Сечение и токи проводов: Как сечение кабелей и проводов влияет на выбор мощности и тока

Содержание

Как выбрать сечение провода

Сегодня LiPo-батарее могут выдавать достаточно большие токи. Чтобы сберечь аппаратуру и нервы надо уметь правильно подобрать силовые провода. В интернете много статей для бытовых целей (ремонт в квартирах и пр). Я расскажу как правильно подобрать провода в авиамоделизме.

В моделизме используются медные провода, алюминий слишком жесткий. Рассмотрим разные варианты на примере:

  • многожильный провод в ПВХ изоляции (ПВС-2.5)
  • акустический кабель
  • провод в силиконовой изоляции

Сам провод состоит из жилы и изоляции.

Изоляция

Напряжение в проводах является главным критерием при выборе изоляции. Т.к. обычно используются аккумуляторы на 12-20 вольт, такое напряжение считается малым и безопасным - любая изоляция будет достаточной.

Вторым критерием является термоустойчивость. Самая низкая температура плавления у аккустического кабеля. Вторым по тугоплавкости идет ПВХ изоляция. И самая лучшая термоустойчивость у силиконовой изоляции - до 200°C.

Сечение провода

Ток протекаующий в проводах определяет какое сечение провода подобрать. Расчитаем ток потребляемый от LiPo-аккумулятора. Например на нем маркировка 3s 1300mah 20c. Это значит:

  • 3s - 3 элемента по 4.2 в, т.е. 12.6 В
  • 1300mha - ёмкость аккумулятора 1.3Ач
  • 20с - максимальный ток равен 20 x емкость, т.е. 20 * 1.3А = 26 ампер

Таким образом ныжны провода на 12 вольт и 26 ампер. Грубое правило гласит

20 ампер на 1мм²

Значит провод сечением 1.5мм² (S = πD²/4, т.е. D = 1.4мм) будет "с головой".

Что такое AWG

На проводах от штатных аккумуляторов/регуляторов/моторов часто можно встреть маркировку AWG-16 или AWG-20. AWG - это название американского стандарта проводов (American Wire Gauge). А цифры соответствуют сечению - чем меньше, тем толще провод.

В таблице приведены сечения для AWG стандарта и допустимый ток.

Ток, А Сечение, мм² AWG
16.
5
0.5 20
21.5 0.75 18
25.0 1.0 17
32.0 1.5 15
43.5 2.5 13
58.5 4.0 11
77.0 6.0 9
103.0 10.0 7
142.5 16.0 5

Не забывайте переводить площадь сечения в диаметр!

Читайте также как сделать блок питания на 12 вольт/10 ампер и выбрать сечение нихромовой проволоки для пенорезки.

Допустимый ток на мм2 медного провода

В современной электротехнике используется большое количество кабельно-проводниковой продукции. Преимущественно используются изделия с медными жилами, поэтому, чтобы правильно выбрать сечение, нужно обязательно учитывать допустимый ток для медных проводов. Определить это значение можно с помощью формулы, в которой учитывается паспортная мощность всех потребителей и напряжение данной электрической цепи.

Допустимая плотность тока для медного провода

Формула для расчета допустимого тока выглядит следующим образом: I = P/V, в которой I является силой тока (А), P – суммарная мощность потребителей (Вт), V – напряжение электрической цепи. Зная величину общего тока всех имеющихся потребителей, а также соотношение, где присутствуют допустимые токи нагрузки медных проводов, рассчитанные на определенное сечение, можно вычислить плотность тока.

Так для медных проводов она будет составлять 10А на 1 мм2. Эта же величина для алюминиевого провода составит 8А на квадратный миллиметр. То есть плотность тока у медного провода при одинаковом сечении будет выше, чем у проводов из алюминия. С помощью такого показателя легко определяется, подходят ли имеющиеся провода для планируемой цепи или есть необходимость в выборе другого сечения.

Если планируется скрытая прокладка проводов, с использованием трубок или гофрированных рукавов, расчетные данные необходимо уменьшить путем применения понижающего коэффициента 0,8. Для устройства открытой силовой проводки используется кабель с минимальным сечением 4 мм2, обеспечивающий достаточную механическую прочность. Подобные соотношения сечения и тока являются довольно точными и часто применяются в расчетах электропроводки и при выборе средств защиты сети. Для получения более точных данных о допустимой токовой нагрузке, рекомендуется использовать специальные таблицы.

Допустимый ток и сечение проводов

Правильный выбор кабелей и проводов во время проектирования и расчетов электрических сетей, является гарантией их надежной и безопасной работы в процессе дальнейшей эксплуатации. К приборам и оборудованию питание будет поступать в полном объеме, а изоляция проводников не будет перегреваться и разрушаться. Правильные расчеты сечения по мощности позволят избежать аварийных ситуаций и необходимости восстановления поврежденных линий. Для этого нужно знать, что представляет собой на практике суть такого понятия, как допустимая сила тока для медного провода.

В самом упрощенном варианте каждый кабель ведет себя подобно трубопроводу, по которому транспортируется вода. Точно так же и по кабельным жилам осуществляется движение электрического тока, величина которого ограничивается размерами конкретного токоведущего канала, фактически являющегося сечением данного проводника.

Неверный выбор этого параметра нередко приводит к ошибкам и негативным последствиям. При наличии слишком узкого токоведущего канала плотность тока может возрасти в несколько раз. Это приводит к перегреву и последующему оплавлению изоляции, возникают места с регулярными токовыми утечками. В наиболее неблагоприятной ситуации возможно возгорание.

Однако, слишком большое сечение проводов по току имеет один серьезный недостаток в виде значительного перерасхода денежных средств при устройстве электросетей. Конечно свободная транспортировка электрического тока положительно влияет на функциональность и сроки эксплуатации проводов, но оплата за потребленную электроэнергию может заметно возрасти. Таким образом, первый вариант является просто опасным, а второй нежелательно использовать из-за его высокой стоимости.

Расчет сечения кабелей и проводов

Расчеты сечения проводов начинаются с закона Ома, в котором произведение силы тока и напряжения будет равно мощности. Величина бытового напряжения сети является постоянной и составляет 220 вольт. Остальные параметры присутствуют в таблицах, предназначенных для определения сечения проводов. Расчеты выполняются только для силовых линий, которые подводятся к розеткам.

Для проводов освещения используется стандартное сечение, площадью 1,5 мм2. Если в помещении не планируется устанавливать мощные осветительные приборы от 3,3 кВт и выше, то площадь сечения кабеля можно не увеличивать. С розетками совершенно иная ситуация, поскольку к одной линии могут подключаться электроприборы с различной мощностью. Поэтому все силовые линии, подведенные к розеткам, рекомендуется разбить на несколько групп. В тех случаях, когда такая разбивка технически невозможна, следует использовать кабель с медными жилами, сечение которого составляет от 4 до 6 мм2.

Жилы проводов обязательно должны быть из меди в соответствии с требованиями ПУЭ, поскольку допустимый ток для алюминиевых проводов не позволяет использовать их в жилых помещениях. В настоящее время алюминиевыми проводами прокладываются наружные воздушные линии, а также имеются действующие сети из алюминия в домах старой постройки.

Кроме нагрузки и силы тока, в расчетах сечения проводников учитывается значение допустимой и рабочей плотности тока. Для того чтобы правильно рассчитать эти параметры, необходимо использовать данные, полученные практическим путем. Речь идет о силе тока в пределах от 6 до 10А, который приходится на 1 мм2 медного провода. Это означает, что через медный кабель, сечением 1 мм2 к потребителю свободно проходит ток 6-10А, не вызывая при этом перегрева и разрушения изоляции. Токовый интервал объясняется следующим образом: минимальное значение 6А представляют собой нормальную рабочую плотность тока. В этих условиях работа проводника осуществляется устойчиво и безопасно без ограничений по времени.

Сила тока в 10А может протекать по проводнику сечением 1 мм2 лишь в течение короткого времени, например, во время включения какого-либо прибора. Эта величина представляет собой максимально допустимый ток для медных проводов. То есть, сила тока в 12А при таком же сечении, приведет к существенному увеличению плотности тока, повышению температуры и разрушению изоляции. Такой же самый интервал для алюминиевых проводов составляет всего лишь 4-6А.

Ошибки при выборе и расчете сечения кабеля

— электроснабжение объектов энергетики, проектные, электромонтажные и пусконаладочные работы под ключ

+7 (342) 202-77-09 Заказать звонок

Выбор мощности, тока и сечения проводов и кабелей

Значения токов легко определить, зная паспортную мощность потребителей по формуле: I = Р/220. Зная суммарный ток всех потребителей и учитывая соотношения допустимой для провода токовой нагрузки ( открытой проводки) на сечение провода:

  • для медного провода 10 ампер на миллиметр квадратный,
  • для алюминиевого 8 ампер на миллиметр квадратный, можно определить, подойдет ли имеющийся у вас провод или же необходимо использовать другой.

При выполнении скрытой силовой проводки (в трубке или же в стене) приведенные значения уменьшаются умножением на поправочный коэффициент 0,8. Следует отметить, что открытая силовая проводка обычно выполняется проводом с сечением не менее 4 кв. мм из расчета достаточной механической прочности.

Приведенные выше соотношения легко запоминаются и обеспечивают достаточную точность для использования проводов. Если требуется с большей точностью знать длительно допустимую токовую нагрузку для медных проводов и кабелей, то можно воспользоваться нижеприведенными таблицами.

В следующей таблице сведены данные мощности, тока и сечения кабельно-проводниковых материалов, для расчетов и выбора зашитных средств, кабельно-проводниковых материалов и электрооборудования.

Допустимые длительные токи для проводов с резиновой или поливинилхлоридной изоляцией, шнуров с резиновой изоляцией и кабелей с резиновой или пластмассовой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной и резиновой оболочках приведены в табл.

1.3.4-1.3.11. Они приняты для температур: жил +65, окружающего воздуха +25 и земли + 15°С.

Узнать, где применяется кабель в резиновой изоляции, и посмотреть все марки данного кабеля можно здесь: http://cable.ru/cable/kabel-rezinovaya.php

При определении количества проводов, прокладываемых в одной трубе (или жил многожильного проводника), нулевой рабочий проводник четырехпроводной системы трехфазного тока, а также заземляющие и нулевые защитные проводники в расчет не принимаются.

Данные, содержащиеся в табл. 1.3.4 и 1.3.5, следует применять независимо от количества труб и места их прокладки (в воздухе, перекрытиях, фундаментах).

Допустимые длительные токи для проводов и кабелей, проложенных в коробах, а также в лотках пучками, должны приниматься: для проводов — по табл. 1.3.4 и 1.3.5 как для проводов, проложенных в трубах, для кабелей — по табл. 1.3.6-1.3.8 как для кабелей, проложенных в воздухе. При количестве одновременно нагруженных проводов более четырех, проложенных в трубах, коробах, а также в лотках пучками, токи для проводов должны приниматься по табл.

1.3.4 и 1.3.5 как для проводов, проложенных открыто (в воздухе), с введением снижающих коэффициентов 0,68 для 5 и 6; 0,63 для 7-9 и 0,6 для 10-12 проводников.

Для проводов вторичных цепей снижающие коэффициенты не вводятся.

Таблица 1.3.4. Допустимый длительный ток для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с медными жилами

Ток, А, для проводов, проложенных в одной трубе

Таблица 1.

3.5. Допустимый длительный ток для проводов с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми жилами
Сечение токопроводящей жилы, мм 2
открыто двух одножильных трех одножильных четырех одножильных одного двухжильного одного трехжильного
0,5 11
0,75 15
1 17 16 15 14 15 14
1,2 20 18 16 15 16 14,5
1,5 23 19 17 16 18 15
2 26 24 22 20 23 19
2,5 30 27 25 25 25 21
3 34 32 28 26 28 24
4 41 38 35 30 32 27
5 46 42 39 34 37 31
6 50 46 42 40 40 34
8 62 54 51 46 48 43
10 80 70 60 50 55 50
16 100 85 80 75 80 70
25 140 115 100 90 100 85
35 170 135 125 115 125 100
50 215 185 170 150 160 135
70 270 225 210 185 195 175
95 330 275 255 225 245 215
120 385 315 290 260 295 250
150 440 360 330
185 510
240 605
300 695
400 830

Ток, А, для проводов, проложенных

Сечение токопроводящейжилы, мм 2
открыто двух одножильных трех одножильных четырех одножильных одного двухжильного одного трехжильного
2 21 19 18 15 17 14
2,5 24 20 19 19 19 16
3 27 24 22 21 22 18
4 32 28 28 23 25 21
5 36 32 30 27 28 24
6 39 36 32 30 31 26
8 46 43 40 37 38 32
10 60 50 47 39 42 38
16 75 60 60 55 60 55
25 105 85 80 70 75 65
35 130 100 95 85 95 75
50 165 140 130 120 125 105
70 210 175 165 140 150 135
95 255 215 200 175 190 165
120 295 245 220 200 230 190
150 340 275 255
185 390
240 465
300 535
400 645

Таблица 1.

3.6. Допустимый длительный ток для проводов с медными жилами с резиновой изоляцией в металлических защитных оболочках и кабелей с медными жилами с резиновой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной, найритовой или резиновой оболочке, бронированных и небронированных

Ток *, А, для проводов и кабелей

* Токи относятся к проводам и кабелям как с нулевой жилой, так и без нее.

Таблица 1.3.7. Допустимый длительный ток для кабелей с алюминиевыми жилами с резиновой или пластмассовой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной и резиновой оболочках, бронированных и небронированных

Сечение токопроводящей жилы, мм2
одножильных
в воздухе в воздухе в земле в воздухе в земле
1,5 23 19 33 19 27
2,5 30 27 44 25 38
4 41 38 55 35 49
6 50 50 70 42 60
10 80 70 105 55 90
16 100 90 135 75 115
25 140 115 175 95 150
35 170 140 210 120 180
50 215 175 265 145 225
70 270 215 320 180 275
95 325 260 385 220 330
120 385 300 445 260 385
150 440 350 505 305 435
185 510 405 570 350 500
240 605

Ток, А, для кабелей

Сечение токопроводящей жилы, мм2
одножильных
в воздухе в воздухе в земле в воздухе в земле
2,5 23 21 34 19 29
4 31 29 42 27 38
6 38 38 55 32 46
10 60 55 80 42 70
16 75 70 105 60 90
25 105 90 135 75 115
35 130 105 160 90 140
50 165 135 205 110 175
70 210 165 245 140 210
95 250 200 295 170 255
120 295 230 340 200 295
150 340 270 390 235 335
185 390 310 440 270 385
240 465

Примечание. Допустимые длительные токи для четырехжильных кабелей с пластмассовой изоляцией на напряжение до 1 кВ могут выбираться по табл. 1.3.7, как для трехжильных кабелей, но с коэффициентом 0,92.

Таблица 1.3.8. Допустимый длительный ток для переносных шланговых легких и средних шнуров, переносных шланговых тяжелых кабелей, шахтных гибких шланговых, прожекторных кабелей и переносных проводов с медными жилами

Сечение токопроводящей жилы, мм2

Ток *, А, для шнуров, проводов и кабелей

одножильных двухжильных трехжильных 0,5 — 12 — 0,75 — 16 14 1,0 — 18 16 1,5 — 23 20 2,5 40 33 28 4 50 43 36 6 . 65 55 45 10 90 75 60 16 120 95 80 25 160 125 105 35 190 150 130 50 235 185 160 70 290 235 200

* Токи относятся к шнурам, проводам и кабелям с нулевой жилой и без нее.

Таблица 1.3.9. Допустимый длительный ток для переносных шланговых с медными жилами с резиновой изоляцией кабелей для торфопредприятий

Сечение токопроводящей жилы, мм 2

Ток *, А, для кабелей напряжением, кВ

0,5 3 6 6 44 45 47 10 60 60 65 16 80 80 85 25 100 105 105 35 125 125 130 50 155 155 160 70 190 195 —

* Токи относятся к кабелям с нулевой жилой и без нее.

Таблица 1.3.10. Допустимый длительный ток для шланговых с медными жилами с резиновой изоляцией кабелей для передвижных электроприемников

Сечение токопроводящей жилы, мм 2

Ток *, А, для кабелей напряжением, кВ

Сечение токопроводящей жилы, мм 2

Ток *, А, для кабелей напряжением, кВ

3 6 3 6 16 85 90 70 215 220 25 115 120 95 260 265 35 140 145 120 305 310 50 175 180 150 345 350

* Токи относятся к кабелям с нулевой жилой и без нее.

Таблица 1.3.11. Допустимый длительный ток для проводов с медными жилами с резиновой изоляцией для электрифицированного транспорта 1,3 и 4 кВ

Сечение токопроводящей жилы, мм 2 Ток, А Сечение токопроводящей жилы, мм 2 Ток, А Сечение токопроводящей жилы, мм 2 Ток, А
1 20 16 115 120 390
1,5 25 25 150 150 445
2,5 40 35 185 185 505
4 50 50 230 240 590
6 65 70 285 300 670
10 90 95 340 350 745

Таблица 1.3.12. Снижающий коэффициент для проводов и кабелей, прокладываемых в коробах

Количество проложенных проводов и кабелей

Снижающий коэффициент для проводов, питающих группы электро приемников и отдельные приемники с коэффициентом использования более 0,7

Многослойно и пучками . . .

Способ прокладки
одножильных многожильных отдельные электроприемники с коэффициентом использования до 0,7 группы электроприемников и отдельные приемники с коэффициентом использования более 0,7
До 4 1,0
2 5-6 0,85
3-9 7-9 0,75
10-11 10-11 0,7
12-14 12-14 0,65
15-18 15-18 0,6
2-4 2-4 0,67
5 5 0,6

Допустимые длительные токи для проводов, проложенных в лотках, при однорядной прокладке (не в пучках) следует принимать, как для проводов, проложенных в воздухе.

Допустимые длительные токи для проводов и кабелей, прокладываемых в коробах, следует принимать по табл. 1.3.4-1.3.7 как для одиночных проводов и кабелей, проложенных открыто (в воздухе), с применением снижающих коэффициентов, указанных в табл. 1.3.12.

При выборе снижающих коэффициентов контрольные и резервные провода и кабели не учитываются.

Длительно-Допустимый Ток для Алюминиевой Шины

Расчет сечения алюминиевой шины по длительно допустимым токовым нагрузкам проводят в соответствии с главой 1.3 "Правил устройства электроустановок" выпущенных Министерством Энергетики СССР в 1987 году - выбираются допустимые длительные токи для неизолированных проводов и шин. Предельно допустимые длительные токи для алюминиевых шин прямоугольного сечения для постоянного и переменного тока при подключении 1 полосы на фазу собраны в нижеследующей таблице:

Какой длительно допустимый предельный ток для алюминиевой шины?

Сечение шины, ммПостоянный ток, АПеременный ток, А
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 15×3165165
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 20×3215215
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 25×3265265
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 30×4370365
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 40×4480480
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 40×5545540
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 50×5670665
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 50×6745740
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 60×6880870
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 60×810401025
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 60×1011801155
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 80×611701150
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 80×813551320
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 80×1015401480
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 100×614551425
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 100×816901625
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 100×1019101820
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 120×820401900
Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 120×1023002070

Купить электротехнические медные и алюминиевые шины можно в нашей компании со склада и под заказ:

ЗАКОН AMPERES

ЗАКОН AMPERES

Магнитное поле на расстоянии r от очень длинного прямого провода, несущего установившийся ток I, имеет величину, равную

(31. )

и направление, перпендикулярное r и I. Интеграл по путям по окружности с центром вокруг проволоки (см. рисунок 31.1) равно

(31,2)

Здесь мы использовали тот факт, что магнитное поле является касательным в любой точке на круговом пути интегрирования.

Рисунок 31.1. Магнитное поле, создаваемое током. Любой произвольный путь можно рассматривать как набор радиальных сегменты (r изменяется, а [theta] остается постоянным) и круглые сегменты ([тета] изменяется, а r остается постоянным). Для радиальных сегментов магнитная поле будет перпендикулярно перемещению и продукту скейлера между магнитное поле и смещение равны нулю. Рассмотрим теперь небольшой циркуляр отрезок траектории вокруг провода (см. рисунок 31.2). Интеграл по путям на этом круговом отрезке равно

(31.3)

Рисунок 31.2. Интеграл по небольшому круговому пути. Уравнение (31.3) показывает, что вклад этого циркуляра отрезок к общему интегралу по путям не зависит от расстояния r и только зависит от изменения угла [Дельта] [тета]. Для закрытого пути общее изменение угла составит 2 пи, и уравнение (31.3) можно переписать как

(31.4)

Это выражение - Закон Ампера :

"Интеграл от B вокруг любого замкнутого математического пути равен u 0 раз больше тока, перехваченного областью, охватывающей путь "

Пример: Задача 31,5

Шесть параллельных алюминиевых проволок небольшого, но конечного радиуса лежат в тот же самолет. Провода разделены равным расстоянием d, и они несут равные токи I в том же направлении.Найдите магнитное поле в центре первый провод. Предположим, что токи в каждом проводе распределены равномерно. по его поперечному сечению.

Схематическое изображение проблемы показано на рисунке 31.3. Магнитное поле генерируется одиночным проводом равно

(31,5)

где r - расстояние от центра провода. Уравнение (31.5) имеет вид правильно для всех точек за пределами провода, и поэтому может использоваться для определения магнитное поле, создаваемое проводами 2, 3, 4, 5 и 6. Поле на центр провода 1 из-за тока, протекающего в проводе 1, можно определить с помощью Закон Ампера и равен нулю. Суммарное магнитное поле в центре провод 1 можно найти путем векторного сложения вкладов каждого из шести провода. Поскольку направление каждого из этих вкладов одинаково, полное магнитное поле в центре провода 1 равно

(31.6)

Рисунок 31.3. Проблема 31.5

Соленоид - это устройство, используемое для создания однородного магнитного поля.Может быть изготовленным из тонкой проводящей проволоки, намотанной в спиральную спираль, состоящую из множества витков. Магнитное поле внутри соленоида можно определить, суммируя магнитные полей, порождаемых N отдельными кольцами (где N - количество витков соленоид). Мы ограничимся обсуждением магнитного поля, создаваемого соленоид к тому, который генерируется идеальным соленоидом, который бесконечно длинный, и имеет очень плотно намотанные катушки.

Идеальный соленоид обладает поступательной и вращательной симметрией. Однако, поскольку силовые линии магнитного поля должны образовывать замкнутые контуры, магнитное поле не может быть направлен в радиальном направлении (иначе будут созданы силовые линии или разрушен на центральной оси соленоида). Таким образом, мы заключаем, что силовые линии в соленоиде должны быть параллельны оси соленоида. Величина магнитного поля можно получить, применив закон Ампера.

Рисунок 31.4. Идеальный соленоид. Рассмотрим путь интеграции, показанный на рисунке 31.4. Путь интеграл магнитного поля вокруг этого пути интегрирования равен

(31,7)

где L - горизонтальная длина пути интегрирования. Текущий вложенный по пути интегрирования равен N . I 0 где N - число витков на пути интегрирования, а I 0 - это ток в каждом витке соленоида. Используя закон Ампера, заключаем, что

(31.8)

или

(31,9)

где n - количество витков соленоида на единицу длины. Уравнение (31. 9) показывает, что магнитное поле B не зависит от положения внутри соленоид. Мы заключаем, что магнитное поле внутри идеального соленоида равно униформа.

Пример: проблема 31.14

По длинному соленоиду n витков на единицу длины проходит ток I, и по длинной прямой проволоке, идущей вдоль оси этого соленоида, течет ток I '.Найдите суммарное магнитное поле внутри соленоида на расстоянии r от оси. Опишите форму силовых линий магнитного поля.

Магнитное поле, создаваемое соленоидом, однородное, направленное параллельно оси соленоида, и имеет величину

(31.10)

Магнитное поле длинного прямого провода, по которому течет ток I ', имеет величина равна

(31.11)

и направлен перпендикулярно направлению r и I '.Направление Таким образом, провод B перпендикулярен направлению В соль . Чистое магнитное поле внутри соленоида равно векторная сумма B провода и B sol . Его величина равна на номер

(31.12)

Угол a между направлением магнитного поля и осью z равен по

(31,13)

Пример: проблема 31.15

Коаксиальный кабель состоит из длинного цилиндрического медного провода радиусом r 1 в окружении цилиндрической оболочки с внутренним радиусом r 2 и внешний радиус r 3 (см. рисунок 31.5). Проволока и оболочка несут равные и противоположные токи I равномерно распределены по их объемам. Находить формулы для магнитного поля в каждой из областей r 1 , r 1 2 , r 2 3 и r> r 3 .

Силовые линии магнитного поля представляют собой окружности с центром на оси симметрии магнитного поля. коаксиальный кабель. Сначала рассмотрим путь интегрирования с r 1 . Интеграл по путям B на этом пути равен

. (31,14)

Ток, заключенный в этом пути интеграции, равен

. (31,15)

Применяя закон Фарадея, мы можем связать вложенный ток с интегралом по путям из Б

(31.16)

Следовательно, магнитное поле B равно

. (31.17)

Рисунок 31.5. Проблема 31.15. В области между проводом и оболочкой закрытые ток равен I, а интеграл по путям магнитного поля равен уравнение (31.14). Закон Ампера гласит, что

(31.18)

а магнитное поле равно

(31,19)

В третьей области (r 2 3 ) интеграл по путям магнитного поля по круговой траектории радиуса r определяется выражением экв.(31.14). Включенный ток равен

(31.20)

Следовательно, магнитное поле равно

. (31.21)

Ток на пути интегрирования с радиусом r> r 3 равен нулю (так как ток в проводе и в оболочке течет в противоположные направления). Следовательно, магнитное поле в этой области также равно нулю.

Магнитная сила, действующая на частицу с зарядом q, движущуюся со скоростью v, равна равно

(31.22)

Эта сила всегда перпендикулярна направлению движения частицы, и поэтому изменит только направление движения, а не величину скорости. Если заряженная частица движется в однородной магнитной поле с напряженностью B, перпендикулярное скорости v, то величина магнитной силы определяется как

(31,23)

и его направление перпендикулярно v. В результате этой силы частица будет совершать равномерное круговое движение.Радиус круга равен определяется требованием, чтобы сила магнитного поля была равна центростремительная сила. Таким образом

(31,24)

Радиус орбиты r равен

(31,25)

где p - импульс заряженной частицы. Расстояние, пройденное частица за один оборот равна

(31,26)

Время T, необходимое для совершения одного оборота, равно

. (31.27)

Частота этого движения равна

. (31,28)

и называется циклотронной частотой . Уравнение (31.28) показывает что циклотронная частота не зависит от энергии частицы, и зависит только от его массы m и заряда q.

Влияние магнитного поля на движение заряженной частицы можно использовать для определения некоторых его свойств. Одним из примеров является измерение заряд электрона.Электрон, движущийся в однородном магнитном поле, будет описал круговое движение с радиусом, задаваемым уравнением (31.25). Предположим, что электрон ускоряется потенциалом V 0 . Конечная кинетическая энергия электрона равно

(31.29)

Импульс электрона p определяется его кинетической энергией

(31.30)

Радиус кривизны траектории электрона, таким образом, равен

. (31.31)

Уравнение (31.31) показывает, что измерение r можно использовать для определения отношение массы к заряду электрона.

Еще одно приложение влияния магнитного поля на движение заряженная частица - циклотрон. Циклотрон состоит из вакуумированной полости. помещенный между полюсами большого электромагнита. Полость разрезается на две части D-образные детали (называемые деэ) с промежутком между ними. Колеблющийся высокий напряжение подключается к пластинам, создавая колеблющееся электрическое поле в область между двумя деями.Заряженная частица, инжектированная в центр циклотрон будет совершать равномерное круговое движение в течение первой половины один оборот. Частота движения частицы зависит от ее массы, ее заряд и напряженность магнитного поля. Частота генератора выбирается таким образом, что каждый раз, когда частица пересекает зазор между деями, она будет ускоряться электрическим полем. По мере увеличения энергии иона его радиус кривизны будет увеличиваться, пока не достигнет края циклотрон и извлекается.При движении в циклотроне ион будет многократно пересеките разрыв между деками, и он будет ускорен до максимума энергии.

До сих пор мы предполагали, что направление движения заряженного частица перпендикулярна направлению магнитного поля. Если это В этом случае произойдет равномерное круговое движение. Если направление движения ион не перпендикулярен магнитному полю, это приведет к спиральному движению. Скорость заряженной частицы можно разложить на две составляющие: одну параллельно и один перпендикулярно магнитному полю.Магнитная сила действующее на частицу, будет определяться составляющей ее скорости перпендикулярно магнитному полю. Проекция движения частица на плоскости x-y (предполагается, что она перпендикулярна магнитному полю) будет круглым. Магнитное поле не повлияет на компонент движение параллельно полю, и эта составляющая скорости останется постоянный. Конечным результатом будет спиральное движение.

Заряженная частица, движущаяся в области с электрическим и магнитным полем, будет испытать общую силу равную

(31.32)

Эта сила называется силой Лоренца .

Рисунок 31.6. Заряженная частица движется в скрещенных E и B поля. Рассмотрим частный случай, когда электрическое поле перпендикулярно магнитному полю. Движение заряженной частицы в таком регион может быть достаточно сложным. Заряженная частица с положительным зарядом q и скорость v движется в этом поле (см. рисунок 31.6). Направление частица, показанная на рисунке 31.6 перпендикулярна как электрическому полю, так и магнитное поле. Электрическая сила, действующая на частицу, направлена вдоль направления электрического поля и имеет величину

(31,33)

Магнитная сила, действующая на заряженную частицу, направлена ​​перпендикулярно к и v, и B, и имеет величину

(31,34)

Суммарная сила, действующая на частицу, складывается из этих двух компонентов и имеет величина, равная

(31.35)

Если заряженная частица имеет скорость, равную

(31,36)

тогда результирующая сила будет равна нулю, и движение частицы будет быть равномерным линейным движением. Устройство со скрещенными электрическим и магнитным полями называется селектором скорости. Если прорезь размещена в соответствующем положения, он будет переносить только те частицы, скорость которых определена по величине электрического и магнитного полей.

Рисунок 31.7. Ток в магнитном поле. Метод, используемый для определения плотности и знака заряда. носителей в металле основывается на силах, действующих на скрещенные поля E и B на носители заряда. На схеме, показанной на рисунке 31.7, показана металлическая полоса. проводящий ток в указанном направлении и помещенный в однородный магнитный поле с направлением магнитного поля перпендикулярно электрическое поле (которое генерирует ток I). Предположим, что носители заряда в материал - электроны, то электроны будут двигаться в направлении противоположный току (см. рисунок 31.7). Поскольку магнитное поле перпендикулярно электрическому полю, оно также перпендикулярно направлению движения электронов. В результате действия магнитной силы электроны отклоняются вниз, и на низ полоски. В то же время дефицит отрицательного заряда будет создаваться в верхней части полосы. Это распределение заряда будет генерировать электрическое поле, перпендикулярное внешнему электрическому полю и под действием В условиях равновесия электрическая сила, создаваемая этим полем, уравновесит магнитная сила, действующая на электроны.Когда это происходит, внутренний электрическое поле, E в , равно произведению электрона скорость v d и напряженность магнитного поля B. результатом внутреннего электрического поля будет создана разность потенциалов между верхом и низом полосы. Если металлическая полоса имеет ширину w, тогда разность потенциалов [Delta] V будет равна

(31,37)

Этот эффект называется эффектом Холла.

Скорость дрейфа электронов зависит от тока I в проводе, его площадь поперечного сечения A и плотность электронов n (см. главу 28):

(31,38)

Комбинируя уравнение (31.38) и уравнение (31.37), получаем следующее выражение для [Дельта] V

(31,39)

Следовательно, для определения n можно использовать измерение [Delta] V.

Ток I, протекающий по проводу, эквивалентен накоплению зарядов движется по проволоке с определенной скоростью v d .Количество заряд dq, присутствующий в отрезке dL провода, равен

(31,40)

Если провод помещен в магнитное поле, на него будет воздействовать магнитная сила. каждый из носителей заряда, и в результате сила будет действовать на провод. Предположим, угол между направлением тока и направлением поля равно [theta] (см. рисунок 31.8). Магнитная сила, действующая на отрезке dL провода равно

(31.41)

Полная сила, действующая на провод магнитным полем, может быть найдена как интегрируя уравнение (31.41) по всей проволоке.

Рисунок 31.8. Магнитная сила на проводе.

Пример: Задача 31.33

Весы можно использовать для измерения силы магнитного поля. Рассмотрим петлю из провода, по которой проходит точно известный ток, как показано на рисунке. 31.9, который частично погружен в магнитное поле. Сила, которую магнитное поле, действующее на петлю, можно измерить с помощью весов, и это позволяет рассчитать силу магнитного поля.Предположим, что длина короткой стороны петли 10,0 см, сила тока в проводе 0,225 A, а магнитная сила составляет 5,35 x 10 -2 Н. Какова сила магнитное поле?

Рассмотрим три сегмента токовой петли, показанные на рисунке 31.9, которые погруженный в магнитное поле. Магнитная сила, действующая на сегменты 1 и 3 имеют одинаковую величину, но направлены в противоположном направлении, и поэтому Отмена. Величина магнитной силы, действующей на сегмент 2, может быть рассчитывается с использованием ур.(31,41) и равно

(31,42)

Эта сила измеряется с помощью весов и равна 5,35 x 10 -2 . N. Таким образом, сила магнитного поля равна

. (31.43)

Рисунок 31.9. Токовая петля погружена в магнитное поле.

Если токовая петля погружена в магнитное поле, чистая магнитная сила будет быть равным нулю. Однако крутящий момент на этом контуре, как правило, не будет равно нулю.Предположим, прямоугольная токовая петля помещена в однородную магнитное поле (см. рисунок 31.10). Угол между нормалью тока петля и магнитное поле равно тета. Магнитные силы, действующие на верхняя и нижняя части токового контура равны

(31,44)

где L - длина верхнего и нижнего края. Крутящий момент, приложенный к токовая петля относительно ее оси равна

(31.45)

Рисунок 31.10. Токовая петля помещена в однородное магнитное поле. Используя определение магнитного дипольного момента u, обсуждаемое в главе 30 уравнение (31.45) можно переписать как

(31,46)

где

(31,47)

Используя векторные обозначения, уравнение (31.45) можно переписать как

(31,48)

где направление магнитного момента определяется с помощью правой правило.

Работа, которая должна выполняться против магнитного поля, чтобы вращать ток петля на угол d [theta] равна - [tau] d [theta]. Изменение в потенциальная энергия токового контура при его вращении между [theta] 0 и [theta] 1 равно

. (31,49)

Общий выбор для опорной точки [тета] 0 = 90deg. и U ([theta] 0 ) = 0 Дж. Если этот выбор сделан, мы можем переписать уравнение.(31,50) как

(31,50)

В векторной записи:

(31,51)

Потенциальная энергия токовой петли имеет минимум, когда u и B равны параллельно и максимум, когда u и B антипараллельны.


Отправляйте комментарии, вопросы и / или предложения по электронной почте на адрес [email protected] и / или посетите домашнюю страницу Фрэнка Вольфса.

9.1 Электрический ток - Университетская физика, Том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите электрический ток
  • Определите единицу измерения электрического тока
  • Объясните направление тока

До сих пор мы рассматривали в основном статические заряды. Когда заряды действительно двигались, они ускорялись в ответ на электрическое поле, создаваемое разностью напряжений. Заряды теряли потенциальную энергию и приобретали кинетическую энергию, когда они проходили через разность потенциалов, где электрическое поле действовало на заряд.

Хотя заряды не требуют прохождения материала, большая часть этой главы посвящена пониманию движения зарядов через материал. Скорость, с которой заряды проходят мимо места, то есть количество заряда в единицу времени, известна как электрический ток .Когда заряды протекают через среду, ток зависит от приложенного напряжения, материала, через который протекают заряды, и состояния материала. Особый интерес представляет движение зарядов в проводящем проводе. В предыдущих главах заряды ускорялись из-за силы, создаваемой электрическим полем, теряя потенциальную энергию и приобретая кинетическую энергию. В этой главе мы обсуждаем ситуацию силы, создаваемой электрическим полем в проводнике, когда заряды теряют кинетическую энергию в материале, достигая постоянной скорости, известной как « дрейфовая скорость ». Это аналогично тому, как объект, падающий через атмосферу, теряет кинетическую энергию в воздух, достигая постоянной конечной скорости.

Если вы когда-либо проходили курс по оказанию первой помощи или технике безопасности, вы, возможно, слышали, что в случае поражения электрическим током именно сила тока, а не напряжение, является важным фактором, влияющим на силу удара и количество ударов. повреждение человеческого тела. Ток измеряется в единицах, называемых амперами; Возможно, вы заметили, что автоматические выключатели в вашем доме и предохранители в автомобиле рассчитаны на токи (или амперы).Но что такое ампер и что он измеряет?

Определение тока и ампера

Электрический ток определяется как скорость, с которой течет заряд. При наличии большого тока, например, используемого для работы холодильника, большое количество заряда перемещается по проводу за небольшой промежуток времени. Если ток небольшой, например, при работе портативного калькулятора, небольшое количество заряда перемещается по цепи в течение длительного периода времени.

Электрический ток

Средний электрический ток I - это скорость протекания заряда,

Iave = ΔQΔt, Iave = ΔQΔt,

9.1

, где ΔQΔQ - количество чистого заряда, проходящего через заданную площадь поперечного сечения за время ΔtΔt (рисунок 9.2). Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А), названный в честь французского физика Андре-Мари Ампера (1775–1836). Поскольку I = ΔQΔtI = ΔQΔt, мы видим, что ампер определяется как один кулон заряда, проходящий через заданную область в секунду:

Мгновенный электрический ток, или просто электрический ток, является производной по времени протекающего заряда и определяется путем принятия предела среднего электрического тока как Δt → 0Δt → 0:

I = limΔt → 0ΔQΔt = dQdt.I = limΔt → 0ΔQΔt = dQdt.

9,3

Большинство электроприборов рассчитаны в амперах (или амперах), необходимых для правильной работы, как и предохранители и автоматические выключатели.

Рисунок 9.2. Скорость потока заряда - это ток. Ампер - это поток одного кулона заряда через область за одну секунду. Ток в один ампер будет результатом 6,25 × 10186,25 × 1018 электронов, протекающих через область A каждую секунду.

Пример 9.1

Расчет среднего тока
Основное назначение аккумулятора в легковом или грузовом автомобиле - запускать электрический стартер, который запускает двигатель.Для запуска двигателя требуется большой ток, подаваемый аккумулятором. Как только двигатель запускается, устройство, называемое генератором переменного тока, берет на себя подачу электроэнергии, необходимой для работы транспортного средства и зарядки аккумулятора.

(a) Какой средний ток возникает, когда аккумулятор грузового автомобиля приводит в движение 720 C заряда за 4,00 с при запуске двигателя? (б) Сколько времени требуется 1,00 C для зарядки аккумулятора?

Стратегия
Мы можем использовать определение среднего тока в уравнении I = ΔQΔtI = ΔQΔt, чтобы найти средний ток в части (а), поскольку даны заряд и время. Для части (b), зная средний ток, мы можем определить его I = ΔQΔtI = ΔQΔt, чтобы найти время, необходимое для того, чтобы заряд 1,00 C прошел от батареи.
Решение
а. Ввод данных значений заряда и времени в определение тока дает I = ΔQΔt = 720C 4,00 с = 180 ° C / с = 180 A. I = ΔQΔt = 720C 4,00 с = 180 ° C / с = 180 А.

г. Решение соотношения I = ΔQΔtI = ΔQΔt для времени ΔtΔt и ввод известных значений заряда и тока дает

Δt = ΔQI = 1,00 ° C180 ° C / с = 5,56 × 10−3s = 5,56 мс. Δt = ΔQI = 1,00 ° C180 ° C / с = 5.56 × 10–3 с = 5,56 мс.
Значение
а. Это большое значение тока иллюстрирует тот факт, что большой заряд перемещается за небольшой промежуток времени. Токи в этих «стартерных двигателях» довольно велики, чтобы преодолеть инерцию двигателя. б. Сильный ток требует короткого времени для подачи большого количества заряда. Этот большой ток необходим для подачи большого количества энергии, необходимой для запуска двигателя.

Пример 9.2

Расчет мгновенных токов
Рассмотрим заряд, движущийся через поперечное сечение провода, где заряд моделируется как Q (t) = QM (1 − e − t / τ) Q (t) = QM (1 − e − t / τ).Здесь QMQM - это заряд после длительного периода времени, когда время приближается к бесконечности, в кулонах, а ττ - это постоянная времени в секундах (см. Рисунок 9.3). Какой ток в проводе?

Рис. 9.3 График движения заряда по поперечному сечению провода во времени.

Стратегия
Ток через поперечное сечение можно найти из I = dQdtI = dQdt. Обратите внимание на рисунок, что заряд увеличивается до QMQM, а производная уменьшается, приближаясь к нулю с увеличением времени (рисунок 9.4).
Решение
Производную можно найти с помощью ddxeu = eududxddxeu = eududx. I = dQdt = ddt [QM (1 − e − t / τ)] = QMτe − t / τ.I = dQdt = ddt [QM (1 − e − t / τ)] = QMτe − t / τ.

Рис. 9.4 График изменения тока, протекающего по проводу, во времени.

Значение
Ток через провод, о котором идет речь, уменьшается экспоненциально, как показано на рисунке 9.4. В следующих главах будет показано, что ток, зависящий от времени, появляется, когда конденсатор заряжается или разряжается через резистор. Напомним, что конденсатор - это устройство, накапливающее заряд.Вы узнаете о резисторе в разделе «Модель проводимости в металлах».

Проверьте свое понимание 9.1

В портативных калькуляторах

часто используются небольшие солнечные элементы для обеспечения энергии, необходимой для выполнения расчетов, необходимых для выполнения следующего экзамена по физике. Ток, необходимый для работы вашего калькулятора, может составлять всего 0,30 мА. Сколько времени потребуется, чтобы заряд 1,00 C потек из солнечных элементов? Могут ли солнечные элементы использоваться вместо батарей для запуска традиционных двигателей внутреннего сгорания, которые в настоящее время используются в большинстве легковых и грузовых автомобилей?

Проверьте свое понимание 9. 2

Автоматические выключатели

в доме имеют номинал в амперах, обычно в диапазоне от 10 до 30 ампер, и используются для защиты жителей от повреждений, а их приборы - от повреждений из-за больших токов. Один автоматический выключатель на 15 А можно использовать для защиты нескольких розеток в гостиной, а один автоматический выключатель на 20 А можно использовать для защиты холодильника на кухне. Что вы можете сделать из этого о токе, используемом различными приборами?

Ток в цепи

В предыдущих параграфах мы определили ток как заряд, который проходит через площадь поперечного сечения в единицу времени.Для прохождения заряда через прибор, такой как фара, показанная на рисунке 9.5, должен быть полный путь (или цепь) от положительной клеммы к отрицательной. Рассмотрим простую схему автомобильного аккумулятора, выключателя, лампы фары и проводов, обеспечивающих ток между компонентами. Для того, чтобы лампа загорелась, должен быть полный путь прохождения тока. Другими словами, заряд должен иметь возможность покинуть положительную клемму батареи, пройти через компонент и вернуться к отрицательной клемме батареи.Переключатель предназначен для управления цепью. На части (а) рисунка показана простая схема автомобильного аккумулятора, выключателя, токопроводящей дорожки и лампы фары. Также показана схема цепи [часть (b)]. Схема - это графическое представление схемы, которое очень полезно для визуализации основных характеристик схемы. На схемах используются стандартные символы для обозначения компонентов в цепях и сплошные линии для обозначения проводов, соединяющих компоненты. Батарея показана в виде серии длинных и коротких линий, представляющих историческую гальваническую батарею.Лампа изображена в виде круга с петлей внутри, представляющей нить накаливания. Переключатель показан в виде двух точек с токопроводящей перемычкой для соединения этих двух точек, а провода, соединяющие компоненты, показаны сплошными линиями. Схема в части (c) показывает направление тока, когда переключатель замкнут.

Рис. 9.5 (a) Простая электрическая схема фары (лампы), аккумулятора и переключателя. Когда переключатель замкнут, непрерывный путь прохождения тока обеспечивается проводящими проводами, соединяющими нагрузку с клеммами батареи.(b) На этой схеме батарея представлена ​​параллельными линиями, которые напоминают пластины в оригинальной конструкции батареи. Более длинные линии указывают на положительную клемму. Проводящие провода показаны сплошными линиями. Переключатель показан в разомкнутом положении в виде двух клемм с линией, представляющей токопроводящую шину, которая может контактировать между двумя клеммами. Лампа представлена ​​в виде круга, охватывающего нить накаливания, как если бы это была лампа накаливания. (c) Когда переключатель замкнут, цепь замыкается, и ток течет от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи.

Когда переключатель замкнут на Рисунке 9.5 (c), существует полный путь для прохождения зарядов от положительной клеммы батареи через переключатель, затем через фару и обратно к отрицательной клемме батареи. Обратите внимание, что направление тока - от положительного к отрицательному. Направление обычного тока всегда представлено в направлении протекания положительного заряда от положительного вывода к отрицательному.

Обычный ток течет от положительного вывода к отрицательному, но в зависимости от реальной ситуации положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое могут перемещаться.В металлических проводах, например, ток переносится электронами, то есть движутся отрицательные заряды. В ионных растворах, таких как соленая вода, перемещаются как положительные, так и отрицательные заряды. То же самое и с нервными клетками. Генератор Ван де Граафа, используемый для ядерных исследований, может производить ток чисто положительных зарядов, таких как протоны. В ускорителе Тэватрон в Фермилабе, до его закрытия в 2011 году, сталкивались пучки протонов и антипротонов, движущихся в противоположных направлениях. Протоны положительны, и поэтому их ток направлен в том же направлении, в котором они движутся. Антипротоны заряжены отрицательно, и, следовательно, их ток идет в направлении, противоположном направлению движения реальных частиц.

Более пристальный взгляд на ток, протекающий по проводу, показан на рисунке 9.6. На рисунке показано движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток считается направленным в направлении движения положительного заряда, можно проследить до американского ученого и государственного деятеля Бенджамина Франклина 1700-х годов. Не зная о частицах, составляющих атом (а именно о протоне, электроне и нейтроне), Франклин полагал, что электрический ток течет от материала, который имеет больше «электрической жидкости», и к материалу, который имеет меньше этого «электрического флюида». электрическая жидкость.Он ввел термин положительный для материала, в котором больше этой электрической жидкости, и отрицательный для материала, в котором отсутствует электрическая жидкость. Он предположил, что ток будет течь от материала с большим количеством электрической жидкости - положительного материала - к отрицательному материалу, в котором меньше электрической жидкости. Франклин назвал это направление тока положительным током. Это было довольно продвинутое мышление для человека, который ничего не знал об атоме.

Рисунок 9.6 Ток I - это скорость, с которой заряд движется через область A , такую ​​как поперечное сечение провода. Обычный ток определяется движением в направлении электрического поля. (а) Положительные заряды движутся в направлении электрического поля, которое совпадает с направлением обычного тока. (б) Отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Обычный ток идет в направлении, противоположном движению отрицательного заряда. Поток электронов иногда называют электронным потоком.

Теперь мы знаем, что материал является положительным, если в нем больше протонов, чем электронов, и отрицательным, если в нем больше электронов, чем протонов. В проводящем металле ток в основном возникает из-за того, что электроны текут от отрицательного материала к положительному, но по историческим причинам мы рассматриваем положительный ток, и ток, как показано, течет от положительного вывода батареи к положительному. отрицательный терминал.

Важно понимать, что электрическое поле присутствует в проводниках и отвечает за производство тока (Рисунок 9.6). В предыдущих главах мы рассматривали случай статического электричества, когда заряды в проводнике быстро перераспределяются по поверхности проводника, чтобы нейтрализовать внешнее электрическое поле и восстановить равновесие. В случае электрической цепи заряды никогда не достигают равновесия с помощью внешнего источника электрического потенциала, такого как батарея. Энергия, необходимая для перемещения заряда, обеспечивается электрическим потенциалом от батареи.

Хотя электрическое поле отвечает за движение зарядов в проводнике, работа, совершаемая над зарядами электрическим полем, не увеличивает кинетическую энергию зарядов. Мы покажем, что электрическое поле отвечает за поддержание движения электрических зарядов с «дрейфовой скоростью».

Electric Current - The Physics Hypertextbook

Обсуждение

определения

текущий

Электрический ток определяется как скорость, с которой заряд протекает через поверхность (например, поперечное сечение провода). Несмотря на то, что оно относится ко многим различным вещам, слово ток часто используется само по себе вместо более длинного, более формального «электрического тока».Прилагательное «электрический» подразумевается контекстом описываемой ситуации. Фраза «ток через тостер», несомненно, относится к потоку электронов через нагревательный элемент, а не к потоку ломтиков хлеба через прорези.

Как и для всех величин, определяемых как скорость, есть два способа записать определение электрического тока - средний ток для тех, кто заявляет о незнании вычислений…

и мгновенный ток для тех, кто не боится вычислений…

I = д = dq
т дт

Единица измерения силы тока - ампер [А], названный в честь французского ученого Андре-Мари Ампера (1775–1836). В письменных языках без диакритических букв (а именно в английском) принято писать единицу измерения как ампер , а в неформальном общении сокращать это слово до ампер . У меня нет проблем с любым из этих вариантов написания. Только не используйте заглавную букву «А» в начале. Ампер относится к физику, а ампер (или ампер, или ампер) относится к единице.

Поскольку заряд измеряется в кулонах, а время - в секундах, ампер равняется кулону в секунду.



А = С

с

Элементарный заряд определяется как ровно…

e = 1,602176634 × 10 −19 C

Число элементарных зарядов в кулонах будет обратной величине этого числа - повторяющейся десятичной дроби с периодом 778 716 цифр. Я напишу первые 19 цифр, это максимум, что я могу написать (поскольку произвольных долей элементарного заряда не существует).

C ≈ 6,241,509,074,460,762,607 e

А потом напишу еще раз с более разумным количеством цифр, чтобы было легче читать.

C ≈ 6,2415 × 10 18 e

Ток в один ампер - это передача примерно 6,2415 × 10 18 элементарных зарядов в секунду. Для любителей случайностей это примерно десять микромолей.

плотность тока

Когда я визуализирую ток, я вижу, как все движется.Я вижу, как они движутся в определенном направлении. Я вижу вектор. Я вижу не то. Ток не является векторной величиной, несмотря на мою хорошо развитую научную интуицию. Ток - это скаляр. И причина в том ... потому что это так.

Но подождите, становится еще страннее. Отношение силы тока к площади для данной поверхности известно как плотность тока.

Единица измерения плотности тока - ампер на квадратный метр , не имеющая специального названия.



А = А

м 2 м 2

Несмотря на отношение двух скалярных величин, плотность тока является вектором. И причина в том, что это так.

Ну ... на самом деле, это потому, что плотность тока определяется как произведение плотности заряда и скорости для любого места в космосе ...

Дж = ρ v

Два уравнения эквивалентны по величине, как показано ниже.

Дж = ρ v
Дж = к DS = с dq = 1 я
В дт SA дт A
Дж = I
A

Есть еще кое-что, что нужно учесть.

I = JA = ρ v A

Читатели, знакомые с механикой жидкостей, могли бы узнать правую часть этого уравнения, если бы оно было написано немного иначе.

I = ρ Av

Это произведение является величиной, которая остается постоянной в уравнении неразрывности массы .

ρ 1 A 1 v 1 = ρ 2 A 2 v 2

Точно такое же выражение применяется к электрическому току с символом ρ, меняющим значение между контекстами.В механике жидкости ρ означает массовую плотность, а в электрическом токе - плотность заряда.

микроскопическое описание

Ток - это поток заряженных частиц. Это дискретные сущности, а значит, их можно сосчитать.

n = N / V

q = нкВ

V = Ad = Av t

I = д = nqAv т
т т

I = nqAv

Аналогичное выражение можно записать для плотности тока. Вывод начинается в скалярной форме, но в конечном выражении используются векторы.

Дж = нк v

твердых

Сравнение проводимости и валентных электронов, проводников и изоляторов

Дрейфовое движение, наложенное на тепловое движение

Увеличить

Мостовой текст.

Тепловая скорость электронов в проводе довольно высока и случайным образом изменяется из-за столкновений атомов.Поскольку изменения хаотичны, средняя скорость равна нулю.

Когда провод помещается в электрическое поле, свободные электроны равномерно ускоряются в промежутках между столкновениями. Эти периоды ускорения поднимают среднюю скорость выше нуля. (Эффект на этой диаграмме сильно преувеличен.)

тепловая скорость электрона в меди при комнатной температуре (классическое приближение)…

v rms = √ 3 (1. 38 × 10 −23 Дж / К) (300 К)
(9,11 × 10 −31 кг)
v rms 100 км / с

Ферми скорость электрона в меди (квантовая величина)…

v fermi = √ 2 E Ферми
м e
v fermi = √ 2 (7.00 эВ) (1,60 × 10 −19 Дж / эВ)
(9,11 × 10 −31 кг)
v fermi 1500 км / с

Скорость дрейфа электрона на 10 м медного провода, подключенного к автомобильному аккумулятору 12 В при комнатной температуре (среднее время свободного пробега между столкновениями при комнатной температуре τ = 3 × 10 −14 с)…

v смещение = 1 v = 1 а τ = 1 Ф τ = 1 eE τ
2 2 2 м e 2 м e
v смещение = (1. 60 × 10 −19 C) (12 В) (3 × 10 −14 с)
2 (10 м) (9,11 × 10 −31 кг)
v смещение 3 мм / с

Тепловая скорость на несколько порядков превышает скорость дрейфа в типичной проволоке. Время на прохождение круга - около часа.

жидкости

ионы, электролиты

газы

ионов, плазма

  • 14:02 - Линии электропередачи разъединяются на юго-западе Огайо
    4. Стюарт - Атланта 345 кВ
    Эта линия является частью пути передачи из юго-западного Огайо в северный Огайо. Он отключился от системы из-за возгорания кисти под частью линии. Горячие газы от пожара могут ионизировать воздух над линией электропередачи, заставляя воздух проводить электричество и замыкать проводники.
    Источник

исторический

Французский физик и математик XIX века Андре-Мари Ампер выбрал символ I для обозначения силы тока.

Увеличить
Pour exprimer en nombre l'intensité d'un courant quelconque, on Concevra qu'on ait choisi un autre courant арбитраж для terme de compare…. Désignant donc par i et i ' les rapports destensites de deux courant donnés à l'intensité du courant pris pour unite…. Чтобы выразить силу тока в виде числа, предположим, что для сравнения выбран другой произвольный ток…. Воспользуемся я и я ' для соотношения интенсивностей двух заданных токов интенсивности опорного тока, принятым в качестве единицы . ...
Андре-Мари Ампер, 1826 Андре-Мари Ампер, 1826 г. (платная ссылка)

Термин «интенсивность» теперь не имеет никакого отношения к физике. Ток - это скорость, с которой заряд протекает через поверхность любого размера - например, клеммы батареи или штыри электрической вилки. Интенсивность - это средняя мощность на единицу площади, передаваемая некоторыми лучистыми явлениями, такими как звук оживленного шоссе, свет Солнца или частицы брызг, испускаемые радиоактивным источником.Ток и интенсивность теперь - разные величины с разными единицами измерения и разным использованием, поэтому (конечно) они используют одинаковые символы.

текущий интенсивность
I = д

А = С

т с
I = P

Вт

A м 2

Начало стола

  • 12000 А ток через магниты LHC в ЦЕРН

Правило правой руки для токонесущего провода

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или больше ваших авторских прав, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее то информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту. Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, он предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении может быть направлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатов), если вы искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса - изображению, ссылке, тексту и т. д. - относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; и Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

8.4 Магнитная сила на проводнике с током - Введение в электричество, магнетизм и схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:
  • Определите направление, в котором токоведущий провод испытывает силу во внешнем магнитном поле
  • Вычислить силу, действующую на токоведущий провод во внешнем магнитном поле

Движущиеся заряды испытывают силу в магнитном поле. Если эти движущиеся заряды находятся в проводе, т. Е. 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 рядом 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 стрелки 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 8.4.1). Если магнитное поле попадало на вас или выходило за пределы страницы, мы отмечаем это точкой. Если магнитное поле попадало на страницу, мы обозначаем это знаком. Эти символы появляются из рассмотрения векторной стрелки: стрелка, направленная на вас, с вашей точки зрения будет выглядеть как точка или кончик стрелки. Стрелка, направленная от вас, с вашей точки зрения будет выглядеть как крест или крестик. Составной эскиз магнитных кругов показан на рис. 8.4.1, где показано, что напряженность поля уменьшается по мере удаления от провода петлями, которые расположены дальше друг от друга.

(рисунок 8.4.1)

Рисунок 8.4.1 (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 рисунке 8.4.2. Длина и площадь поперечного сечения секции равны дл и A соответственно, поэтому ее объем равен. Проволока сформирована из материала, который содержит носители заряда в единице объема, поэтому количество носителей заряда в секции составляет. Если носители заряда движутся с дрейфовой скоростью, ток в проводе будет (от тока и сопротивления)

.

Магнитная сила на любом отдельном носителе заряда равна, поэтому общая магнитная сила на носителях заряда в сечении провода составляет

(8. 4.1)

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

(8.4.2)

или

(8.4.3)

Это сила магнитного поля на отрезке провода. Обратите внимание, что на самом деле это суммарная 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.

(рисунок 8.4.2)

Рисунок 8.4.2. Бесконечно малое сечение токоведущего провода в магнитном поле.

Чтобы определить магнитную силу на проводе произвольной длины и формы, мы должны проинтегрировать 8.4.3 по всему проводу. Если сечение провода прямое, а B однородный, дифференциалы уравнения становятся абсолютными величинами, давая нам

(8.4.4)

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

ПРИМЕР 8.

4.1
Уравновешивание гравитационных и магнитных сил на проводе с током

Провод определенной длины и массы подвешен в горизонтальной плоскости с помощью пары гибких проводов (рисунок 8.4.3). Затем на проволоку воздействуют постоянным магнитным полем, которое направлено, как показано. Каковы величина и направление тока в проводе, необходимые для снятия напряжения в опорных выводах?

(рисунок 8.4.3)

Рисунок 8.4.3 (a) Проволока, подвешенная в магнитном поле. (б) Схема свободного тела для проволоки.
Стратегия

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

Решение

Приравняйте две силы веса и магнитной силы к проводу:

Таким образом,

Значение

Это большое магнитное поле создает значительную силу на длине провода, чтобы противодействовать весу провода.

ПРИМЕР 8.4.2


Расчет магнитной силы на токоведущем проводе

Длинный жесткий провод, лежащий вдоль оси, переносит ток, текущий в положительном направлении. а) Если постоянное магнитное поле величины направлено вдоль положительной оси, какова магнитная сила на единицу длины на проводе? (b) Если постоянное магнитное поле направлено в градусах от оси к оси, какова магнитная сила на единицу длины на проводе?

Стратегия

Магнитная сила, действующая на провод с током в магнитном поле, равна.Что касается части а, поскольку ток и магнитное поле в этой задаче перпендикулярны, мы можем упростить формулу, чтобы дать нам величину и найти направление через RHR-1. Угол равен градусам, что означает. 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 векторного произведения направленность очевидна по результирующему единичному вектору.

Решение

а. 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 тоже ставим. Следовательно, решение -

Направленность: укажите пальцами в положительном направлении и согните пальцы в положительном направлении. Ваш большой палец укажет в направлении. Следовательно, с учетом направленности решение равно

г.Текущее значение, умноженное на длину, и магнитное поле записываются в виде единичного вектора. Затем возьмем векторное 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 ПОНИМАНИЕ 8.3


Прямой гибкий медный провод погружается в магнитное поле, направленное внутрь страницы. (а) Если ток в проводе течет в нужном направлении, в какую сторону изгибается провод? (б) В какую сторону изгибается провод, если ток течет в том же направлении?

ПРИМЕР 8.4.3


Сила на круговой провод

Круглая токовая петля радиуса, по которой течет ток, расположена в плоскости. Постоянное однородное магнитное поле прорезает петлю параллельно оси (рисунок 8.4.4). Найдите магнитную силу на верхней половине петли, нижней половине петли и общую силу на петле.

(рисунок 8.4.4)

Рисунок 8.4.4 Петля из провода, 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 проинтегрируем каждую дифференциальную деталь, мы найдем общую силу на этом участке петли. Сила, действующая на нижнюю петлю, определяется аналогичным образом, а общая сила складывается из этих двух сил.

Решение

Дифференциальное усилие на произвольном отрезке проволоки, расположенном на верхнем кольце, составляет:

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

Чтобы найти силу на сегменте, мы проинтегрируем по верхней половине круга от 0 до. Это приводит к:

Нижняя половина цикла интегрирована от нуля до 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 в системе равна нулю. (Обратите внимание, что на петле есть чистый крутящий момент, который мы рассмотрим в следующем разделе.)

Кандела Цитаты

Лицензионный контент CC, конкретная атрибуция

  • Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/[email protected] Получено из : http://cnx.org/contents/[email protected] 1. Лицензия : CC BY: Attribution

5.8 Магнитные поля, создаваемые токами: закон Ампера

Магнитное поле, создаваемое токопроводящим соленоидом

Соленоид - это длинная катушка с проводом (с большим количеством витков или петель, в отличие от плоской петли). Из-за своей формы поле внутри соленоида может быть как очень однородным, так и очень сильным.Поле сразу за катушками почти равно нулю. На рис. 5.33 показано, как поле выглядит и как его направление задает RHR-2.

Рис. 5.33 (a) Из-за своей формы поле внутри соленоида длиной 11 размера 12 {l} {} удивительно однородно по величине и направлению, на что указывают прямые и равномерно разнесенные силовые линии. Поле вне катушек почти равно нулю. (b) Этот разрез показывает магнитное поле, создаваемое током в соленоиде.

Магнитное поле внутри соленоида с током очень однородно по направлению и величине.Только около концов он начинает ослабевать и менять направление. Поле снаружи имеет те же сложности, что и плоские петли и стержневые магниты, но напряженность магнитного поля внутри соленоида просто равна

. 5.27 B = μ0nI (внутри соленоида), B = μ0nI (внутри соленоида), размер 12 {B = μ rSub {size 8 {0}} ital "nI" `\ (" внутри соленоида "\),} { }

, где nn размер 12 {n} {} - количество петель на единицу длины соленоида (n = N / l, (n = N / l, размер 12 {\ (n = N / l} {} с NN размер 12 {N} {} - количество петель, а размер 12 {l} {} - длина).Обратите внимание, что BB размер 12 {B} {} - это напряженность поля в любом месте однородной области интерьера, а не только в центре. Как следует из примера 5.7, с соленоидами возможны большие однородные поля, распределенные по большому объему.

Пример 5.7 Расчет напряженности поля внутри соленоида

Что такое поле внутри соленоида длиной 2,00 м, имеющего 2000 петель и пропускающего ток 1600 А?

Стратегия

Чтобы найти напряженность поля внутри соленоида, мы используем B = μ0nI. B = μ0nI.size 12 {B = μ rSub {size 8 {0}} ital "nI"} {} Во-первых, отметим, что количество петель на единицу длины составляет

5,28 n = Nl = 2,0002,00 м = 1000 м-1 = 10 см-1, n = Nl = 2,0002,00 м = 1,000 м-1 = 10 см-1. размер 12 {n rSup {размер 8 {- 1}} = {{N} больше {l}} = {{"2000"} больше {2 "." "00" m}} = "1000" "m" rSup {size 8 {- 1}} = "10" "cm" rSup {size 8 {- 1}} "." } {}

Решение

Подстановка известных значений дает

5.29 B = μ0nI = 4π × 10−7T⋅m / A1,000m − 11600 A = 2,01 T.B = μ0nI = 4π × 10−7T⋅m / A1000m − 11,600 A = 2.01 Т.

Обсуждение

Это большая напряженность поля, которая может быть установлена ​​над соленоидом большого диаметра, например, при использовании в медицине магнитно-резонансной томографии (МРТ). Однако очень большой ток указывает на то, что поля такой силы нелегко получить. Такой большой ток через 1000 петель, сжатых до метра длины, вызовет значительный нагрев. Более высокие токи могут быть достигнуты с помощью сверхпроводящих проводов, хотя это дорого. У тока есть верхний предел, потому что сверхпроводящее состояние нарушается очень сильными магнитными полями.

Применение научных практик: заряженные частицы в магнитном поле

Зайдите сюда и запустите апплет моделирования «Частица в магнитном поле (2D)», чтобы исследовать магнитную силу, которая действует на заряженную частицу в магнитном поле. Поэкспериментируйте с симуляцией, чтобы увидеть, как она работает и какие параметры вы можете изменить; затем составьте план методического исследования того, как магнитные поля влияют на заряженные частицы.Вот некоторые вопросы, на которые вы, возможно, захотите ответить в ходе эксперимента:

  • Всегда ли пути заряженных частиц в магнитных полях одинаковы в двух измерениях? Почему или почему нет?
  • Как можно сравнить путь нейтральной частицы в магнитном поле с путем заряженной частицы?
  • Чем путь положительной частицы отличался бы от пути отрицательной частицы в магнитном поле?
  • Какие величины определяют свойства пути частицы?
  • Если бы вы пытались измерить массу заряженной частицы, движущейся в магнитном поле, что бы вам нужно было измерить относительно ее пути? Вам нужно было бы увидеть, как он движется с разными скоростями или через разную напряженность поля, или было бы достаточно одной попытки, если бы ваши измерения были правильными?
  • Может ли удвоение заряда изменить путь через поле? Предскажите ответ на этот вопрос, а затем проверьте свою гипотезу.
  • Изменит ли удвоение скорости путь через поле? Предскажите ответ на этот вопрос, а затем проверьте свою гипотезу.
  • Изменит ли удвоение напряженности магнитного поля путь через поле? Предскажите ответ на этот вопрос, а затем проверьте свою гипотезу.
  • Может ли увеличение массы изменить путь? Предскажите ответ на этот вопрос, а затем проверьте свою гипотезу.

Есть интересные варианты плоской катушки и соленоида.Например, тороидальная катушка, используемая для удержания реактивных частиц в токамаках, очень похожа на соленоид, изогнутый в круг. Поле внутри тороида очень сильное, но круглое. Заряженные частицы движутся по кругу, следуя силовым линиям, и сталкиваются друг с другом, возможно, вызывая синтез. Но заряженные частицы не пересекают силовые линии и не покидают тороид. Целый ряд форм катушек используется для создания всевозможных форм магнитного поля. Добавление ферромагнитных материалов создает большую напряженность поля и может существенно повлиять на форму поля. Ферромагнитные материалы имеют тенденцию улавливать магнитные поля (силовые линии изгибаются в ферромагнитный материал, оставляя более слабые поля за его пределами) и используются в качестве экранов для устройств, на которые неблагоприятно влияют магнитные поля, в том числе магнитное поле Земли.

Когда я щелкаю выключателем, свет включается очень быстро. С какой скоростью течет электричество по проводу? | Ребята из науки

Когда я щелкаю выключателем, свет включается очень быстро. С какой скоростью течет электричество по проводу?

Ноябрь 2001 г.

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно взглянуть на саму материю на самом базовом уровне.Материя состоит из небольших единиц, называемых атомами. На этом атомном уровне материя обладает двумя основными характеристиками. Материя имеет массу и может иметь электрический заряд, положительный или отрицательный, или может быть нейтральным без заряда. Каждый атом содержит три типа частиц с разными характеристиками; положительные протоны, нейтральные нейтроны и отрицательные электроны.

Электрический ток (электричество) - это поток или движение электрического заряда. Электричество, проводимое в вашем доме по медным проводам, состоит из движущихся электронов.Протоны и нейтроны атомов меди не движутся. Фактическое продвижение отдельных электронов в заданном направлении через проволоку довольно медленное. Электроны должны пройти через миллиарды атомов в проводе, а это занимает значительное время. В случае медного провода калибра 12, по которому проходит ток 10 ампер (типичный для домашней электропроводки), отдельные электроны перемещаются только примерно на 0,02 см в секунду или 1,2 дюйма в минуту (в науке это называется скоростью дрейфа электронов.). Если такова природа, почему свет загорается так быстро? На такой скорости электронам потребовались бы часы, чтобы добраться до огней.

Атомы очень крошечные, менее миллиардной метра в диаметре. Проволока «заполнена» атомами и свободными электронами, и электроны движутся между атомами. В типичном медном проводе каждую секунду будут проходить триллионы электронов через любую заданную точку провода, но они будут проходить через эту точку очень медленно. Подумайте о проволоке в сравнении с трубкой, полной шариков.Если мы протолкнем другой шарик в заполненную трубу, то один шарик должен будет выйти из другого конца. Электроны как в проволоке. Если кто-то двигается, они все должны двигаться. Таким образом, когда вы включаете переключатель, разность электрических потенциалов (созданная генератором) немедленно вызывает силу, которая пытается переместить электроны. Если вы заставляете двигаться один электрон при включении переключателя, электроны по всей проволоке перемещаются, даже если длина проволоки составляет много миль. Поэтому, когда вы включаете выключатель, электроны в свете начинают двигаться «мгновенно», насколько нам известно, т.е.е. что-то начинает происходить во всей электрической системе. Хотя на самом деле электроны движутся по проводу медленно, мы говорим, что скорость электричества близка к скорости света (очень быстро). На самом деле мы имеем в виду, что воздействие электричества происходит «мгновенно». Свет загорается в тот момент, когда вы щелкаете выключателем.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *