Как в реальности протекает электрический ток?
Существование современного мира невозможно представить без электрического тока. Он обеспечивает функционирование огромного множества устройств и электроприборов, а также целых систем. Понятие «электрический ток» помогает провести аналогию между этим явлением и протеканием жидкости, что придает данному термину некоторую наглядность.
Электрический ток протекает благодаря тому, что электромагнитное поле движется вдоль проводящей среды со скоростью, примерно равной скорости света. Данное движение идет в направлении от большего потенциала к меньшему, то есть от «+» к «-». Одновременно с этим носители зарядов перемещаются с чуть медленнее и в разных направлениях (в зависимости от материала).
Какие бывают носители зарядов?
Существуют два вида носителей зарядов – отрицательные и положительные. Заряд со знаком «минус» может иметь ионы и электроны, а положительный заряд в основном имеют только ионы. Отрицательные заряды перемещаются в направлении большему потенциала, а положительные – наоборот. Это движение и приводит к появлению электрического тока.
Данная неопределенность устранена в общепринятом правиле, которое гласит, что ток всегда протекает от «+» к «-», вне зависимости от типа зарядов.
Как заряды движутся в металлах?
Почти все металлы, применяемые в электротехнике, не содержат ионов, поскольку пребывают в твердом состоянии.
Для них свойственна проводимость электронного типа. Это означает, что свободные электроны, выступающие в роли носителей зарядов, движутся в направлении, обратном току.
Металлы обладают относительно низким электрическим сопротивлением. Если разность потенциалов отсутствует, электрическое поле срывает электроны со своих орбит. По этой причине при небольшой разности потенциалов возникает значимое количество носителей зарядов.
Как заряды движутся в полупроводниках?
Полупроводники имеют гораздо более низкую проводимость, чем металлы (в условиях комнатной температуры). Существуют полупроводники двух типов – n и p. Полупроводники первого типа содержат избыток электронов. Когда они переходят к p-типу, возникает их недостаток. Остальные электроны без особых трудностей перемещаются по своим возможным местам внутри атома. Это равноценно движению зарядов со знаком «+».
Поскольку в полупроводниках электроны слабо связаны с атомами, при повышении температуры изменяется количество несвязанных электронов, и проводимость полупроводника быстро возрастает.
Вывод: в полупроводниках заряды могут двигаться в направлении протекания тока или же в противоположном направлении (p- и n-тип соответственно).
Как заряды движутся в газах и жидкостях?
В жидкостях и газах носителями зарядов выступают ионы, которые бывают отрицательными (так называемые катионы) и положительными (анионы). Если количество катионов больше, они движутся обратно направлению тока. Если же преобладают анионы, их движение совпадает с направлением тока.
Читаем схему от минуса к плюсу
Добрый день. Я разработчик ПО и начал изучать электронику. Я хочу написать свою книгу о том что я узнаю в электронике и как создать эмулятор и построить устройство. Я прочитал первые страницы «Art of electronics» и сразу же приступил к написанию эмулятора. Но я вычисления производил от плюса к минусу. Потом вспомнил что по-настоящему ток течет от минуса к плюсу. Я начал расследовать и домысливать как это работает. Понял что у заряда есть поле. В общем если вам интересно, добро пожаловать.
Сначала я расскажу как же все таки можно вычислить общее напряжение в цепи. Вот пример картинки.
Ток пока не знает сколько перед ним резисторов и поэтому происходит мощный импульс, он каждый раз разный в зависимости от числа элементов на схеме. Что мы делаем дальше.
Ещё раз говорю, это мои размышления о том как работает ток и как можно сделать эмулятор правильно. Я так понял, что отрицательный заряд это количество электронов в отрицательном поле заряда находится. и в данном случае так как в отрицательном поле находится больше или равно числу отрицательного источника вольт, то заряд по закону магнетизма отталкивается и идет до первого резистора (к примеру на нашей схеме). Далее так как он не знает что ещё есть преграды, то он просто идет дальше, и поэтому для него не существует преград вообще. в конце концов он достигает конца и заряд из-за давления проталкивает из положительного поля в отрицательное и притягивается к плюсу. Может я что-то не так говорю, но что показывает нам математика? Если я прав, то вообще круто. Вот цифры.
Что мы делаем в начале, сначала нам надо разделить наши вольты на каждый элемент в схеме.
1.72 / 1.7 = 1.011764706
1.72 / 1.21 = 1.421487603
складываем их и получаем начальное общее напряжение в цепи.
1.011764706 + 1.421487603 = 2.433252309
Теперь так как мы знаем общее начальное напряжение в цепи, то значит знаем сколько ом в каждом резисторе.
1.7 + 1.21 = 2.91
Теперь нам надо умножить общее напряжение на общее сопротивление.
2.433252309 * 2.91 = 7.080764219
Тем самым мы получили, как я думаю это вольтаж при первом проходе.
Теперь мы можем узнать во сколько раз увеличилось ток в вольтах.
7.080764219 / 1.72 = 4.116723383
Вот это увеличение и есть наша главная цифра. Теперь зная ещё мы можем узнать общее напряжение в цепи. Берем наше старое общее значение напряжения и делим его на 4.116723383
2.433252309 / 4.116723383 = 0.591065292
0.591065292 — это общее напряжение в цепи.
Давайте другой пример.
Я добавил новый резистор 2.52
Считаем.
1.26 / 1.7 = 0.741176471
1.26 / 1.21 = 1.041322314
1.26 / 2.52 = 0.5
0.741176471 + 1.041322314 + 0.5 = 2.282498785
узнали общее напряжение = 2.282498785.
Узнаем вольтаж проходимый через всё это.
2.282498785 * (1.7 + 1.21 + 2.52) = 12.393968403
Теперь знаем настоящий вольтаж = 12.393968403.
Теперь получим усиление от первоначального источника.
12.393968403 / 1.26 = 9.83648286
Зная усиление мы можем найти дальнейшее общее напряжение.
2.282498785 / 9.83648286 = 0.232044199
То есть оно как, то сглаживается. Вот можно по картинке увидеть что значения верны.
Может быть я не совсем правильно что-то рассказываю, я всё еще логически не могу понять как заряд между резисторами, если у него всё в положительном поле находятся все электроны, всё ещё двигается по направлению к плюсу. Но мне нравиться разбираться в этом, электроника это интересно.
Я обновляю статью, забыл написать прохождение теперь дальше, чтобы узнать сколько вольт там и там.
Вот заряд движется от минуса к первому резистору. Вычисляем сколько вольт перейдет в положительный полюс у заряда.
1.7 * 0.232 = 0.3944
Далее считаем сколько вольт перейдет после 1.21
0.232 * 1.21 = 0.28072
280.72 это то что перешло в положительный полюс заряда. теперь складываем все что есть в положительном полюсе.
0.3944 + 0.28072 = 0.67512
И высчитываем далее и так мы узнаем что ближе к концу будет полный заряд в положительном поле.
Направление электрического тока
Электрический ток — это направленное (упорядоченное, то есть не хаотичное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Под заряженными частицами, обычно, подразумеваются электроны или ионы, а под макроскопическими (macroscopic — видимые невооруженным глазом) — крупные частицы, например, заряженные капли дождя. Ток возникает при наличии электрического поля. Разберемся с тем как определяется направление электрического тока.
Электрический ток в разных веществах
Электрический ток возникает в самых разных веществах, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях. Рассмотрим некоторые примеры, демонстрирующие возникновение направленного потока заряженных частиц в твердых, жидких и газообразных средах:
- В металлах имеется много свободных электронов, которые являются главным источником тока;
- Электролиты — это жидкости, проводящие электрический ток. Водные растворы кислот, щелочей, солей — все это примеры электролитов. Попадая в воду молекулы этих веществ распадаются на ионы, представляющие собой заряженные атомы или группы атомов, имеющие положительный (катионы) или отрицательный (анионы) электрические заряды. Катионы и анионы образуют электрический ток в электролитах;
- В газах и плазме ток создается за счет движения электронов и положительно заряженных ионов;
- В вакууме — за счет электронов, вылетающих с поверхности металлических электродов.
В приведенных примерах токи возникают в результате движения заряженных частиц относительно той или иной среды (внутри тел). Такой ток называется током проводимости. Движение макроскопических заряженных тел называется конвекционным током. Примером конвекционного тока могут служить капли дождя во время разряда молнии.
В каком направлении течет ток
За направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц; если же ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считается противоположным направлению движения частиц.
Возникает вопрос: почему не был принят очевидный вариант направления, совпадающий с направлением движения электронов? Для того, чтобы это стало понятно, надо немного окунуться в историю физики.
Почему надо знать историю физических открытий
Природу электрических явлений пытались объяснить многие исследователи задолго до открытия электрона (1897 г.). Впервые к пониманию о существовании двух типов зарядов — положительных и отрицательных пришел американский физик Бенджамин Франклин в 1747 г. На основе своих наблюдений он предположил (выдвинул гипотезу), что существует некая “электрическая материя”, состоящая из мелких, невидимых частиц. Он же первым ввел обозначение для электрических зарядов “−” и “+”. Франклин предложил считать, что если тело наполняется электрической материей, то оно заряжается положительно, а если оно теряет электричество, то заряжается отрицательно. В случае замыкания (соединения) цепи положительный заряд потечет туда, где его нет, то есть к “минусу”. Эта плодотворная гипотеза стала популярной, получила свое признание среди ученых, вошла в справочники и учебные пособия.
Конечно, после открытия отрицательно заряженного электрона, эта “нестыковка” реального направления движения с ранее общепринятым была обнаружена. Однако, мировым научным сообществом было принято решение оставить в силе предыдущую формулировку о направлении тока, поскольку в большинстве практических случаев это ни на что не влияет.
В случае необходимости, для объяснения отдельных физических эффектов в полупроводниках и искусственных материалах (гетероструктурах), принимается во внимание настоящее направление движения электронов.
Бенджамин Франклин знаменит еще как выдающийся политический деятель, дипломат и писатель. Он является одним из авторов конституции США. В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что направление тока в электрической цепи соответствует направлению движения положительных зарядов, то есть от плюсового потенциала (плюса) к минусовому потенциалу (минусу). Несмотря на то, что чаще всего электрический ток создается отрицательно заряженными электронами, выбор направления тока было решено оставить именно таким. Так сложилось исторически.
Почему принято считать, что электрический ток движется от положительного заряда к отрицательному?
старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.
Достоверно известно, что электрический ток — это направленное движение электронов или, в некоторых случаях, положительных или отрицательных ионов. Электричество как таковое также связано с понятием ЭДС, то есть для тока в проводнике нужна разность потенциалов. Тогда направление движения тока при движении электронов и отрицательно заряженных ионов будет от отрицательного полюса к положительному, так как одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Движение же положительных ионов будет связано с движением обратным по направлению. Почему тогда официально считается, что ток идет всегда от плюса к минусу и такое же направление указывается на электрических схемах?! Преподаватели физики мне отвечали, что так сложилось исторически, но ведь в двух случаях из трех это ошибка. Так тогда как понимать?
Дело в том, что электрический ток стали изучать задолго до того, как разобрались с его «переносчиками». Наверное, первые систематические опыты с ним можно датировать 1801 годом, когда итальянский учёный Алессандро Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную. Так возникла первая батарея — Вольтов столб, хотя, безусловно, электрические явления не были в тот период новостью. Например, в то же время Бруньятелли осуществил посеребрение, оцинкование и омеднение электродов. Позже последовали опыты Эрстеда, Ампера, Ома, Фарадея и множества других исследователей. В 1861-1862 годах английский физик Джеймс Кларк Максвелл опубликовал свои труды, которые привели к возникновению четырёх уравнений Максвелла — своеобразное обобщение всех классических электрических и магнитных явлений. Исследования об электричестве и магнетизме стали единой классической электродинамикой. То есть на тот момент людям уже пришлось договориться о единых понятиях направления тока, но что именно выступает в проводниках в качестве переносчика зарядов, тогда известно не было.
Электроны в чистом виде были выделены только в 1869 году немецким исследователем Иоганном Вильгельом Гитторфом, когда он впервые наблюдал катодные лучи — потоки электронов, испускаемых катодом. Они используются в старых телевизорах, осциллографах, радиолампах и электронных микроскопах. Это случилось уже позже формирования уравнений Максвелла, кроме того, на осознание, что именно такое катодные лучи, то есть на собственно открытие электрона ушло ещё 28 лет, пока этим вопрос вплотную не занялся английский физик Джозеф Джон Томсон.
