Глава 2. Ток

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Сформулировать два закона электростатических зарядов.

• Дать определение кулона.

• Дать определение единицы, используемой для измерения тока.

• Записать формулу, связывающую амперы, кулоны и время.

• Описать, как протекает ток в цепи.

• Описать, как электроны перемещаются по проводнику.

• Определять и использовать научные обозначения.

• Знать обычно используемые префиксы для степеней десяти.

Атом был определен как наименьшая частица элемента. Он состоит из электронов, протонов и нейтронов.

Электроны отрываются от атомов и перемещаются по проводнику, образуя электрический ток.

В этой главе рассматривается, как электроны отрываются от атомов для образования электрического тока, и вводится краткая математическая запись, позволяющая работать с очень малыми и очень большими числами.

2-1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД

Два электрона вместе или два протона вместе представляют собой одноименные заряды. Подобные заряды сопротивляются сближению и стремятся удалиться друг от друга. Процесс называется отталкиванием. Первый закон взаимодействия электростатических зарядов гласит: одноименные заряды отталкиваются друг от друга (рис. 2–1).

Рис. 2–1. Основные законы взаимодействия электростатических зарядов.

Согласно второму закону взаимодействия электростатических зарядов, разноименные заряды притягиваются друг к другу.

Отрицательные электроны притягиваются к положительным протонам в ядре атома. Эта сила притяжения уравновешивается центростремительной силой, обусловленной вращением электронов вокруг ядра. В результате электрон остается на орбите и не падает на ядро.

Величина сил притяжения и отталкивания, действующих между двумя электрически заряженными телами, зависит от двух, факторов: их зарядов и расстояния между ними.

Отдельный электрон имеет заряд, который слишком мал для практического использования. Для измерения заряда принята единица, называемая кулоном (Кл), которая названа в честь Шарля Кулона. Электрический заряд (Q) 6 280 000 000 000 000 000 электронов (шесть квинтиллионов 280 квадриллионов или 6,28 х 10¹⁸) составляет один кулон.

1 Кл = 6,28 х 10¹⁸ электронов

Электрические заряды создаются смещением электронов. Когда имеет место избыток электронов в одной точке и дефицит электронов в другой точке, между этими точками существует разность потенциалов. Когда существует разность потенциалов между двумя заряженными телами, соединенными проводником, электроны будут течь по проводнику. Этот поток электронов называется током.

2–1. Вопросы

1. О чем говорят два закона взаимодействия электрических зарядов?

2. Как обозначается электрический заряд?

3. Дайте определение кулона.

2–2. ПРОТЕКАНИЕ ТОКА

Электрический ток представляет собой медленный дрейф электронов из области отрицательного заряда в область положительного заряда. Для измерения силы тока используется ампер (А). Эта единица названа в честь французского физика Андре Мари Ампера (1775–1836). Ампер представляет силу тока в проводнике, когда заряд в один кулон перемещается через заданную точку за одну секунду. Соотношение между ампером и кулоном за секунду выражается формулой:

I = Q/t

где I — сила тока в амперах, Q — величина электрического заряда в кулонах, t — время в секундах.

_{ПРИМЕР. Чему равна сила тока в амперах, если через точку в электрической цепи прошло 9 кулон заряда за 3 секунды?}

_Дано:

 _{Q = 9 Кл; t = 3 с}

 _{I =?}

_{Решение:}

 _{I = Q/t = 9/3 = 3; I = 3 А}

_{ПРИМЕР. По цепи течет ток 5 ампер. Сколько времени займет прохождение 1 кулона заряда через данную точку цепи?}

_Дано:

_{I = 5 А; Q = 1 K;}

_{t =?}

_{Решение:}

_{I = Q/t; 5 = 1/t; 1/5 = t; 0,2 секунды = t} 

Отрицательно заряженные электроны, как правило, являются носителями заряда в электрической цепи. Следовательно, электрический ток — это поток отрицательных зарядов. Принято считать, что направление тока противоположно направлению потока электронов. Позднее было установлено, что при перемещении электрона от одного атома к другому создаются положительные заряды, называемые дырками, которые перемещаются в противоположном направлении (рис. 2–2, 2–3). Электроны и ток при этом остаются такими же.

Рис. 2–2. Когда электроны перемещаются от одного атома к другому, они вызывают появление противоположно движущихся положительных зарядов, называемых дырками.

Рис. 2–3. Направление движения электронов противоположно направлению движения дырок.

Если электроны добавляются на одном конце проводника и берутся для этого с другого конца, то по проводнику течет ток. По мере своего медленного перемещения по проводнику свободные электроны сталкиваются с атомами, освобождая при этом другие электроны. Эти новые свободные электроны перемещаются по направлению к положительно заряженному концу проводника и сталкиваются с другими атомами. Дрейф электронов от отрицательно заряженного конца проводника к положительному происходит вследствие отталкивания зарядов. Кроме того, положительно заряженный конец проводника с дефицитом электронов притягивает электроны как противоположные по знаку заряды.

Дрейф электронов происходит медленно (примерно три миллиметра в секунду), но отдельные электроны, сталкиваясь с атомами, освобождают электроны, движущиеся почти со скоростью света (2,99х10⁸ метров). Представим себе длинную трубу, заполненную шариками для пинг-понга (рис. 2–4).

Рис. 2–4. Электроны в проводнике взаимодействуют подобно шарикам от пинг-понга в трубе.

При добавлении шарика к одному концу трубы, из другого конца трубы шарик выталкивается. Хотя отдельные шарики тратят некоторое время на перемещение по трубе, частота их столкновений может быть очень высокой.

Устройство, которое удаляет электроны с одного конца проводника (положительного) и добавляет их к другому концу проводника (отрицательному), называется источником тока. Он может рассматриваться как своеобразный насос (рис. 2–5).

Рис. 2–5. Источник напряжения может рассматриваться как насос, снабжающий нагрузку электронами и поддерживающий избыток электронов.

2–2. Вопросы

1. Дайте определение электрического тока.

2. В каких единицах измеряется сила тока?

3. Каково соотношение между силой тока, зарядом и временем?

4. Какова сила тока, если через данную точку цепи за 5 секунд проходит 15 кулон заряда?

5. Сколько времени займет перемещение 3 кулонов заряда через данную точку цепи, если по цепи течет ток 3 ампера?

6. Что заставляет электроны двигаться по проводнику только в одном направлении?

2–3. СТЕПЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЧИСЕЛ

В электронике обычно встречаются очень малые и очень большие числа. Степенное представление — это метод, использующий одноразрядные числа и степени десяти для отображения больших и малых чисел. Например, 300 в степенном представлении имеет вид 3x10². Показатель степени показывает количество нулей справа или слева от десятичной занятой в числе. Например:

Если степень отрицательная, десятичная запятая перемещается влево. Например:

На рисунке 2–6 перечислены некоторые часто используемые степени десяти как положительные, так и отрицательные, а также префиксы и символы, связанные с ними.

Рис. 2–6. Используемые в электронике префиксы.

Например, ампер (А) — это большая единица силы тока, не часто встречающаяся в маломощных электронных цепях. Наиболее часто используемыми единицами являются миллиампер (мА) и микроампер (мкА). Миллиампер равен одной тысячной (1/1000) ампера или 0,001 А. Другими словами, 1000 миллиампер равны одному амперу.

Микроампер равен одной миллионной (1/1 000 000) ампера или 0,000001 А; 1 000 000 микроампер равны одному амперу.

_{ПРИМЕР. Сколько миллиампер содержится в 2 амперах?}

_{Решение:} 

_{1000 мA/1 A = Х мА/2 А (1000 мА = 1 А)}

_{(1)(Х) = (1000)(2)}

_{Х = 2000 мА} 

_{ПРИМЕР. Сколько ампер содержится в 50 микроамперах?}

_{Решение:} 

_{1 000 000 мкА/1 А = 50 мкА/Х А}

_{(1)(50) = (1000000)(Х)}

_{50/1000000 = Х}

_{0,00005 = Х} 

2–3. Вопросы

1. Дайте определение степенному представлению.

2. В степенном представлении:

а. Что означает положительный показатель степени?

б. Что означает отрицательный показатель степени?

3. Запишите следующие числа в степенном представлении:

а. 500

б. 3768

в. 0,0056

г. 0,105

д. 356,78

4. Дайте определения следующим префиксам:

а. Милли-

б. Микро-

5. Выполните следующие преобразования:

а. 1,5 А = ___ мА

б. 1,5 А = ___ мкА

в. 150 мА = ___ А

г. 750 мкА = ___ А

РЕЗЮМЕ

• Законы взаимодействия электростатических зарядов: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

• Электрический заряд (Q) измеряется в кулонах (Кл).

• Один кулон равен заряду 6,24х10¹⁸ электронов.

• Электрический ток — это медленный дрейф электронов из области отрицательного заряда в область положительного заряда.

• Сила тока измеряется в амперах.

• Один ампер (А) — это ток, протекающий в проводнике, когда через заданную точку проходит заряд в один кулон за одну секунду.

• Соотношение между силой тока, зарядом и временем описывается формулой:

I = Q/t

• Носителями заряда при наличии электрического тока в металлах являются электроны (отрицательные заряды).

• Перемещение дырок (положительных зарядов) направлено противоположно движению электронов.

• Ток электронов течет в цепи от отрицательного полюса к положительному.

• Электроны перемещаются по проводнику очень медленно, но отдельные электроны могут двигаться со скоростью, близкой к скорости света.

• С помощью степенного представления выражаются

очень большие и очень маленькие числа.

• Если показатель степени десяти положительный, десятичная запятая перемещается вправо.

• Если показатель степени десяти отрицательный, десятичная запятая перемещается влево.

• Префикс милли- обозначает одну тысячную.

• Префикс микро- обозначает одну миллионную.

Глава 2. САМОПРОВЕРКА

1. Какова сила тока в цепи, если за 5 секунд через заданную точку протекает 7 кулон?

2. Опишите, как направлен поток электронов в цепи по отношению к распределению потенциала в цепи.

3. Запишите следующие числа с помощью степенного представления:

а. 235;

б. 0,002376;

в. 56323,786.

4. Что обозначают следующие префиксы?

а. Милли-

б. Микро-