Цифровая библиотека

Интернет-библиотека по школьным предметам от «Онлайн-школы». Библиотека поможет решить домашнее задание, подготовиться к контрольной и вспомнить прошлые темы.

Например: формулы сокращенного умножения

Выбери класс

Выбери все классы

Все предметы
10 класс
Физика
Постоянный электрический ток. Условия возникновения и существования электрического тока. Направление и сила тока. Свободные носители заряда. Электрический ток в проводниках

Физика 10 класс Физика 10 класс

Конспект урока: Постоянный электрический ток. Условия возникновения и существования электрического тока. Направление и сила тока. Свободные носители заряда. Электрический ток в проводниках

Постоянный электрический ток

09.12.2024

3190

Условия возникновения и существования электрического тока. Направление и сила тока. Свободные носители заряда. Электрический ток в проводниках

План урока

Условие возникновения и существования электрического тока
Направление и сила тока
Свободные носители заряда
Электрический ток в проводниках

Цели урока

знать условия возникновения электрического тока
знать, как определяется направление силы тока
уметь находить силу тока
знать, кто является свободными носителями заряда в проводниках
знать, что такое дрейф свободных носителей
уметь находить электрический ток и плотность тока в проводниках

Разминка

Что такое электрический заряд?
Чему равен элементарный заряд электрона?
Что такое хаотическое движение?

Условие возникновения и существования электрического тока

Вспомним, что электрическим током называют направленное движение носителей электрических зарядов (электронов, ионов). Для возникновения и протекания электрического тока необходимо наличие свободных заряжённых частиц. Сами по себе частицы не начнут двигаться упорядоченно, поэтому необходимо электрическое поле или другие причины извне. Например, в электрических цепях необходимо подключить аккумулятор или батарейку для создания электрического поля и дальнейшего протекания тока.

Направление и сила тока

Рис. 1. Схема, отражающая направление тока

За направление тока условно принято считать то направление, по которому движутся (или могли бы двигаться) в проводнике положительные заряды, то есть направление от положительного полюса источника тока к отрицательному (см. рис. 1). Стоит отметить, что если электрический ток обусловлен упорядоченным движением отрицательных частиц, то направление тока будет противоположно направлению движения частиц. Так, на рисунке 1 электроны в проводнике движутся вправо, а ток направлен влево.

Рис. 2. Провод с током

Разберёмся с тем, как характеризовать интенсивность электрического тока.
Представим провод, в котором направленно двигаются электрические заряды, подобно жидкости в трубе. Пусть каждая частица несёт в себе заряд $Q$ , тогда по истечению малого промежутка времени $∆ t$ через сечение провода площадью $S$ пройдёт заряд $∆ q = N \cdot Q$ , где $N$ — количество частиц.

Физический смысл будет иметь отношение $\frac{∆ q}{∆ t} = \frac{N \cdot Q}{∆ t}$ , которое будет называться силой тока и характеризовать интенсивность переноса электрического заряда. Уменьшая промежуток времени $∆ t$ , мы будем получать более точное значение тока.

Физическую величину, равную отношению заряда $∆ q$ , проходящего через поперечное сечение проводника за промежуток времени $∆ t$ , к длительности этого промежутка времени, называют средней силой тока $I$ :

$I = \frac{∆ q}{∆ t}$ .

Сила тока измеряется в амперах (A).

Мгновенной силой тока $I$ (сила тока в данный момент времени $t$ ) называют физическую величину, равную отношению заряда $∆ q$ , прошедшего через рассматриваемое сечение за бесконечно малый промежуток времени $∆ t$ , начинающийся сразу после момента времени $t$ , к длительности этого промежутка:

$I = \lim_{∆ t \to \infty} \frac{∆ q}{∆ t}$ .

Пример 1

Определить силу тока в проводнике, если за 2 с через поперечное сечение прошло 10¹⁵ электронов.

Решение

Давайте выясним, как это определить.

1. Исходные данные: $∆ t$ = 2 c, $N$ = 10¹⁵.

2. Вспомним, чему равен модуль элементарного заряда электрона:

$|e| = 1, 6 \cdot 10^{- 19} Кл$ .

3. Найдём значение силы тока:

$I = \frac{∆ q}{∆ t} = \frac{N \cdot |e|}{∆ t} = \frac{10^{15} \cdot 1, 6 \cdot 10^{- 19}}{2} = 0, 8 \cdot 10^{- 4} А = 80 мкА$ .

Ответ: $I = 80 мкА$ .

Упражнение 1

1. За 12 мс в проводнике была зафиксирована сила тока 3 А. Какой заряд прошёл за это время?

2. Определите силу тока в проводнике, если за время наблюдения
$∆ t$ = 2 мс через поперечное сечение проводника прошли электроны общей массой 10⁻¹⁰ г.

3. Укажите направление тока в цепи.

Свободные носители заряда

Современная жизнь человека тесно связана с различными электроприборами, которые он использует изо дня в день. Работа электроприборов обусловлена протеканием тока через различные внутренние элементы, являющиеся проводниками, этого прибора. Таким образом, наибольший практический интерес представляют токи в веществе, обусловленные упорядоченным движением заряжённых частиц этого вещества.

Носители заряда, которые могут свободно перемещаться по всему телу, называют свободными носителями заряда.

Вещества и состоящие из них тела, в которых свободные носители заряда присутствуют в большом количестве, называют проводниками.

Вещества, в которых нет свободных носителей заряда, называют диэлектриками.

К проводникам следует отнести различные металлы, например, медь, золото, серебро, их сплавы, а также жидкие электролиты — растворы кислот, солей и щелочей. В металлах свободными носителями выступают свободные электроны, а в электролитах, помимо электронов, могут перемещаться и ионы. Диэлектрики, в свою очередь, служат отличными изоляторами. Примеры диэлектриков: резина, стекло, эбонит, керамика. Стоит обратить внимание, что при определённых условиях диэлектрик может стать проводником, например газ.

Электрический ток в проводниках

Поговорим подробнее о проводниках. Как отмечалось ранее, одних свободных носителей заряда будет недостаточно для протекания электрического тока, необходимо упорядоченное движение, вызванное электрическим полем. При наличии электрического поля в проводнике свободные носители заряда наряду с хаотическим (тепловым) движением совершают и упорядоченное движение, иными словами, дрейфуют. Скорость, характеризующая упорядоченное движение носителей заряда, называют скоростью дрейфа и обозначают ${\vec{v}}_{D}$ . Если $v_{D} \neq 0$ , то в проводнике протекает электрический ток. Чтобы понять, что такое дрейф, представим рой саранчи, двигающейся хаотически; вдруг подул боковой ветер и снёс их всех в сторону. Скорость дрейфа в этом примере совпадает со скоростью ветра.

Рис. 3. Цилиндрический проводник

Определим взаимосвязь между силой тока $I$ и скоростью дрейфа $v_{D}$ . Представим провод цилиндрического сечения площадью $S$ (см. рис. 3). Пусть за время $∆ t$ в результате дрейфа свободные носители преодолеют путь длинной $v_{D} \cdot ∆ t$ . Тогда за это время через сечение 2 пройдут все заряды, находящиеся справа от этого сечения на расстояниях не более чем $v_{D} \cdot ∆ t$ . Иными словами, все свободные носители между сечениями 1 и 2 пройдут через второе сечение.

Объём такого участка находится как объём цилиндра $V = S \cdot v_{D} \cdot ∆ t$ . Число свободных носителей заряда будет равно $N = n \cdot V$ , где $n$ — это концентрация. Каждый носитель обладает зарядом $q$ . Тогда сила тока равна

$I = \frac{∆ q}{∆ t} = \frac{N \cdot q}{∆ t} = n \cdot q \cdot S \cdot v_{D}$ .

Если сила тока и его направление через любое сечение проводника не изменяются во времени, то такой электрический ток является постоянным.

Часто в задачах используется другая физическая величина — плотность тока $j$ .
В отличии от силы тока, плотность тока величина векторная.

$j = \frac{I}{S} \to \vec{j} = n \cdot q \cdot {\vec{v}}_{D}$

$[j] = \frac{А}{м^{2}}$

Пример 2

В проводе с площадью поперечного сечения 40 мм² течёт ток. Скорость дрейфа свободных электронов равна 1,2 мм/с, а их концентрация
8 ∙ 10²⁷ м⁻³. Найти силу тока и плотность тока в проводе.

Решение

1. Исходные данные:

$\{\begin{cases} S = 40 {мм}^{2} \\ n = 8 \cdot 10^{27} м^{- 3} \\ v_{D} = 1, 2 \frac{мм}{с} \\ I, j - ? \end{cases}$ .

2. Переведём исходные данные в систему СИ:

$\{\begin{cases} S = 4 \cdot 10^{- 5} м^{2} \\ n = 8 \cdot 10^{27} м^{- 3} \\ v_{D} = 1, 2 \cdot 10^{- 3} \frac{м}{с} \end{cases}$ .

3. Обратимся к рисунку 3: за промежуток времени $∆ t$ электроны преодолеют расстояние $∆ l = ∆ t \cdot v_{D}$ . Объём участка проводника между сечениями 1 и 2:

$V = ∆ l \cdot S = S \cdot v_{D} \cdot ∆ t$ .

Тогда через поперечное сечение за время $∆ t$ пройдёт заряд

$∆ q = n \cdot e \cdot V = n \cdot e \cdot S \cdot v_{D} \cdot ∆ t$ .

4. Найдём силу тока по определению:

$I = \frac{∆ q}{∆ t} = \frac{n \cdot e \cdot S \cdot v_{D} \cdot ∆ t}{∆ t} = n \cdot e \cdot S \cdot v_{D}$ ;

$I = 8 \cdot 10^{27} \cdot 1, 6 \cdot 10^{- 19} \cdot 4 \cdot 10^{- 5} \cdot 1, 2 \cdot 10^{- 3} = 61, 4 А$ .

5. Плотность тока тогда равна

$j = \frac{I}{S} = \frac{61, 4}{4 \cdot 10^{- 5}} \approx 15, 4 \cdot 10^{5} \frac{А}{м^{2}}$ .

Ответ: $I = 61, 4 А$ ; $j = 15, 4 \cdot 10^{5} \frac{А}{м^{2}}$ .

Упражнение 2

1. Концентрация свободных электронов в меди примерно равна 10²³ см⁻³. Найдите скорость дрейфа электронов в медном проводе с поперечным сечением 2 мм², если ток, протекающий по проводу, равен 10 А.

2. Во сколько раз и как изменится плотность тока, если при неизменной силе тока уменьшить площадь поперечного сечения в 4 раза?

Контрольные вопросы

1. Что необходимо создать в проводнике, чтобы в нём возник и протекал ток?
2. В чём различие проводника и диэлектрика?
3. Кто является свободным носителем в проводниках?
4. Что такое электрический ток?
5. Что такое дрейф свободных носителей и чем он может быть вызван в проводниках?
6. В чём различие средней силы тока и мгновенной силы тока?
7. Как выглядит формула, связывающая силу тока в проводнике и скорость дрейфа?

Ответы

Упражнение 1

1. 36 мКл

2. 8,8 A

3. Против часовой стрелки

Упражнение 2

1. 0,3 мм/с

2. Плотность тока возрастет в 4 раза

Предыдущий урок

Источник тока. Электродвижущая сила. Замкнутая электрическая цепь. Закон Ома для полной цепи

Постоянный электрический ток

Следующий урок

Вольтамперная характеристика проводника. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника

Постоянный электрический ток

Урок подготовил(а)

Андрей Михайлович

Учитель физики

Опыт работы: 12 лет

Лексика. Омонимы. Паронимы. Синонимы. Антонимы

Русский язык
Химический состав организмов. Неорганические вещества клетки

Биология
Расстояние от точки до плоскости. Теорема о трёх перпендикулярах

Геометрия

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:

Пока никто не оставил отзыв об этом уроке