Электр тогы. Ток күші.
Электр тогы және ток күші
Қозғалмайтын электр зарядтары практикада сирек қолданылады. Электр зарядтарының бізге қызмет етуі үшін оларды қозғалысқа келтіру керек, яғни электр тоғын туғызу қажет. Электр тогы үйлерді жарықтандырады, станоктарды қозғалысқа келтіреді, радиотолқындарды туғызады және электрондық есептеуіш машиналардың жұмысын қамтамасыз етеді.
Электр тоғын ең қарапайым түрінен — тұрақты электр тогынан — бастап қарастырамыз.
Электр тогының анықтамасы
Зарядталған бөлшектер қозғалғанда электр заряды бір орыннан екінші орынға тасымалданады. Алайда зарядталған бөлшектер ретсіз жылулық қозғалыста ғана болса (мысалы, металдағы еркін электрондар сияқты), онда өткізгіштің қимасы арқылы бағытталған заряд тасымалы болмайды.
Электр зарядының өткізгіш қимасы арқылы орын ауыстыруы үшін бөлшектердің бейберекет қозғалысына қоса реттелген (бағытталған) қозғалыс қосылуы керек.
Негізгі анықтама
Зарядталған бөлшектердің реттелген (бағытталған) қозғалысы электр тогы деп аталады. Электр тогы еркін электрондардың немесе иондардың реттелген орын ауыстыруы кезінде пайда болады.
Маңызды ескерту
Егер бейтарап тұтас дене толықтай орын ауыстырылса, ондағы өте көп электрондар мен атом ядролары реттелген қозғалыс жасаса да, электр тогы пайда болмайды. Себебі өткізгіштің кез келген қимасы арқылы өтетін толық заряд нөлге тең: таңбалары әртүрлі зарядтар бірдей орташа жылдамдықпен бірге орын ауыстырады.
Токтың бағыты
Электр тогының белгілі бір бағыты болады. Ток бағыты ретінде оң зарядталған бөлшектердің қозғалыс бағыты қабылданады. Егер ток теріс зарядталған бөлшектердің қозғалысынан пайда болса, онда ток бағыты бөлшектер қозғалысына қарама-қарсы деп есептеледі.
Токтың әсерлері
Өткізгіштегі бөлшектердің қозғалысын тікелей бақылау қиын. Бірақ токтың бар екенін ток жүргенде пайда болатын әсерлер арқылы анықтауға болады.
Химиялық әсер
Ток өткізгіштің химиялық құрамын өзгерте алады, мысалы, заттың құрамдас бөліктерін бөліп шығарады. Бұл құбылыс барлық өткізгіште емес, негізінен электролит ерітінділері мен балқымаларында байқалады.
Жылулық әсер
Ток өткенде өткізгіш қызады. Алайда асқын өткізгіштерде жылулық әсер байқалмайды.
Магниттік әсер
Ток жақын тұрған басқа токтарға және магниттелген денелерге күшпен әсер етеді. Тогы бар өткізгіштің жанына қойылған магнит тілшесінің бұрылуы — осының айқын дәлелі. Бұл әсер өткізгіштің барлық түрінде байқалатындықтан, негізгі әсер деп саналады.
Ток күші: негізгі сандық сипаттама
Егер тізбекте электр тогы бар болса, бұл өткізгіштің көлденең қимасы арқылы электр зарядының үздіксіз тасымалданып жатқанын білдіреді. Уақыт бірлігінде тасымалданатын заряд ток күші деп аталады.
Анықтамалық формула
I = Δq / Δt
Демек, ток күші — Δt уақыт аралығында өткізгіш қимасы арқылы өтетін Δq зарядтың сол уақытқа қатынасы.
Егер ток күші уақыт бойынша өзгермесе, мұндай ток тұрақты ток деп аталады. Ток күші — заряд сияқты — скаляр шама; ол оң да, теріс те болуы мүмкін.
Ток күшінің таңбасы өткізгіш бойымен шартты түрде оң деп алынған бағытқа сәйкес келсе, онда I > 0.
Ток күшіне әсер ететін факторлар
- әр бөлшектің таситын заряды (q₀)
- бөлшектер концентрациясы (n)
- бағытталған қозғалыстың орташа жылдамдығы (v)
- өткізгіштің көлденең қимасының ауданы (S)
Микроскопиялық өрнек
Егер өткізгіштегі бөлшектер концентрациясы n, бөлшек заряды q₀, қиманың ауданы S және бағытталған орташа жылдамдық v болса, онда:
I = q₀ · n · v · S
Халықаралық бірліктер жүйесінде ток күші ампермен (A) өлшенеді. Ток күші амперметрмен өлшенеді.
Электрондардың бағытталған қозғалыс жылдамдығы
Металл өткізгіштегі электрондардың реттелген орын ауыстыруының (дрейф) жылдамдығын табу үшін алдыңғы өрнекті қолданамыз. Электрон зарядының модулі e болғандықтан:
v = I / (e · n · S)
Қорытынды
Электрондардың реттелген орын ауыстыру жылдамдығы өте аз болады (шамамен 0,1 мм/с тәрізді мәндер). Электр тогының негізгі сандық сипаттамасы — ток күші.
Тұрақты токтың пайда болу шарттары
1) Еркін заряд тасымалдаушылар
Тұрақты ток пайда болуы үшін ортада еркін зарядталған бөлшектер болуы қажет. Егер атомдарда немесе молекулаларда оң және теріс зарядтар бір-бірімен байланысқан болса, олардың орын ауыстыруы электр тогын тудырмайды.
2) Бағытталған қозғалысты тудыратын күш
Еркін зарядтардың болуы жеткіліксіз: зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысын тудыратын және сақтап тұратын бағытталған әсер (күш) қажет. Бұл әсер тоқтаса, кедергінің салдарынан реттелген қозғалыс бәсеңдеп, ақырында тоқтайды.
Электр өрісінің рөлі
Зарядталған бөлшектерге электр өрісі F = qE күшімен әсер етеді. Әдетте өткізгіштің ішіндегі электр өрісі зарядтардың бағытталған қозғалысын туғызады және демеп тұрады. Тек электростатикалық жағдайда (зарядтар тыныштықта болғанда) өткізгіш ішіндегі өріс E = 0.
Потенциалдар айырымы және өткізгіш бойындағы түсу
Егер өткізгіштің ішінде электр өрісі бар болса, онда өткізгіш ұштарының арасында потенциалдар айырымы пайда болады. Потенциалдар айырымы уақыт бойынша өзгермесе, потенциал бір ұшындағы үлкен мәннен екінші ұшындағы кіші мәнге дейін біртіндеп кемиді.
Мұны қарапайым тәжірибемен байқауға болады: өткізгіш ретінде онша құрғақ емес ағаш таяқшаны алып, оған әр түрлі нүктелерде металл фольга жапырақшаларын бекітеміз. Егер таяқшаның бір ұшы кернеу көзіне қосылып, екінші ұшы жерге қосылса, онда кернеу көзіне жақын нүктелерде жапырақшалар көбірек ашылады, ал жерге жақын жерде — мүлде ашылмауы мүмкін. Бұл өткізгіш бойымен потенциалдың түсуін көрсетеді.
Тізбектің бөлігі үшін Ом заңы. Кедергі. Вольт-амперлік сипаттама
Әрбір өткізгіш үшін (соның ішінде сұйықтар мен газдарда) ток күшінің өткізгіш ұштарындағы потенциалдар айырымына тәуелділігі болады. Бұл тәуелділік вольт-амперлік сипаттама деп аталады және кернеудің әртүрлі мәндерінде токты өлшеу арқылы анықталады.
Ом заңы
Металл өткізгіштер мен электролит ерітінділерінде вольт-амперлік сипаттама көбіне ең қарапайым түрде болады. Бұл тәуелділікті алғаш рет неміс ғалымы Георг Ом тағайындаған.
I = U / R
Демек, тізбектің бөлігі үшін ток күші түсірілген U кернеуге тура, ал өткізгіштің R кедергісіне кері пропорционал.
Электр тізбегі: өткізгіштерді тізбектей және параллель қосу
Тізбектей қосу
Тізбектей қосқанда электр тізбегінде тарамдалу болмайды: барлық өткізгіштер бірінен кейін бірі жалғанады. Тұрақты ток жағдайында екі өткізгіштегі ток күштері бірдей:
I₁ = I₂ = I
Себебі тұрақты ток кезінде өткізгіштерде электр заряды жиналып қалмайды.