От чего зависит прямое и обратное направление движения тока
Электрическим током в физике называют упорядоченное движение заряженных частиц.
Ток может возникать в различных средах: металлах, жидкостях, газах. Приведем условия, при которых движение зарядов можно считать током:
- Согласно определению, ток — это перенос электрического заряда из одной точки в другую. Это можно сравнить с течением воды по трубе или течением реки, когда масса воды перемещается из одного места в другое. Хаотичное движение заряженных частиц (например, тепловое) нельзя считать электрическим током.
- Любое тело состоит из множества заряженных частиц (протонов, электронов, атомных ядер и пр.). Однако при движении тела в пространстве мы не говорим о существовании тока, поскольку тело нейтрально (не имеет заряда). Электрический ток возникает при перемещении избыточного положительного или отрицательного заряда.
В каком направлении течет ток, обозначение
Считают, что направление тока совпадает с направлением движения положительного заряда, от «плюса» к «минусу».
Введем понятие вектора плотности тока J → :
где n — количество свободных заряженных частиц;
q — электрический заряд, Кл;
v → — скорость движения заряда, м/с.
Если ток вызван перемещением положительного заряда, вектор J → является сонаправленным вектору v → , если отрицательного — направлен противоположно ему.
При обозначении на электрических схемах положительная клемма источника имеет вид длинной черты, отрицательная — короткой. Направление тока указывают стрелкой от положительного полюса.
Добавим в цепь еще одно устройство – полупроводник или полупроводниковый диод с p-n переходом и рассмотрим два способа его подключения:
1. Внешнее напряжение подведено к полупроводнику так, что p-область получает положительный потенциал. Тогда сила тока электронов i э будет значительно меньше силы тока дырок i д — основных носителей заряда. Результирующая сила тока направлена от p-области к n-области и определяется по формуле.
i = i д — i э . Такое направление называется прямым.
2. Потенциал в p-области становится отрицательным. При этом сила тока дырок i д будет практически равна нулю, через полупроводник будет проходить незначительное количество электронов. Такое направление называется обратным.
Как определяется в проводе, способы
Наличие тока в проводнике нельзя определить визуально. Способы его обнаружения основываются на его воздействии на окружающую среду:
1. Тепловое воздействие. Если ток протекает через провод, то последний будет нагреваться. Это свойство реализуется в лампах накаливания (вольфрамовая нить накаляется и светится при пропускании через нее тока), утюгах и электроплитах. Такой тип воздействия описывается законом Джоуля-Ленца:
Q = I 2 · R · ∆ t , где Q — количество теплоты, Дж; I — сила тока, А; R — сопротивление, О м ; ∆ t — время прохождения тока, с.
2. Химическое воздействие. Это свойство часто применяется в различных растворах. При пропускании тока через подкисленную воду она распадается на составляющие: водород и кислород. Если пропустить ток через раствор медного купороса, в нем выделятся положительные ионы меди. На химическом воздействии основан электролиз, используемый в гальванопластике, для получения алюминия и др.
3. Магнитное воздействие основано на том, что движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле. Отметим, что это утверждение справедливо и в случае постоянного тока, и в случае переменного.
Обнаружить ток можно, поместив рядом два провода. При прохождении тока проводники начнут либо притягиваться друг к другу, либо отталкиваться. Если векторы плотности тока являются сонаправленными, провода начнут сближаться, если противоположно направлены — отталкиваться.
На явлении магнетизма основана работа электромагнитов. Простейший электромагнит представляет собой катушку, сердечник которой выполнен из ферромагнитного материала, а по обмотке протекает электрический ток. В результате возникает магнитное поле.
Как найти направление тока, формула, правило буравчика
Магнитное поле, возникающее при протекании электрического тока в проводнике, характеризуется магнитной индукцией B → .
Величина индукции, появившейся под действием постоянного электрического тока, определяется законом Био-Савара-Лапласа. Формула в векторной форме для элемента ∆ l проводника с током I имеет вид:
Δ B → = μ 0 4 π · I · Δ l → × r → r 3 ,
где Δ B → — индукция, создаваемая в некоторой точке, Тл;
r → — радиус-вектор, проведенный от элемента Δl к точке, в которой необходимо найти индукцию, м;
μ 0 — магнитная постоянная, равная 4 π · 10 — 7 Г н / м .
Запись закона в скалярной форме будет зависеть от формы проводника (прямой провод, соленоид и т.д.).
Направления составляющих векторного произведения можно определить по правилу буравчика.
Правило буравчика для элемента проводника. Направление вектора B в заданной точке будет совпадать с поступательным движением ручки буравчика, если вращать буравчик в сторону наименьшего угла от вектора Δ l → к вектору r → .
Из правила буравчика можно сделать вывод о том, что вектор B всегда лежит в плоскости, перпендикулярной направлению тока.
При протекании тока по проводнику линии индукции B охватывают проводник, сформулируем правило буравчика и правило правой руки для этого случая.
Правило буравчика для проводника с током. Буравчик направить так, чтобы при совершении оборота направление вращения совпадало с направлением линий магнитного поля. Направление тока в этом случае будет совпадать с поступательным движением буравчика.
Правило правой руки. Ладонью правой руки охватывают проводник так, чтобы четыре пальца совпадали с силовыми линиями магнитного поля. Отогнутый большой палец укажет направление движения зарядов.
В соленоиде направление линий магнитного поля и тока также определяются по правилу буравчика: если ток в витках направлен по часовой стрелке, вектор В направлен вниз, если против — вверх.
Примеры решения задач
Имеется источник, полупроводниковый диод и лампа накаливания. Собрать электрическую схему так, чтобы:
- при включении источника лампа загорелась;
- при включении источника лампа не загоралась.
Для первого вариант необходимо включить диод по прямой схеме. Для этого положительную клемму источника подключаем к аноду, отрицательную — к катоду.
При втором варианте диод подключается по обратной схеме: положительная клемма подключается к катоду, отрицательная — к аноду. Возникающий при этом запирающий ток не дает заряду дойти до лампы.
Определить направление тока в проводе АС и указать полюсы источника, если линии магнитного поля направлены согласно рисунку.
Воспользуемся правилом буравчика. Вращение буравчика будет совпадать с линиями индукции B → . При этом рукоятка буравчика будет перемещаться от точки А к точке С. За направление движения заряда принято направление от «плюса» к «минусу», обозначим клеммы источника в соответствии с направлением тока.
Имеется электрическая цепь, представленная на рисунке. Известно направление линий магнитного поля. Необходимо:
- указать полюсы источника;
- определить, по какой ветке пойдет ток при включении источника;
- предложить способы изменить схему так, чтобы ток протекал по другой ветке.
Сначала по правилу буравчика определим направление тока и обозначим клеммы источника. Теперь посмотрим на подключение диодов. Диод № 1 имеет обратное подключение, следовательно, ток не будет проходить по ветке 1. Диод № 2 подключен по прямой схеме, значит, ток в цепи будет проходить по ветке 2.
Есть два возможных варианта изменить цепь так, чтобы ток проходил по ветке 1. Первый – изменить подключение источника. Тогда диод № 1 будет включен по прямой схеме, а диод № 2 — по обратной. Второй – изменить схему подключения диодов.
По проводнику диаметром 2 см протекает ток 10 А. Определить величину магнитной индукции.
Индукция прямого провода вычисляется следующим образом: B = μ 0 · I 2 π · d . Подставим в выражение известные значения: B = μ 0 · I 2 π · d = 4 π · 10 — 7 · 10 2 π · 0 , 02 = 100 м к Т л .
Направление тока в витках соленоида как определить
Электрический ток, протекающий по проводнику, создает вокруг этого проводника магнитное поле (рис. 7.1). Направление возникающего магнитного поля определяется направлением тока.
Способ обозначения направления электрического тока в проводнике показан на рис. 7.2: точку на рис. 7.2(а) можно воспринимать как острие стрелки, указывающей направление тока к наблюдателю, а крестик – как хвост стрелки, указывающей направление тока от наблюдателя.
Магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током, показано на рис. 7.3. Направление этого поля легко определяется с помощью правила правого винта (или правила буравчика): если острие буравчика совместить с направлением тока, то при его завинчивании направление вращения рукоятки будет совпадать с направлением магнитного поля.
Рис. 7.1. Магнитное поле вокруг проводника с током.
Рис. 7.2. Обозначение направления тока (а) к наблюдателю и (б) от на-блюдателя.
Рис. 7.3. Направление магнитного поля вокруг проводника с током.
Поле, создаваемое двумя параллельными проводниками
1. Направления токов в проводниках совпадают. На рис. 7.4(а) изображены два параллельных проводника, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, причем магнитное поле каждого проводника изображено отдельно. В промежутке между проводниками создаваемые ими магнитные поля противоположны по направлению и компенсируют друг друга. Результирующее магнитное поле показано на рис. 7.4(б). Если из-менить направление обоих токов на обратное, то изменится на обратное и направление результирующего магнитного поля (рис. 7.4(б)).
Рис. 7.4. Два проводника с одинаковыми направлениями токов (а) и их результирующее магнитное поле (6, в).
2. Направления токов в проводниках противоположны. На рис. 7.5(а) показаны магнитные поля для каждого проводника по отдельности. В этом случае в промежутке между проводниками их поля суммируются и здесь результирующее поле (рис. 7.5(б)) максимально.
Рис. 7.5. Два проводника с противоположными направлениями токов (а) и их результирующее магнитное поле (б).
Рис. 7.6. Магнитное поле соленоида.
Магнитное поле соленоида
Соленоид – это цилиндрическая катушка, состоящая из большого числа витков проволоки (рис. 7.6). Когда по виткам соленоида протекает ток, соленоид ведет себя как полосовой магнит с северным и южным полюсами. Создаваемое им магнитное поло ничем не отличается от ноля постоянного магнита. Магнитное поле внутри соленоида можно усилить, намотав катушку на магнитный сердечник из стали, железа или друго¬го магнитного материала. Напряженность (величина) магнитного поля соленоида зависит также от силы пропускаемого электрического тока и числа витков.
Электромагнит
Соленоид можно использовать в качестве электромагнита, при этом сердечник делается из магнитомягкого материала, например ковкого железа. Соленоид ведет себя как магнит только в том случае, когда через катушку протекает электрический ток. Электромагниты применяются в электрических звонках и реле.
Проводник в магнитном поле
На рис. 7.7 изображен проводник с током, помещенный в магнитное поле. Видно, что магнитное поле этого проводника складывается с магнитным полем постоянного магнита в зоне выше проводника и вычитается в зоне ниже проводника. Таким образом, более сильное магнитное поле находится выше проводника, а более слабое — ниже (рис. 7.8).
Если изменить направление тока в проводнике на обратное, то форма магнитного поля останется прежней, но его величина будет больше под проводником.
Магнитное поле, ток и движение
Если проводник с током поместить в магнитное поле, то на него будет действовать сила, которая пытается передвинуть проводник из области более сильного поля в область более слабого, как показано на рис. 7.8. Направление этой силы зависит от направления тока, а также от направления магнитного ноля.
Рис. 7.7. Проводник с током в магнитном поле.
Рис. 7.8. Результирующее поле
Величина силы, действующей на проводник с током, определяется как величиной магнитного поля, так и силой гика, протекающего через этот проводник.
Движение проводника, помещенного в магнитное поле, при пропускании через него тока называется принципом двигателя. На этом принципе основана работа электродвигателей, магнитоэлектрических измерительных приборов с подвижной катушкой и других устройств. Если провод ник перемещать в магнитном поле, в нем генерируется ток. Это явление называется принципом генератора. На этом принципе основана работа генераторов постоянного и переменного тока.
Индуцированная ЭДС
До сих пор рассматривалось магнитное поле, связанное только с постоянным электрическим током. В этом случае направление магнитного поля неизменно и определяется направлением постоянного дока. При протекании переменного тока создается переменное магнитное поле. Если отдельную катушку поместить в это переменное поле, то в ней будет индуцироваться (наводиться) ЭДС (напряжение). Или если две отдельные катушки расположить в непосредственной близости друг к другу, как показано на рис. 7.9. и приложить переменное напряжение к одной обмотке (W1), то между выводами второй обмотки (W2) будет возникать новое переменное напряжение (индуцированная ЭДС). Это принцип работы трансформатора.
Рис. 7.9. Индуцированная ЭДС.
В этом видео рассказывается о понятии магнетизма и электромагнетизма:
§ 35. Направление тока и направление линий его магнитного поля
На рисунке 94 показано расположение магнитных стрелок вокруг проводника с током, расположенного перпендикулярно плоскости чертежа. Из рисунка видно, что изменение направления тока приводит к повороту всех магнитных стрелок на 180°. Причём в обоих случаях оси стрелок располагаются по касательным к магнитным линиям.
Следовательно, направление линий магнитного поля тока зависит от направления тока в проводнике.
Эта связь может быть выражена правилом буравчика (или правилом правого винта), которое заключается в следующем: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока (рис. 95, 96).
С помощью правила буравчика по направлению тока можно определить направление линий магнитного поля, создаваемого этим током, а по направлению линий магнитного поля — направление тока, создающего это поле.
Для определения направления линий магнитного поля соленоида удобнее пользоваться другим правилом, которое иногда называют правилом правой руки. Это правило формулируется так: если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида (рис. 97).
Вы уже знаете, что магнитное поле соленоида (см. рис. 90) подобно полю постоянного полосового магнита (см. рис. 88). Соленоид, как и магнит, имеет полюсы: тот конец соленоида, из которого магнитные линии выходят, является северным полюсом, а тот, в который входят, — южным.
Зная направление тока в соленоиде, по правилу правой руки можно определить направление магнитных линий поля внутри него, а значит, и его магнитные полюсы.
И наоборот, по направлению магнитных линий поля внутри соленоида или расположению его полюсов можно определить направление тока в витках соленоида.
Правило правой руки можно применять и для определения направления линий магнитного поля в центре витка с током.
Вопросы
1. Опишите опыт, подтверждающий связь между направлением тока в проводнике и направлением линий магнитного поля, созданного проводником.
2. Сформулируйте правило буравчика.
3. Что можно определить, используя правило буравчика?
4. Сформулируйте правило правой руки.
5. Что можно определить с помощью правила правой руки?
Упражнение 32
1. На рисунке 98 изображён проволочный прямоугольник, направление тока в нём показано стрелками. Перечертите рисунок в тетрадь и, пользуясь правилом буравчика, начертите вокруг каждой из его четырёх сторон по одной магнитной линии, указав стрелкой её направление.
2. Определите направление тока в катушке и полюсы источника тока (рис. 99), если при прохождении тока в катушке возникают указанные на рисунке магнитные полюсы.
3. Направление тока в витках обмотки подковообразного электромагнита показано стрелками (рис. 100). Определите полюсы электромагнита.
4*. Параллельные провода, по которым текут токи одного направления, притягиваются, а параллельные пучки электронов, движущихся в одном направлении, отталкиваются. В каком из этих случаев взаимодействие обусловлено электрическими силами, а в каком — магнитными? Почему вы так считаете?
Физика. 10 класс
§ 28. Индукция магнитного поля. Линии индукции магнитного поля
Для описания электростатического поля используют его основную характеристику — напряжённость . Существует ли аналогичная характеристика для описания магнитного поля?
Направление индукции магнитного поля. Основной характеристикой, используемой для описания магнитного поля, является физическая векторная величина — индукция магнитного поля . Зная индукцию магнитного поля, можно определить силу, действующую на проводник с током (движущийся заряд) в магнитном поле.
Для определения направления индукции магнитного поля используют ориентирующее действие магнитного поля на магнитную стрелку или рамку с током.
За направление индукции магнитного поля в данной точке поля принимают направление от южного полюса S к северному полюсу N свободно устанавливающейся магнитной стрелки, расположенной в рассматриваемой точке ( рис. 143 ).
Направление магнитной индукции в том месте магнитного поля, где расположена небольшая плоская рамка с током, совпадает с направлением положительной нормали к плоскости рамки. Направлением положительной нормали принято считать направление движения буравчика, рукоятку которого вращают в направлении тока в рамке. В исследуемом магнитном поле направление положительной нормали совпадает с направлением от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки ( рис. 143.1 ).
В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитные стрелки располагаются по касательным к окружностям ( рис. 144 ), центры которых лежат на оси проводника.
На практике часто приходится иметь дело с магнитными полями электрических токов, проходящих по катушкам (соленоидам). В магнитном поле катушки с током магнитные стрелки устанавливаются по касательным к замкнутым кривым, охватывающим витки катушки ( рис. 145 ).