Каким не может быть направление тока в проводнике: Направление тока и направление линий его магнитного поля

Содержание

Закон электромагнитной индукции — формулы, определение, примеры

Покажем, как применять знание физики в жизни

Начать учиться

Электромагнитная индукция — очень сложная штука. Поэтому будем разбираться в ней на обручах и бабулях.

Магнитный поток

Прежде, чем разобраться с тем, что такое электромагнитная индукция, нужно определить такую сущность, как магнитный поток.

Представьте, что вы взяли обруч в руки и вышли на улицу в ливень. Чем сильнее ливень, тем больше через этот обруч пройдет воды — поток воды больше.

Если обруч расположен горизонтально, то через него пройдет много воды. А если начать его поворачивать — уже меньше, потому что он расположен не под прямым углом к вертикали.

Теперь давайте поставим обруч вертикально — ни одной капли не пройдет сквозь него (если ветер не подует, конечно). 2]

n — вектор нормали (перпендикуляр к поверхности) [-]

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла α магнитный поток может быть положительным (α < 90°) или отрицательным (α > 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0. Это зависит от величины косинуса угла.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура, магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции.

Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.

При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.

Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.

Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки

Вот, что показали эти опыты:

Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.

Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Почему возникает индукционный ток?

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС.

Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Математически его можно описать формулой:

Закон Фарадея

Ɛi — ЭДС индукции [В]

ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из N витков (то есть он — катушка), то ЭДС индукции будет вычисляться следующим образом.

Закон Фарадея для контура из N витков

Ɛi — ЭДС индукции [В]

ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]

N — количество витков [-]

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением R:

Закон Ома для проводящего контура

Ɛi — ЭДС индукции [В]

I — сила индукционного тока [А]

R — сопротивление контура [Ом]

Если проводник длиной l будет двигаться со скоростью v в постоянном однородном магнитном поле с индукцией B ЭДС электромагнитной индукции равна:

ЭДС индукции для движущегося проводника

Ɛi — ЭДС индукции [В]

B — магнитная индукция [Тл]

v — скорость проводника [м/с]

l — длина проводника [м]

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле
вследствие изменения во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца
в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Правило Ленца

Чтобы определить направление индукционного тока, нужно воспользоваться правилом Ленца.

Академически это правило звучит следующим образом: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Давайте попробуем чуть проще: катушка в данном случае — это недовольная бабуля. Забирают у нее магнитный поток — она недовольна и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток хочет обратно отобрать.

Дают ей магнитный поток, забирай, мол, пользуйся, а она такая — «Да зачем сдался мне ваш магнитный поток!» и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток выгоняет.

Карина Хачатурян

К предыдущей статье

197.1K

Закон cохранения импульса

К следующей статье

204.5K

Сила упругости

Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке

На вводном уроке с методистом

Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению
Расскажем, как проходят занятия
Подберём курс

Глава 23.

Закон электромагнитной индукции

Если в магнитном поле находится замкнутый проводящий контур, не содержащий источников тока, то при изменении магнитного поля в контуре возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Появление тока свидетельствует о возникновении в контуре электрического поля, которое может обеспечить замкнутое движение электрических зарядов или, другими словами, о возникновении ЭДС. Электрическое поле, которое возникает при изменении поля магнитного и работа которого при перемещении зарядов по замкнутому контуру не равна нулю, имеет замкнутые силовые линии и называется вихревым.

Для количественного описания электромагнитной индукции вводится понятие магнитного потока (или потока вектора магнитной индукции) через замкнутый контур. Для плоского контура, расположенного в однородном магнитном поле (а только такие ситуации и могут встретиться школьникам на едином государственном экзамене), магнитный поток определяется как

(23. 1)

где — индукция поля, — площадь контура, — угол между вектором индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура (см. рисунок; перпендикуляр к плоскости контура показан пунктиром). Единицей магнитного потока в международной системе единиц измерений СИ является Вебер (Вб), который определяется как магнитный поток через контур площади 1 м² однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл, перпендикулярной плоскости контура.

Величина ЭДС индукции , возникающая в контуре при изменении магнитного потока через этот контур, равна скорости изменения магнитного потока

(23.2)

Здесь — изменение магнитного потока через контур за малый интервал времени . Важным свойством закона электромагнитной индукции (23.2) является его универсальность по отношению к причинам изменения магнитного потока: магнитный поток через контур может меняться из-за изменения индукции магнитного поля, изменения площади контура или изменения угла между вектором индукции и нормалью, что происходит при вращении контура в поле. Во всех этих случаях по закону (23.2) в контуре будет возникать ЭДС индукции и индукционный ток.

Знак минус в формуле (23.2) «отвечает» за направление тока, возникающего в результате электромагнитной индукции (правило Ленца). Однако понять на языке закона (23.2), к какому направлению индукционного тока приведет этот знак при том или ином изменении магнитного потока через контур, не так-то просто. Но достаточно легко запомнить результат: индукционный ток будет направлен таким образом, что созданное им магнитное поле будет «стремиться» компенсировать то изменение внешнего магнитного поля, которое этот ток и породило. Например, при увеличении потока внешнего магнитного поля через контур в нем возникнет индукционный ток, магнитное поле которого будет направлено противоположно внешнему магнитному полю так, чтобы уменьшить внешнее поле и сохранить, таким образом, первоначальную величину магнитного поля. При уменьшении потока поля через контур поле индукционного тока будет направлено так же, как и внешнее магнитное поле.

Если в контуре с током ток в силу каких-то причин изменяется, то изменяется и магнитный поток через контур того магнитного поля, которое создано самим этим током. Тогда по закону (23.2) в контуре должна возникать ЭДС индукции. Явление возникновения ЭДС индукции в некоторой электрической цепи в результате изменения тока в самой этой цепи называется самоиндукцией. Для нахождения ЭДС самоиндукции в некоторой электрической цепи необходимо вычислить поток магнитного поля, создаваемого этой цепью через нее саму. Такое вычисление представляет собой сложную проблему из-за неоднородности магнитного поля. Однако одно свойство этого потока является очевидным. Поскольку магнитное поле, создаваемого током в цепи, пропорционально величине тока, то и магнитный поток собственного поля через цепь пропорционален току в этой цепи

(23.3)

где — сила тока в цепи, — коэффициент пропорциональности, который характеризует «геометрию» цепи, но не зависит от тока в ней и называется индуктивностью этой цепи. Единицей индуктивности в международной системе единиц СИ является Генри (Гн). 1 Гн определяется как индуктивность такого контура, поток индукции собственного магнитного поля через который равен 1 Вб при силе тока в нем 1 А. С учетом определения индуктивности (23.3) из закона электромагнитной индукции (23.2) получаем для ЭДС самоиндукции

(23.4)

Благодаря явлению самоиндукции ток в любой электрической цепи обладает определенной «инерционностью» и, следовательно, энергией. Действительно, для создания тока в контуре необходимо совершить работу по преодолению ЭДС самоиндукции. Энергия контура с током и равна этой работе. Необходимо запомнить формулу для энергии контура с током

(23.5)

где — индуктивность контура, — сила тока в нем.

Явление электромагнитной индукции широко применяется в технике. На нем основано создание электрического тока в электрических генераторах и электростанциях. Благодаря закону электромагнитной индукции происходит преобразование механических колебаний в электрические в микрофонах. На основе закона электромагнитной индукции работает, в частности, электрическая цепь, которая называется колебательным контуром (см. следующую главу), и которая является основой любой радиопередающей или радиопринимающей техники.

Рассмотрим теперь задачи.

Из перечисленных в задаче 23.1.1 явлений только одно есть следствие закона электромагнитной индукции — появление тока в кольце при проведении сквозь него постоянного магнита (ответ 3). Все остальное — результат магнитного взаимодействия токов.

Как указывалось во введении к настоящей главе, явление электромагнитной индукции лежит в основе работы генератора переменного тока (задача 23.1.2), т.е. прибора, создающего переменный ток, заданной частоты (ответ 2).

Индукция магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, уменьшается с увеличением расстояния до него. Поэтому при приближении магнита к кольцу (задача 23.1.3) поток индукции магнитного поля магнита через кольцо изменяется, и в кольце возникает индукционный ток. Очевидно, это будет происходить при приближении магнита к кольцу и северным, и южным полюсом. А вот направление индукционного тока в этих случаях будет различным. Это связано с тем, что при приближении магнита к кольцу разными полюсами, поле в плоскости кольца в одном случае будет направлено противоположно полю в другом. Поэтому для компенсации этих изменений внешнего поля магнитное поле индукционного тока должно быть в этих случаях направлено по-разному. Поэтому и направления индукционных токов в кольце будут противоположными (ответ 4).

Для возникновения ЭДС индукции в кольце необходимо, чтобы менялся магнитный поток через кольцо. А поскольку магнитная индукция поля магнита зависит от расстояния до него, то в рассматриваемом в задаче 23.1.4 случае поток через кольцо будет меняться, в кольце возникнет индукционный ток (ответ 1).

При вращении рамки 1 (задача 23.1.5) угол между линиями магнитной индукции (а, значит, и вектором индукции) и плоскостью рамки в любой момент времени равен нулю. Следовательно, магнитный поток через рамку 1 не изменяется (см. формулу (23.1)), и индукционный ток в ней не возникает. В рамке 2 индукционный ток возникнет: в положении показанном на рисунке, магнитный поток через нее равен нулю, когда рамка повернется на четверть оборота — будет равен , где — индукция, — площадь рамки. Еще через четверть оборота поток снова будет равен нулю и т.д. Поэтому поток магнитной индукции через рамку 2 изменяется в процессе ее вращения, следовательно, в ней возникает индукционный ток (ответ 2).

В задаче 23.1.6 индукционный ток возникает только в случае 2 (ответ 2). Действительно, в случае 1 рамка при движении остается на одном и том же расстоянии от проводника, и, следовательно, магнитное поле, созданное этим проводником в плоскости рамки, не изменяется. При удалении рамки от проводника магнитная индукция поля проводника в области рамки изменяется, меняется магнитный поток через рамку, и возникает индукционный ток

В законе электромагнитной индукции утверждается, что индукционный ток в кольце будет течь в такие моменты времени, когда изменяется магнитный поток через это кольцо. Поэтому пока магнит покоится около кольца (задача 23.1.7) индукционный ток в кольце течь не будет. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

Согласно закону электромагнитной индукции (23.2) ЭДС индукции в рамке определяется скоростью изменения магнитного потока через нее. А поскольку по условию задачи 23.1.8 индукция магнитного поля в области рамки изменяется равномерно, скорость ее изменения постоянна, величина ЭДС индукции не изменяется в процессе проведения опыта (ответ 3).

В задаче 23.1.9 ЭДС индукции, возникающая в рамке во втором случае, вчетверо больше ЭДС индукции, возникающей в первом (ответ 4). Это связано с четырехкратным увеличением площади рамки и, соответственно, магнитного потока через нее во втором случае.

В задаче 23.1.10 во втором случае в два раза увеличивается скорость изменения магнитного потока (индукция поля меняется на ту же величину, но за вдвое меньшее время). Поэтому ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в рамке во втором случае, в два раза больше, чем в первом (ответ 1).

При увеличении тока в замкнутом проводнике в два раза (задача 23.2.1), величина индукции магнитного поля возрастет в каждой точке пространства в два раза, не изменившись по направлению. Поэтому ровно в два раза изменится магнитный поток через любую малую площадку и, соответственно, и весь проводник (ответ 1). А вот отношение магнитного потока через проводник к току в этом проводнике, которое и представляет собой индуктивность проводника , при этом не изменится (задача 23.2.2 — ответ 3).

Используя формулу (23.3) находим в задаче 32.2.3 Гн (ответ 4).

Связь между единицами измерений магнитного потока, магнитной индукции и индуктивности (задача 23.2.4) следует из определения индуктивности (23.3): единица магнитного потока (Вб) равна произведению единицы тока (А) на единицу индуктивности (Гн) — ответ 3.

Согласно формуле (23.5) при двукратном увеличении индуктивности катушки и двукратном уменьшении тока в ней (задача 23. 2.5) энергия магнитного поля катушки уменьшится в 2 раза (ответ 2).

Когда рамка вращается в однородном магнитном поле, магнитный поток через рамку меняется из-за изменения угла между перпендикуляром к плоскости рамки и вектором индукции магнитного поля. А поскольку и в первом и втором случае в задаче 23.2.6 этот угол меняется по одному и тому же закону (по условию частота вращения рамок одинакова), то ЭДС индукции меняются по одному и тому же закону, и, следовательно, отношение амплитудных значений ЭДС индукции в рамках равно единице (ответ 2).

Магнитное поле, создаваемое проводником с током в области рамки (задача 23.2.7), направлено «от нас» (см. решение задач главы 22). Величина индукции поля провода в области рамки при ее удалении от провода будет уменьшаться. Поэтому индукционный ток в рамке должен создать магнитное поле, направленное внутри рамки «от нас». Используя теперь правило буравчика для нахождения направления магнитной индукции, заключаем, что индукционный ток в рамке будет направлен по часовой стрелке (ответ 1).

При увеличении тока в проводе будет возрастать созданное им магнитное поле и в рамке возникнет индукционный ток (задача 23.2.8). В результате возникнет взаимодействие индукционного тока в рамке и тока в проводнике. Чтобы найти направление этого взаимодействия (притяжение или отталкивание) можно найти направление индукционного тока, а затем по формуле Ампера силу взаимодействия рамки с проводом. Но можно поступить и по-другому, используя правило Ленца. Все индукционные явления должны иметь такое направление, чтобы компенсировать вызывающую их причину. А поскольку причина — увеличение тока в рамке, сила взаимодействия индукционного тока и провода должна стремиться уменьшить магнитный поток поля провода через рамку. А поскольку магнитная индукция поля провода убывает с увеличением расстояния до него, то эта сила будет отталкивать рамку от провода (ответ 2). Если бы ток в проводе убывал, то рамка притягивалась бы к проводу.

Задача 23.2.9 также связана с направлением индукционных явлений и правилом Ленца. При приближении магнита к проводящему кольцу в нем возникнет индукционный ток, причем направление его будет таким, чтобы компенсировать вызывающую его причину. А поскольку эта причина — приближение магнита, кольцо будет отталкиваться от него (ответ 2). Если магнит отодвигать от кольца, то по тем же причинам возникло бы притяжение кольца к магниту.

Задача 23.2.10 — единственная вычислительная задача в этой главе. Для нахождения ЭДС индукции нужно найти изменение магнитного потока через контур . Это можно сделать так. Пусть в некоторый момент времени перемычка находилась в положении, показанном на рисунке, и пусть прошел малый интервал времени . За этот интервал времени перемычка переместится на величину . Это приведет к увеличению площади контура на величину . Поэтому изменение магнитного потока через контур будет равно , а величина ЭДС индукции (ответ 4).

Учебник по физике: Электрический ток

Если выполняются два требования к электрической цепи, то заряд будет течь через внешнюю цепь. Говорят, что есть ток — поток заряда. Использование слова ток в этом контексте означает просто использовать его, чтобы сказать, что что-то происходит в проводах — заряд движется. Тем не менее, ток — это физическая величина, которую можно измерить и выразить численно. В качестве физической величины ток представляет собой скорость, с которой заряд проходит через точку цепи. Как показано на диаграмме ниже, ток в цепи можно определить, если количество заряда Q , проходящий через поперечное сечение провода за время t , можно измерить. Ток — это просто соотношение количества заряда и времени.

Текущая величина — это норма. В физике есть несколько количественных величин. Например, скорость — это величина скорости — скорость, с которой объект меняет свое положение. Математически скорость — это изменение положения за время. Ускорение — это величина скорости — скорость, с которой объект меняет свою скорость. Математически ускорение — это изменение скорости в зависимости от времени. А мощность — это скорость, скорость, с которой над объектом совершается работа. Математически мощность – это отношение работы к времени. В каждом случае количества скорости математическое уравнение включает некоторое количество во времени. Таким образом, ток как величина скорости будет математически выражен как

Обратите внимание, что в приведенном выше уравнении используется символ I для представления величины тока.

Как обычно, когда в классе физики вводится какая-либо величина, также вводится стандартная метрическая единица, используемая для выражения этой величины. Стандартной метрической единицей тока является ампер . Ампер часто сокращается до Ампер и обозначается символом единицы измерения A . Сила тока в 1 ампер означает, что за 1 секунду через поперечное сечение провода проходит заряд в 1 кулон.

1 ампер = 1 кулон/1 секунда

Чтобы проверить свое понимание, определите ток для следующих двух ситуаций. Обратите внимание, что в каждой ситуации дается некоторая посторонняя информация. Нажмите кнопку Проверить ответ , чтобы убедиться, что вы правы.

Изолируют провод сечением 2 мм и определяют, что через него проходит заряд 20 Кл за 40 с.	Изолируют провод сечением 1 мм и определяют, что через него проходит заряд 2 Кл за 0,5 с.
I = _____ ампер	I = _____ ампер

Условное направление тока

Частицы, переносящие заряд по проводам в электрической цепи, — это подвижные электроны. Направление электрического поля внутри цепи по определению является направлением, в котором выталкиваются положительные пробные заряды. Таким образом, эти отрицательно заряженные электроны движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Но в то время как электроны являются носителями заряда в металлических проводах, носителями заряда в других цепях могут быть положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое. Фактически носителями заряда в полупроводниках, уличных фонарях и люминесцентных лампах являются одновременно и положительные, и отрицательные заряды, движущиеся в противоположных направлениях.

Бен Франклин, который провел обширные научные исследования как статического, так и электрического электричества, предположил, что положительные заряды являются носителями заряда. Таким образом, было установлено раннее соглашение о направлении электрического тока в направлении движения положительных зарядов. Соглашение прижилось и используется до сих пор. Направление электрического тока по соглашению является направлением, в котором будет двигаться положительный заряд. Таким образом, ток во внешней цепи направлен от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи. На самом деле электроны будут двигаться по проводам в противоположном направлении. Зная, что фактическими носителями заряда в проводах являются отрицательно заряженные электроны, это соглашение может показаться немного странным и устаревшим. Тем не менее, это условное обозначение используется во всем мире, и к нему легко может привыкнуть студент-физик.

Ток в зависимости от скорости дрейфа

Ток связан с количеством кулонов заряда, которые проходят точку в цепи за единицу времени. Из-за своего определения его часто путают со скоростью дрейфа величины. Скорость дрейфа относится к среднему расстоянию, пройденному носителем заряда в единицу времени. Как и скорость любого объекта, дрейфовая скорость электрона, движущегося по проводу, представляет собой отношение расстояния ко времени. Путь типичного электрона по проводу можно описать как довольно хаотичный, зигзагообразный путь, характеризующийся столкновениями с неподвижными атомами. Каждое столкновение приводит к изменению направления движения электрона. Однако из-за столкновений с атомами в сплошной сети металлического проводника на каждые три шага вперед приходится два шага назад. С электрическим потенциалом, установленным на двух концах цепи, электрон продолжает движение до перенести вперед . Прогресс всегда идет к положительному терминалу. Тем не менее, общий эффект бесчисленных столкновений и высоких скоростей между столкновениями заключается в том, что общая скорость дрейфа электрона в цепи аномально низка. Типичная скорость дрейфа может составлять 1 метр в час. Это медленно!

Тогда можно было бы спросить: как может быть ток порядка 1 или 2 ампер в цепи, если скорость дрейфа составляет всего около 1 метра в час? Ответ таков: существует очень много носителей заряда, движущихся одновременно по всей длине цепи. Ток — это скорость, с которой заряд пересекает точку на цепи. Большой ток возникает в результате прохождения нескольких кулонов заряда по поперечному сечению провода в цепи. Если носители заряда плотно упакованы в провод, то не обязательно иметь большую скорость, чтобы иметь большой ток. То есть носители заряда не должны проходить большое расстояние за секунду, просто их должно быть много, проходящих через сечение. Ток связан не с тем, как далеко перемещаются заряды за секунду, а скорее с тем, сколько зарядов проходит через поперечное сечение провода в цепи.

Чтобы проиллюстрировать, насколько плотно упакованы носители заряда, рассмотрим типичный провод, встречающийся в цепях бытового освещения, — медный провод 14-го калибра. В поперечном сечении этого провода длиной 0,01 см (очень тонком) будет целых 3,51 x 10 90 106 20 90 107 атомов меди. Каждый атом меди имеет 29 электронов; маловероятно, что даже 11 валентных электронов будут двигаться как носители заряда одновременно. Если мы предположим, что каждый атом меди вносит только один электрон, то на тонком проводе длиной 0,01 см будет 56 кулонов заряда. С таким большим подвижным зарядом в таком маленьком пространстве небольшая скорость дрейфа может привести к очень большому току.

Чтобы еще больше проиллюстрировать это различие между скоростью дрейфа и течением, рассмотрим аналогию с гонками. Предположим, что на очень широкой гоночной трассе проходила очень большая гонка черепах с миллионами и миллионами черепах. Черепахи двигаются не очень быстро — у них очень низкая дрейфовая скорость. Предположим, что забег был довольно коротким — скажем, 1 метр в длину — и что большой процент черепах достиг финиша одновременно — через 30 минут после начала забега. В таком случае течение будет очень большим — миллионы черепах пролетают точку за короткий промежуток времени. В этой аналогии скорость связана с тем, как далеко черепахи перемещаются за определенный промежуток времени; а ток связан с тем, сколько черепах пересекает финишную черту за определенное время.

Природа потока заряда

Как только было установлено, что средняя скорость дрейфа электрона очень и очень мала, вскоре возникает вопрос: почему свет в комнате или в фонарике загорается сразу? после включения? Не будет ли заметной временной задержки перед тем, как носитель заряда перейдет от выключателя к нити накала лампочки? Ответ — нет! и объяснение того, почему в значительной степени раскрывает природу потока заряда в цепи.

Как было сказано выше, носителями заряда в проводах электрических цепей являются электроны. Эти электроны просто поставляются атомами меди (или любого другого материала, из которого сделана проволока) внутри металлической проволоки. Как только переключатель повернут в положение на , цепь замыкается, и на двух концах внешней цепи устанавливается разность электрических потенциалов. Сигнал электрического поля распространяется почти со скоростью света ко всем подвижным электронам в цепи, приказывая им начать движение.0003 походный . При получении сигнала электроны начинают двигаться по зигзагообразной траектории в своем обычном направлении. Таким образом, щелчок переключателя вызывает немедленную реакцию во всех частях цепи, приводя носители заряда повсюду в движение в одном и том же направлении. В то время как фактическое движение носителей заряда происходит с медленной скоростью, сигнал, который сообщает им о начале движения, движется со скоростью, составляющей долю скорости света.

Электроны, которые зажигают лампочку фонарика, не должны сначала пройти от выключателя через 10 см провода к нити накала. Скорее, электроны, которые зажигают лампочку сразу после поворота переключателя в положение на — это электроны, которые присутствуют в самой нити накала. Когда переключатель щелкнут, все подвижные электроны повсюду начнут маршировать; и именно подвижные электроны, присутствующие в нити накала, непосредственно ответственны за зажигание ее лампочки. Когда эти электроны покидают нить накала, в нее входят новые электроны, которые становятся ответственными за зажигание лампочки. Электроны движутся вместе так же, как вода в трубах в доме. Когда кран повернут на , это вода в кране, вытекающая из крана. Не нужно ждать заметное время, пока вода из точки входа в ваш дом пройдет по трубам к крану. Трубы уже заполнены водой, и вода во всем водяном контуре одновременно приводится в движение.

Картина течения заряда, развиваемая здесь, представляет собой картину, в которой носители заряда подобны солдатам, марширующим вместе, везде с одинаковой скоростью. Их марш начинается немедленно в ответ на создание электрического потенциала на двух концах цепи. В электрической цепи нет места, где носители заряда расходуются или израсходованы. В то время как энергия, которой обладает заряд, может быть израсходована (или, лучше сказать, электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии), сами носители заряда не распадаются, не исчезают или иным образом удаляются из заряда. схема. И в цепи нет места, где носители заряда начинают накапливаться или накапливаться. Скорость, с которой заряд входит во внешнюю цепь на одном конце, такая же, как и скорость, с которой заряд выходит из внешней цепи на другом конце. Ток — скорость протекания заряда — везде одинакова. Поток заряда подобен движению солдат, марширующих в ногу, везде с одинаковой скоростью.

Проверьте свое понимание

1. Говорят, что ток существует, когда _____.

а. провод заряжен

б. батарея присутствует

в. электрические заряды неуравновешены

д. электрические заряды движутся по петле

2. У тока есть направление. По соглашению ток течет в направлении, которое ___.

а. + заряды двигаются

б. — электроны движутся

в. + электроны движутся

3. Скорость дрейфа подвижных носителей заряда в электрических цепях ____.

а. очень быстро; меньше, но очень близко к скорости света

б. быстрый; быстрее самой быстрой машины, но далеко не скорость света

в. медленный; медленнее, чем Майкл Джексон, бегает 220 метров

д. очень медленно; медленнее улитки

4. Если бы электрическую цепь можно было сравнить с водяной цепью в аквапарке, то ток был бы аналогичен ____.

Выбор:

А. давление воды	B. галлонов воды, стекающей по горке в минуту
С. вода	D. нижняя часть слайда
Е. водяной насос	F. верхняя часть слайда

5. На схеме справа изображен проводник. Две площади поперечного сечения расположены на расстоянии 50 см друг от друга. Каждые 2,0 секунды через каждую из этих областей проходит 10 Кл заряда. Сила тока в этом проводе ____ А.

а. 0,10	б. 0,25	в. 0,50	д. 1.0
эл. 5.0	ф. 20	г. 10	ч. 40
я. ни один из этих

6. Используйте диаграмму справа, чтобы завершить следующие утверждения:

a. Ток в один ампер представляет собой поток заряда со скоростью _______ кулонов в секунду.

б. Когда заряд 8 Кл проходит через любую точку цепи за 2 секунды, сила тока составляет ________ А.

c. Если заряд 5 Кл протечет мимо точки А (диаграмма справа) за 10 секунд, то ток составит _________ А.

д. Если сила тока в точке D равна 2,0 А, то _______ Кл заряда протечет мимо точки D за 10 секунд.

эл. Если 12 Кл заряда протекут через точку А за 3 секунды, то 8 Кл заряда протекут мимо точки Е за ________ секунд.

ф. Верно или неверно:

Ток в точке E значительно меньше, чем ток в точке A, поскольку в лампочках расходуется заряд.

Следующий раздел:

Перейти к следующему уроку:

Правило правой руки для токоведущего провода

Все ресурсы AP Physics 2

6 Диагностические тесты
149 практических тестов
Вопрос дня
Карточки
Learn by Concept

AP Physics 2 Help »
Электричество и магнетизм »
Магнетизм и электромагнетизм »
Правило правой руки для токоведущего провода

Рассмотрим данный провод:

В каком направлении должны двигаться электроны по проводу, если электрическое поле, создаваемое внутри контура, направлено за пределы экрана?

Возможные ответы:

По часовой

Ни один из этих

В экран

За пределы экрана

Против часовой стрелки

Правильный ответ:

Объяснение:

Нам нужно использовать правило правой руки, чтобы решить эту задачу. Однако правило правой руки применяется к потоку тока, который находится в направлении, противоположном фактическому потоку электронов (в данном случае ток определяется как направление потока протонов). Таким образом, вы можете либо использовать правило правой руки и изменить то, что определили, либо просто использовать левую руку.

Давайте просто возьмем левую руку. Направьте большой палец вверх и согните пальцы. Ваши пальцы должны указывать на вас. Это направление электрического поля, когда электроны движутся в направлении вашего большого пальца. Если вы положите большой палец левой руки вдоль проволочной петли с левой стороны петли, наши пальцы окажутся внутри петли и направлены наружу экрана. Это тот сценарий, который мы ищем. Следовательно, электроны должны течь по часовой стрелке вокруг петли.

Обратите внимание, что электроны должны течь по проводу, что исключает варианты ответов «на экран» и «из экрана».

Сообщить об ошибке

У вас есть два токонесущих провода, проложенных параллельно друг другу, как показано ниже.

Точка R находится посередине между каждым из проводов. Если по проводам течет одинаковый ток I, каково направление магнитного поля в точке R?

Возможные ответы:

Справа

Вне экрана

В точке нет магнитного поля.

В экран

Влево

Правильный ответ:

В точке нет магнитного поля.

Объяснение:

Используя правило правой руки, мы можем сказать, что направление магнитного поля из-за нижнего провода находится за пределами экрана. Точно так же мы можем сказать, что магнитное поле из-за верхнего провода направлено на экран. Поскольку точка R находится посередине между двумя проводами, они имеют одинаковую прочность. Следовательно, они оба компенсируют друг друга, не оставляя магнитного поля.

Сообщить об ошибке

На рисунке выше показаны два провода, по которым текут разные токи в одном направлении.

Каково направление магнитного поля в точке?

Возможные ответы:

Вверх

За пределы экрана

Вправо

В экран

Вниз

1 Вниз2 6 из 900 Правильный ответ: 900 экран

Объяснение:

Давайте воспользуемся правилом правой руки, чтобы определить магнитное поле, вызванное каждым током.

Для тока определяем, что магнитное поле входит в экран.

Для тока определяем, что магнитное поле выходит за пределы экрана.

Два направления компенсируются? Что ж, величина больше, чем величина , а это означает, что она преодолеет, поэтому чистое направление находится за пределами экрана.

Сообщить об ошибке

На данной диаграмме каково направление магнитного поля в точке?

Возможные ответы:

В экран

Вправо

За пределы экрана

Вниз экрана

Влево

1

0002 Вне экрана

Объяснение:

Напомним, что направление тока принято от положительного конца источника напряжения к отрицательному (противоположному направлению потока электронов). Таким образом, в этой цепи ток течет против часовой стрелки от источника напряжения. Используя правило правой руки для обычного тока в проводе, большой палец правой руки указывает вдоль провода, указывающего влево. В какой-то момент пальцы скручиваются и указывают вверх, за пределы экрана. В этом можно убедиться, поместив большой палец в направлении тока в любом месте цепи. Например, если мы возьмем направление тока через резистор, наш большой палец будет направлен вниз. Скручивая пальцы вокруг провода, они снова укажут за пределы экрана, подтверждая наш первоначальный ответ.

Сообщить об ошибке

Каково направление магнитного поля в точке на данной диаграмме?

Возможные ответы:

Вниз экрана

В экран

За пределы экрана

Влево

Вверх экрана

9 Правильный ответ: 11

В экран

Пояснение:

В этой цепи ток течет против часовой стрелки. Используя правило правой руки для обычного тока в проводе, большой палец правой руки указывает вдоль провода, указывающего налево в верхней части цепи. В какой-то момент пальцы скручиваются и указывают вниз, в экран.

Сообщить об ошибке

Каково направление магнитного поля в точке?

Возможные ответы:

Вправо

Влево

Вверх к верху экрана

В экран

За пределы экрана

1

0002 В экран

Пояснение:

Ток течет по этой цепи против часовой стрелки. Используя правило правой руки для обычного тока в проводе, большой палец правой руки указывает вдоль провода, указывая вправо в проводе в нижней части цепи. В какой-то момент пальцы скручиваются и указывают вниз, в экран.

Сообщить об ошибке

Магнитное поле Земли направлено с географического юга на географический север, указывая на то, что географический южный полюс на самом деле является магнитным южным полюсом.