Что является носителем тока
Перейти к содержимому

Что является носителем тока

  • автор:

14 Семестр 3. Лекция 6.

,

где q– заряд носителей,n— концентрация носителей,— вектор средней скорости упорядоченного движения. Единица измерения величины плотности тока А/м 2 (Ампер на метр квадратный).

Замечание. Если носители тока совершают хаотическое (тепловое) движение, то в этом случае средняя скорость движенияи электрический ток отсутствует.

Если электрический ток одновременно создают разные носители (например, отрицательные и положительные ионы в электролите), то плотность тока определяется

,

индексы «+» и «» соответствуют положительно и отрицательно заряженным носителям.

Замечание. Рассмотрим прямолинейное движение заряженных частиц под действием электрического поля, вектор напряженности которогопараллелен траектории частиц. В этом случае положительные заряженные частицы будут двигаться в направлении вектора напряжённости, поэтому вектор плотности тока положительных носителейбудет направлен так же как и вектор напряжённости.

Отрицательно заряженные частицы будут двигаться против направления вектора напряжённости, но так как , то вектор плотности тока отрицательных носителейтоже будет направлен как и!

За направление электрического тока принимается направление движения положительно заряженных носителей.

Таким образом, если в некоторой области среды (или тела) задано векторное поле плотности электрического тока, то говорят, что в этой области среды (или тела) «течёт» электрический ток. Соответственно, говорят, что эта область среды (или тела) является проводником электрического токаили, что эта область среды (или тела)проводит электрический ток. Типичный проводник – металлы. В металлах носителями тока являютсявалентные электроны.

Если вектор плотности в любой точке тока не зависит от времени, то говорят, что ток постоянный. При этом вектор плотности тока может меняться от точке к точке.

Линия тока– линия, касательная к которой в каждой точке направлена так же как и вектор плотности тока.

Силой тока, текущего в проводнике, называется величина отношение зарядаdQ, переносимого через поперечное сечение проводника (с учетом направления) за промежуток времениdt, к величине этого промежутка времени: .

Докажем, что сила тока в проводнике равна величине потока вектора плотности тока через сечение проводника. Сечение проводника при этом является ориентированнойповерхностью.

Рассмотрим цилиндрический проводник, в котором задано однородное векторное поле плотности тока . Найдём суммарный электрический заряд, прошедший через сечение проводника за малый промежуток времениdt, нормаль к которому образует уголс вектором плотности тока. Все прошедшие через сечение заряды заполнят косой цилиндр, объём которого. Длина этого цилиндра, где— скорость упорядоченного движения носителей. Величина электрического заряда прошедшего через сечение проводника

, гдеq– заряд одного носителя,N– количество носителей в цилиндре. Еслиn– концентрация носителей, то, поэтому

.

Если ввести вектор , то можно записать.

Поэтому сила тока в проводнике .

Если векторное поле плотности тока неоднородное, а сечение не является плоским, то сечение разбивается на малые участки dS, в пределах каждого из которых поле тока можно считать однородным. Затем суммируются все потоки по этим участкам

.

Сила тока измеряется в Амперах (А): А=Кл/с.

Сила тока через поперечное сечение проводника, в котором вектор плотности тока , а ориентация сечения совпадает с направление вектора плотности тока

, гдеS— площадь поперечного сечения. Откуда.

Замечание. Иногда удобно силу тока считать алгебраической величиной, т.е. приписывать знак «+» или «» в зависимости от какого-то направления (т.е. ориентации поперечного сечения). Если при подобном соглашении знак силы тока получается отрицательным, то это означает, что направление движения положительных зарядов в данном случае – противоположное выбранному.

НОСИТЕЛИ ТОКА

электрически заряж. частицы в в-ве, обусловливающие его электрическую проводимость. В большинстве случаев Н. т. являются т. н. свободные электроны и ионы, к-рые способны перемещаться в в-ве под действием электрич. поля. В ПП различают 2 рода Н. т. — электроны и дырки.

Большой энциклопедический политехнический словарь . 2004 .

Смотреть что такое «НОСИТЕЛИ ТОКА» в других словарях:

неосновные носители тока — неосновные носители заряда; отрасл. неосновные носители тока Подвижные носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике меньше, чем концентрация основных носителей заряда: электроны в полупроводнике р типа и дырки в полупроводнике п… … Политехнический терминологический толковый словарь

неравновесные носители тока — неравновесные носители заряда; отрасл. избыточные носители заряда; неравновесные носители тока Электроны или дырки проводимости, не находящиеся в термодинамическом равновесии (как по концентрации. так и по энергетическому распределению) … Политехнический терминологический толковый словарь

основные носители тока — основные носители заряда; отрасл. основные носители тока Подвижные носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает: электроны в полупроводнике n типа и дырки в полупроводнике р типа. Примечание. Под подвижными носителями … Политехнический терминологический толковый словарь

НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока) заряженные частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В газе носители заряда электроны и ионы. Чаще всего термин носители заряда применяется в физике твердого тела. В… … Большой Энциклопедический словарь

НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока), общее название заряж. подвижных ч ц или квазичастиц, способных обеспечивать прохождение электрич. тока через в во. Чаще всего термин «Н. т.» применяется в физике твёрдого тела, где объединяет эл ны проводимости и дырки (см.… … Физическая энциклопедия

Носители заряда — носители тока, общее название подвижных частиц (или квазичастиц (См. Квазичастицы)), несущих электрический заряд и способных обеспечивать прохождение электрического тока через данное вещество. Чаще всего этот термин применяется в физике… … Большая советская энциклопедия

НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока), заряж. частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрич. тока через данное в во. В газе Н.з. электроны и ионы. Чаще термин Н. з.» применяется в физике тв. тела. В твердотельных проводниках Н.з. электроны… … Естествознание. Энциклопедический словарь

НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА В ТВЁРДОМ ТЕЛЕ — (носители тока) подвижные частицы или квазичастицы, участвующие в процессах электропроводности. Перенос заряда в твёрдых телах может осуществляться движением электронов и дырок из частично заполненных зон (см. Зонная теория), ионов ( диэлектрики) … Физическая энциклопедия

носители заряда — (носители тока), заряженные частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В газе носители заряда электроны и ионы. Чаще термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела.… … Энциклопедический словарь

Носители заряда — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока. Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы носителя заряда является дырка.… … Википедия

Носители электрического тока

Электричество в наши дни принято определять как «электрические заряды и связанные с ними электромагнитные поля». Само существование электрических зарядов обнаруживается через их силовое воздействие на другие заряды. Пространство вокруг всякого заряда обладает особыми свойствами: в нем действуют электрические силы, проявляющиеся при внесении в это пространство других зарядов. Такое пространство является силовым электрическим полем.

Пока заряды неподвижны, пространство между ними обладает свойствами электрического (электростатического) поля. Но когда заряды движутся, то вокруг них возникает также магнитное поле. Мы рассматриваем порознь свойства электрического и магнитного полей, но в действительности электрические процессы всегда связаны с существованием электромагнитного поля.

Носители электрического тока

Мельчайшие электрические заряды входят как составные части в атом. Атом есть наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Атом является весьма сложной системой. Его масса в большей своей части сосредоточена в ядре. Вокруг последнего по определенным орбитам обращаются электрически заряженные элементарные частицы — электроны.

Силы тяготения удерживают на орбитах планеты, обращающиеся вокруг солнца, а электроны притягиваются к ядру атома электрическими силами. Из опыта известно, что взаимно притягиваются лишь разноименные заряды. Следовательно, заряды ядра атома и электронов должны быть различными по знаку. По историческим причинам принято считать заряд ядра положительным, а заряды электронов — отрицательными.

Многочисленные опыты показали, что электроны атомов любых элементов обладают одинаковым электрическим зарядом и одинаковой массой. Вместе с тем заряд электрона является элементарным, т. е. наименьшим возможным электрическим зарядом.

Электроны

Принято различать электроны, находящиеся на внутренних орбитах атома и на внешних орбитах. Внутренние электроны относительно прочно удерживаются на своих орбитах внутриатомными силами. Но внешние электроны относительно легко могут отделяться от атома и оставаться некоторое время свободными или присоединяться к другому атому. Химические и электрические свойства атома определяются электронами его внешних орбит.

Величина положительного заряда ядра атома определяет принадлежность атома к определенному химическому элементу. Атом (или молекула) электрически нейтральны, пока сумма отрицательных зарядов электронов равна положительному заряду ядра. Но атом, потерявший один или несколько электронов, оказывается заряженным положительно вследствие избытка положительного заряда ядра. Он может перемещаться под действием электрических сил (притягиваться или отталкиваться). Такой атом является положительным ионом. Атом, захвативший излишние электроны, становится отрицательным ионом.

Носителем положительного заряда в ядре атома является протон. Это элементарная частица, служащая ядром атома водорода. Положительный заряд протона численно равен отрицательному заряду электрона, но масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Ядра атомов, кроме протонов, содержат также нейтроны — частицы, не обладающие электрическим зарядом. Масса нейтрона в 1838 раз больше массы электрона.

Таким образом, из трех элементарных частиц, образующих атомы, электрическими зарядами обладают только электрон и протон. Но из них лишь заряженные отрицательно электроны могут легко перемещаться внутри вещества, а положительные заряды в обычных условиях могут перемещаться лишь в виде тяжелых ионов, т. е. перенося атомы вещества.

Упорядоченное движение электрических зарядов, т. е движение, имеющее преобладающее направление в пространстве, образует электрический ток. Частицами, движение которых создает электрический ток, — носителями тока в большинстве случаев являются электроны и значительно реже — ионы.

Электричсекий ток

Допуская некоторую неточность, можно определять ток как направленное движение электрических зарядов. Носители тока могут более или менее свободно перемещаться в веществе.

Проводниками называются вещества, относительно хорошо проводящие ток. К числу проводников принадлежат все металлы, в особенности хорошими проводниками являются серебро, медь и алюминий.

Проводимость металлов объясняется тем, что в них часть внешних электронов отщепляется от атомов. Положительные опыты, образовавшиеся вследствие потери этих электронов, связаны в кристаллическую решетку — твердый (ионный) скелет, в промежутках которого находятся свободные электроны в форме своего рода электронного газа.

Малейшее внешнее электрическое поле создает в металле ток, т. е. вынуждает свободные электроны перемешаться в направлении действующих на них электрических сил. Для металлов характерно уменьшение проводимости с увеличением температуры.

Корона на ВЛЭП

Полупроводники проводят электрический ток значительно хуже, чем проводники. К числу полупроводников принадлежит очень большое число веществ, и свойства их весьма разнообразны. Характерным для полупроводников является электронная проводимость (т, е. ток в них создается, как и в металлах, направленным перемещением свободных электронов — не ионов) и, в отличие от металлов, увеличение проводимости при повышении температуры. Вообще для полупроводников характерна также сильная зависимость их проводимости от внешних воздействий — облучения, давления и т. п.

Диэлектрики (изоляторы) практически не проводят ток. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию атомов, молекул или ионов диэлектриков, т. е. смещение под действием внешнего поля упруго связанных зарядок, входящих в состав атома или молекулы диэлектрика. Количество свободных электронов в диэлектриках очень мало.

Нельзя указать жесткие границы между проводниками, полупроводниками и диэлектриками. В электротехнических устройствах проводники служат путем для перемещения электрических зарядов, а диэлектрики нужны, чтобы направить должным образом это движение.

Электрический ток создается вследствие воздействия на заряды сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Они создают в проводнике электрическое поле, которое вынуждает положительные заряды перемещаться по направлению действия сил поля, а отрицательные заряды — электроны — в противоположном направлении.

Полезно уточнить представление о поступательном движении электронов в металлах. Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения в пространстве между атомами, под обратном тепловому движению молекул. Тепловое состояние тела обусловливается столкновениями молекул друг с другом и столкновениями электронов с молекулами.

Электрон сталкивается с молекулами и меняет направление своего движения, но постепенно все же продвигается вперед, описывая очень сложную кривую. Длительное перемещение заряженных частиц в одном определенном направлении, налагающееся на их беспорядочное движение в разных направлениях, называется их дрейфом. Таким образом, электрический ток в металлах, по современным воззрениям, является дрейфом заряженных частиц.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Что является носителем тока

Основы электрического тока

Эта статья предназначена для школьников, студентов, а так же иных лиц которые хотят изучить основы электрики с нуля. Из этой статьи вы узнаете о том, что такое электрический ток, какие бывают источники тока, в каких единицах он измеряется и что такое электрическая цепь.

Начнем с определения.

Определение

Ток – это течение или движение чего-либо. Отсюда можно сделать следующее определение.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда) в веществе или вакууме.

В преимущественном большинстве носителями электрического заряда служат электроны, например в металлах. Гораздо реже – ионы, например в газах.

Обычно электрический ток происходит в металлах – проводах. Провода изготавливаются из алюминия, меди, серебра, золота и сплавов этих металлов в различных вариациях.

При этом скорость движения свободных электронов очень маленькая, не более 1 миллиметра в секунду. При этом скорость распространения электрического тока довольно велика – она почти равна скорости света. Поэтому когда мы щелкаем выключателем, свет зажигается мгновенно.

Эту скорость электронам придает источник электрической энергии. Благодаря источнику в проводнике (пусть это будет провод) создается электрическое поля, благодаря которому скорость электронов сильно увеличивается.

При этом должна быть создана электрическая цепь. Например, простая электрическая цепь состоит из:

  • источника — например батарейки;
  • проводника — например провода;
  • потребителя — например лампочки;
  • замыкателя — например выключателя.

Пример простой электрической цепи

Но это я забегаю веред, давайте обо всем по порядку. Начнем с источника.

Источник электрического тока

Самым простым и общеизвестным источником электрического тока является аккумулятор, в уменьшенном виде аккумуляторная или простая батарейка. Это источники постоянного тока. У этих источников есть плюса.

Есть положительный полюс, который обозначается знаком плюс (+). И отрицательный полюс который обозначается знаком минус (-).

Если полюса соединить с потребителем электрического тока, например лампочкой с помощью проводника (проводов), то электрический ток начнет движение в определенном направлении (под действием электрического поля) и лампочка загорится.

Ток течет от плюса к минусу, хотя обычно принято говорить что наоборот. Но, на начальном этапе это не столь важно.

Какие бывают источники электрического тока, выделим три основных:

  1. Гальванический источник – батарейка или аккумулятор.
  2. Термический источник или термоэлемент, в таком элементе электрический ток появляется при повышении температуры.
  3. Фотоэлемент – электричество появляется при воздействии излучения.

Гальванический элемент

Обозначение гальванического элемента на схеме

Выше я привел обозначение гальванического элемента на схеме. Гальванический элемент это такое устройство, в котором происходят химические реакции. При этих реакциях выделяется энергия, которая превращается в электрическую энергию.

Гальваническими элементами можно считать батарейку и аккумулятор. Суть этих элементов такова.

Есть два металлических элемента, один из них анод (например, цинк) и катод (например, медь). Эти элементы помещены в определенную среду (электролит). Причем не важен форм-фактор этих элементов. Это может быть цинковая пластина и угольный стрежень, или две пластины, не суть.

Гальванический процесс

Изображение из Википедии https://ru.wikipedia.org/

Катод и анод имеют разные заряды, положительный и отрицательный. В результате разных зарядов в электролите начинается движение электронов, то есть появляется электрическое поле, благодаря которому образуется электрический ток.

Со временем происходящие в гальваническом элементе реакции ослабевают, и поэтому приходится покупать новую батарейку или заряжать автомобильный (например) аккумулятор.

Остальные элементы (источники) в данной статье я не рассматриваю. Надеюсь что в целом все понятно. Перейдем к проводнику.

Проводник электрического тока

Проводник это неотъемлемая часть электрической цепи. Он служит для передачи электрического тока от источника к потребителю (приемнику).

Как вы уже знаете проводник обычно это металл. Провода электрического тока в наших квартирах это, обычно, медные или алюминиевые проводники. Как же происходит движение электричества в металле?

Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую решетку. В этой решетке расположены положительно заряженные ионы, а между ними движутся отрицательно заряженные электроны. Отрицательный заряд электронов (всех) равен положительному заряду электронов (всех). Поэтому в своем обычном состоянии провода не баются током.

Кристаллическая решетка металла

Кристаллическая решетка металла

Электроны в металле, как и во многих других средах, движутся беспорядочно. Но если мы соединяем источник и потребитель с помощью провода, то от источника на металл начинает действовать электрическое поле и электроны начинают двигаться быстрее и в определенном направлении.

Некоторое беспорядочное движение электронов присутствует, но это движение можно сравнить с перемещением частиц воздуха в автомобиле, который едет с большой скоростью.

При этом электрический ток происходит по всему проводу (проводнику) который подключен к источнику электрического тока.

Потребитель электрического тока

Приемник или потребитель электрического тока это то, что потребляет ток для какой-либо работы.

Например, лампочка потребляет электрический ток для освещения, обогреватель для повышения окружающей температуры, электрооборудование для выполнения различной работы.

Без потребителя в цепи произойдет замыкание, о нем я расскажу в следующих материалах настоящего самоучителя электрика.

На потребителях не будем останавливаться подробно, тут все в целом должно быть понятно – все то, что для выполнения своей работы нуждается в электрическом токе, можно называть потребителем.

Чайник - пример потребителя электрического тока

Современный чайник является хорошим примером потребителя электрического тока.

Замыкатель электрической цепи

Замыкателем электрического тока выступает любое устройство, которое замыкает и размыкает электрическую цепь.

Что бы загорелась лампочка нужно щелкнуть выключателем. Что бы чайник начал нагревать воду воду нужно щелкнуть выключателем. Все это замыкатели электрической цепи.

Эффекты (действия) электрического тока

У электрического тока есть определенные действия или эффекты, давайте коротко рассмотрим их.

  • Тепловой эффект. Этот эффект выражает себя в том случае когда электрический ток проходит через участок цепи с большим сопротивлением. В этом случае электричество преобразуется в тепло. Благодаря этому эффекту работают некоторые обогреватели. Тот же бытовой чайник работает благодаря этому эффекту – нагревательный элемент имеет большое сопротивление и он передает свое тепло воде, которая со временем начинает кипеть.
  • Химический эффект. Я уже писал выше, что при прохождении тока через электролит, происходит обмен электронами между электродами. Такой эффект называют электролизом. Этот эффект используют в промышленности, например для получения некоторых металлов.
  • Магнитный эффект. При прохождении электрического тока через некоторые перемычки и обмотки возникает магнитное поле. Этот эффект позволяет создавать электродвигатели, трансформаторы и другие электротехнические устройства.

Сила тока и электрический заряд

В системе СИ основной единицей тока является ампер (A — в честь французского физика и математика Ампер Андре Мари). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой ( I ).

Силой тока принято считать отношение электрического заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения (t).

Поперечное сечение проводника это площадь среза металлической части провода, по которому передается электрический ток (проводника). Измеряется в миллиметрах.

Схема поперечного сечения

Например, кабель ВВГ (винил-винил-голый) — первый кабель имеет две жилы сечением по 1,5 миллиметра.

Кабель ВВГ

Кабель ВВГ с различным количеством жил и сечениями

Так же существует единица электрического заряда – Кулон (Кл). По сути это единица, которая определяет электрический ток, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за 1 секунду.

Амперметр

Амперметр это прибор, который предназначен для измерения силы тока в цепи. У большинства людей, чья работа не связана с электричеством, есть такой прибор как мультиметр. Именно он играет роль амперметра. Обычно он позволяет проводить измерения постоянного тока до 10 ампер.

Мультиметр-амперметр

На этом все основы электрического тока подходят к концу. Читайте другие материалы и задавайте вопросы в комментариях.

Анатолий Бузов

Обучаю HTML, CSS, PHP. Создаю и продвигаю сайты, скрипты и программы. Занимаюсь информационной безопасностью. Рассмотрю различные виды сотрудничества.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *