кулонов в секунду.

г. Когда заряд 8 C проходит через любую точку цепи за 2 секунды, ток составляет ________ A.

г. Если за 10 секунд поток заряда проходит через точку A (диаграмма справа) на 5 ° C, то ток равен _________ A.

г. Если ток в точке D равен 2,0 А, то _______ C заряда проходит через точку D за 10 секунд.

e. Если 12 ° C заряда пройдет мимо точки A за 3 секунды, то 8 C заряда пройдут мимо точки E за ________ секунд.

ф. Верно или неверно:

Ток в точке E значительно меньше тока в точке A, поскольку в лампочках расходуется заряд.

Вихревые токи

Вихревые токи
Далее: Генератор переменного тока Up: Магнитная индукция Предыдущая: Motional Emf В приведенном выше примере мы видели, что когда проводник перемещается в магнитном поле, поле возникает двигательная ЭДС. Более того, согласно рабочему примеру 9.3, эта ЭДС управляет током который нагревает проводник, а в сочетании с магнитным поле, также вызывает магнитную силу, действующую на проводник, которая противодействует его движение. Оказывается, это довольно общие результаты. Между прочим, индуцированные токи, которые циркулируют внутри движущегося проводника в статическом магнитном поле. поле, или неподвижный проводник в изменяющемся во времени магнитном поле, обычно называют вихревые токи .

Рассмотрим металлический диск, который вращается в перпендикулярном магнитном поле, которое только распространяется на небольшую прямоугольную часть диска, как показано на рис.37. Такое поле могло быть создано полюсом подковообразного магнита. Двигательная ЭДС, индуцированная в диске, когда он движется через содержащую поле регион, действует в направлении , где скорость диска и магнитное поле. Следует Из рис. 37 видно, что ЭДС действует вниз. ЭДС управляет токами, которые также направлен вниз. Однако эти токи должны образовывать замкнутые контуры, и, следовательно, они направлены вверх в тех областях диска, которые непосредственно примыкают к в область, содержащую поле, как показано на рисунке.Видно, что индуцированные токи текут небольшими вихрями. Отсюда и название « вихревые токи ». Согласно правилу правой руки, нисходящие токи в поле, содержащем области вызывают магнитную силу на диске, которая действует вправо. Другими словами, магнитная сила препятствует вращению диска. Ясно, что над диском должна производиться внешняя работа, чтобы он оставался вращающийся с постоянной угловой скоростью. Эта внешняя работа в конечном итоге рассеивается как тепло вихревыми токами, циркулирующими внутри диска.

Рисунок 37: Вихревые токи

Вихревые токи могут быть очень полезны. Например, некоторые кухонные плиты работают, используя вихревые токи. Кастрюли, которые обычно изготавливаются из алюминия, размещаются на пластинах, создающих колебательные магнитные поля. Эти поля вызывают вихревые токи в горшках, которые их нагревают. Затем тепло передается к еде внутри горшков. Этот тип плиты особенно полезен для пища, которую необходимо готовить постепенно в течение длительного периода времени: i.е. , г. в течение многих часов или даже дней. Вихревые токи также можно использовать для нагрева небольших кусочки металла, пока они не станут раскаленными добела, поместив их в очень быстро колеблющееся магнитное поле. Этот метод иногда используется при пайке. Нагревание проводников с помощью вихревых токов называется индукционным нагревом . Вихревые токи также можно использовать для гашения движения. Это техника, которая называется демпфирование вихревых токов , часто используется в гальванометрах.



Далее: Генератор переменного тока Up: Магнитная индукция Предыдущая: Motional Emf
Ричард Фицпатрик 2007-07-14

Электричество, протекающее по проводам, изнашивает провода? | Ребята из науки

Изнашивает ли провода электричество, протекающее по проводам, то есть теряют ли провода массу после прохождения через них электричества?

май 2002 г.

Практически все, о чем мы знаем в повседневной жизни, изнашивается.Кажется естественным для кого-то задаться вопросом, изнашиваются ли провода, по которым проходит электричество, по мере прохождения через них электричества.

Чтобы ответить на этот вопрос, сначала представьте провод как канал, по которому что-то протекает. Если канал абсолютно заполнен, всякий раз, когда некоторое количество материала течет с одного конца, равное количество материала должно вытекать с другого конца. Так обстоит дело с электричеством. Материал, протекающий по проводам, несущим электричество, — это электроны, и когда определенное количество электронов течет в провод, такое же количество должно вытекать.Проволока — это просто путь, по которому движутся электроны.

Провода металлические, являющиеся проводниками. В проводниках есть электроны, которые довольно свободно перемещаются. Электрический ток (электричество) — это поток или движение этих электронов по проводнику. Величина протекающего тока указывается в единицах, называемых амперами. Эти электроны вынуждены двигаться из-за разницы электрических потенциалов между двумя точками провода. Эта разность потенциалов может быть создана батареей, генератором, солнечным элементом или подобным устройством и выражается в единицах, называемых вольтами.

Рассмотрим провод, подключенный к клеммам аккумулятора с заданной разностью потенциалов (напряжением). Разность потенциалов, создаваемая батареей, заставляет электроны двигаться в одном конце провода и выходить из другого в равных количествах. Представьте себе трубу диаметром с мрамор, наполненную мрамором. Если вы толкнете шарик в один конец, шарик должен выйти из другого конца. Так обстоит дело с проволокой. По мере того как электроны движутся по одному концу провода, равное количество электронов выходит из другого конца.Во время нормального протекания тока в проводе ничего не создается и не теряется. После прохождения электричества остается столько же проводов, сколько было раньше.

Теперь может возникнуть ситуация, когда через провод протекает необычно большой ток. В этом случае электроны, сталкивающиеся с атомами в проволоке, создают тепло и повышают температуру проволоки. Если через провод пропускается достаточный ток, температура может стать достаточно высокой, чтобы расплавить провод. При таких высоких температурах некоторые материалы могут испаряться или окисляться с поверхности.Так обстоит дело с нитью накаливания лампочки, крошечной вольфрамовой проволокой, которая светится при больших токах. Таким образом, нить накаливания испаряется, и темный осадок часто можно увидеть на верхней части колбы.

Однако этот тип явления возникает только при сильных токах, которые вызывают высокие температуры проволоки. В том, что мы назвали бы нормальными условиями, при прохождении электричества по проводу потери материала не происходит.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.