Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

  • 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

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

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

 

Вспомни, что электрическим током называют направленное движение носителей электрических зарядов (электронов, ионов). Для возникновения и протекания электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц. Сами по себе частицы не начнут двигаться упорядоченно, поэтому необходимо электрическое поле или другие причины из вне. 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 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 Рис. 2. Провод с током

Разберемся с тем, как характеризовать интенсивность электрического тока.
Представим провод, в котором направленно двигаются электрические заряды, подобно жидкости в трубе. Пусть каждая частица несет в себе заряд Q, тогда по истечению малого промежутка времени t через сечение провода площадью S пройдет заряд q=N·Q, где N – количество частиц.

Физический смысл будет иметь отношение qt=N·Qt, 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=qt.

 

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=limtqt.


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=1,6·10-19 Кл.
 

3. Найдем значение силы тока: 

 

I=qt=N·et=1015·1,6·10-192=0,8·10-4 А=80 мкА.

 

Ответ: I=80 мкА.


Упражнение 1

 

1. За 12 мс в проводнике была зафиксирована сила тока 3 А, какой заряд прошел 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

 

Мы привыкли к тому, что электрический ток проходит внутри предметов. Это значит, что внутри такого предмета имеются носители заряда, которые могут свободно перемещаться по всему телу, их называют свободными носителями заряда. Напомним, определения проводника и диэлектрика.


Проводник – вещество, среда или материал, которые хорошо проводят электрический ток, то есть в проводнике присутствует большое количество свободных носителей заряда.

Диэлектрики – вещества, в которых отсутствуют свободные носители заряда.


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 vD. Если vD0, 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 Рис. 3. Цилиндрический проводник

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

Объем такого участка находится, как объем цилиндра V=S·vD·t. Число свободных носителей заряда будет равно N=n·V, где n – это концентрация. Каждый носитель обладает зарядом q. Тогда сила тока равна:

 

I=qt=N·qt=n·q·S·vD.


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=ISj=n·q·vD.

[j]=Ам2


Пример 2

 

В проводе с площадью поперечного сечения 40 мм2 течет 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:

 

S=40 мм2n=8·1027 м-3vD=1,2 ммсI, j - ?

 

2. Переведем исходные данные в систему СИ:

 

S=4·10-5 м2n=8·1027 м-3vD=1,2·10-3 мс

 

3. Обратимся к рисунку 3, за промежуток времени t электроны преодолеют расстояние l=t·vD. Объем участка проводника между сечениями 1 и 2 равен:

 

V=l·S=S·vD·t.

 

Тогда через поперечное сечение за время t пройдет заряд

 

q=n·e·V=n·e·S·vD·t.

 

4. Найдем силу тока по определению:

 

I=qt=n·e·S·vD·tt=n·e·S·vD;

 

I=8·1027·1,6·10-19·4·10-5·1,2·10-3=61,4 А.

 

5. Плотность тока тогда равна:

 

j=IS=61,44·10-515,4·105 Ам2

 

Ответ: I=61,4 А; j=15,4·105 Ам2.


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 нем возник и протекал ток?
2. В чем 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 чем 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
Расчёт сопротивления системы, состоящей из нескольких проводников, соединённых между собой. Измерение силы тока и напряжения
Постоянный электрический ток
Следующий урок
Вольтамперная характеристика проводника. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника
Постоянный электрический ток
  • Правописание гласных после шипящих и Ц

    Русский язык

  • Мейоз

    Биология

  • Термодинамическая система. Внутренняя энергия и способы её изменения. Температура и тепловое равновесие

    Физика

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