Что такое электрический ток и какими свойствами он обладает

Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.

В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.

Электрическую энергию можно доставить практически везде:

к производственному цеху;
квартире;
на поле;
в шахту, под воду и т. д.

Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Рисунок 2. Электрофорная машина

Источники тока

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Характеристики

Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.

Сила и плотность тока

Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).

Плотность тока – векторная величина. Вектор направлен в сторону движения положительных зарядов. Модуль этого вектора равен отношению силы тока на некотором перпендикулярном к направлению движения зарядов сечении проводника к площади этого сечения. В системе СИ измеряется в А/м2. Плотность более ёмко характеризует электричество, однако на практике чаще используется величина «сила тока».

Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома.

Мощность

Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).

Частота

Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.

Ток смещения

Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.

Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.

Виды тока

По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.

Классификация переменного тока

Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:

Синусоидальный, подчиняющийся синусоидальной функции во времени.
квазистационарный – переменный, медленно изменяющийся во времени. Обычные промышленные токи являются квазистационарными.
Высокочастотный – частота которого превышает десятки кГц.
Пульсирующий – импульс которого периодически изменяется.

Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.

Дрейфовая скорость электронов

Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.

Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.

Направление электрического тока

Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.

Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.

Электрический ток в различных средах

В металлах

Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.

Рис. 3. Электрический ток в металлах

В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.

В полупроводниках

В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов. Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).

Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.

В вакууме и газе

Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).

Рис 4. Электрический ток в газах

В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.

Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.

В жидкостях

Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.

Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.

Рис. 5. Электроток в жидкостях

Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).

Рис. 6. Электрический ток в средах

Проводники электрического тока

Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Небольшое сопротивление имеют:

все благородные металлы;
медь;
алюминий;
олово;
свинец.

На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.

Электробезопасность

Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.

При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.

В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.

Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.

Источник

Применение электрического тока разнообразно, поскольку невозможно представить без него жизнь человечества. Следует понимать его природу возникновения, чтобы направить энергию во благо, а не во вред. Электрический ток подчиняется законам физики, которые используются для изготовления различных устройств. Для его грамотного использования нужно знать основные электрические величины.

Основные понятия

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, благодаря которым может порождаться электромагнитное поле. К заряженным частицам можно отнести следующие: электроны, протоны, нейтроны, дырки и ионы. В научной литературе нейтрон не имеет заряда, однако участвует в образовании электромагнитного поля.

Кроме того, некоторые не знают, почему электроток является векторной величиной. Это утверждение следует из его определения, поскольку он имеет направление. В некоторых источниках можно встретить такое определение: электроток — скорость, с которой происходит изменение зарядов элементарных частиц в определенный момент времени. Ток характеризуется силой и напряжением (разность потенциалов). Свойства, которыми обладает электроток: тепловое, механическое, химическое и создание электромагнитного поля.

Сила и тип тока

Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через проводник за единицу времени, равную одной секунде. Материалы по проводимости делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники — вещества, которые способны проводить ток, поскольку в них есть свободные электроны. Их наличие можно выяснить по таблице Д. И. Менделеева, воспользовавшись электронной конфигурацией химического элемента.

Что называется электрическим током Полупроводники могут проводить поток заряженных частиц при определенных условиях. Простым примером является полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. Носителями заряда являются электроны и дырки. В диэлектриках нет вообще носителей заряда, следовательно, этот факт исключает проводимость электричества вообще.

Сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). 1 А — единица измерения силы неизменяющегося тока, который проходит по двум проводникам бесконечной длины и очень малой площади поперечного сечения, являющимися параллельными между собой и расположенными в вакуумном пространстве на расстоянии одного метра друг от друга, причем каждый метр такого проводника может вызывать силу взаимодействия, равную 2*10^(-7) Н.

Упрощенный вариант формулировки следующий: сила электротока, при которой через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени t проходит количество электричества Q, называется ампером. Определение записывается в виде формулы и имеет следующий вид: I = Q / t.

Бывают вспомогательные единицы измерения, к которым относят мА (0,001 А), кА (1000 А) и т. д.

Значение силы тока измеряется при помощи амперметра, который подключается в цепь последовательно. Видов электрического тока всего два: постоянный и переменный. Если ток остается постоянным или изменяется по величине, не меняя направления, то он называется постоянным.

применение электрического тока Переменный ток изменяется по амплитудному значению и направлению протекания по какому-либо закону. Его основной характеристикой является частота. По закону изменения амплитуды их можно разделить на следующие виды: синусоидальные и несинусоидальные. Первые изменяются по гармоническому закону и его графиком является синусоида. Формула синусоидального тока включает в себя максимальное значение силовой характеристики Iм, время t и угловую частоту w = 2 * 3,1416 * f (частота тока источника питания): i = Iм * sin (w * t). Еще одной величиной, характеризующей электроток, является напряжение или разность потенциалов.

Разность потенциалов

Любое вещество состоит из атомов, состоящих из элементарных частиц. Ядро обладает положительным зарядом, а вокруг него по своим орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Атомы являются нейтральными, поскольку число электронов равно количеству протонов в ядре.

Понятие электрического тока При потерях электронов атомами образуется электромагнитное поле, создаваемое протонами, поскольку они стремятся вернуть недостающие отрицательно заряженные частицы. Если по какой-то причине произошел избыток электронов, то формируется электромагнитное поле с отрицательной составляющей. В первом и во втором случаях формируются положительные и отрицательные потенциалы соответственно. Различие между ними называется напряжением или разностью потенциалов.

Величина различия прямо пропорциональна значению напряжения: при увеличении разницы возрастает значение напряжения. При соединении потенциалов с различными знаками возникает электроток, который стремится устранить причину разности и вернуть атом в исходное состояние.

Электрическое напряжение — работа, совершаемая электромагнитным полем по перемещению точечного заряда. Единица измерения напряжения является вольт (В), а его значение можно измерять с помощью вольтметра. Он подключается параллельно участку или электроприбору, на котором необходимо измерить разность потенциалов. 1 В является разностью потенциалов между двумя точками с зарядом 1 Кл, при котором сила электромагнитного поля совершает работу, равную 1 Дж.

Условия получения и законы

Электроток возникает при воздействии электромагнитного поля на проводник. Но также справедливо и обратное утверждение, доказывающее возникновение электрического поля в результате протекания тока. Важными условиями его получения являются такие факторы: наличие свободных электронов и источника напряжения. Наличие носителей заряда влияет на проводимость, а напряжение является внешней силой, которая способствует «вырыванию» из кристаллической решетки этих частиц.

Проводимость веществ

Носителями заряда в металлах являются электроны. При высокой температуре проводника возникает движение атомов, некоторые из них распадаются и образуются новые свободные электроны. Заряженные частицы взаимодействует с атомами и узлами кристаллической решетки, и часть энергии превращается в тепловую. Этот процесс называется электрическим сопротивлением проводника. Оно зависит от следующих составляющих:

Температуры.
Типа вещества.
Длины проводника.
Площади поперечного сечения.

При уменьшении температуры вещества происходит снижение его сопротивления. Зависимость от типа вещества объясняется тем, что каждое вещество состоит из атомов. Они образуют между собой кристаллическую решетку, причем у каждого вещества она разная. Каждый атом имеет определенную электронную конфигурацию, а следовательно, отличается от других наличием носителей заряда.

Кроме того, потоку заряженных частиц сложнее пройти через длинный проводник с маленьким значением его площади поперечного сечения.

Проводником является и электролит или жидкость, проводящая электрический ток. Носителями заряда в жидкостях являются ионы, которые бывают положительно (анионы) и отрицательно (катионы) заряжены. Электрод с положительным потенциалом называется анодом, а с отрицательным — катодом. Перемещение происходит при подаче напряжения на электроды. Катионы перемещаются к аноду, а анионы — к катоду.

При протекании тока через электролит происходит его нагревание, в результате которого увеличивается сопротивление жидкости. Некоторые газы способны проводить электроток тоже. Носителями заряда в них являются ионы и электроны, а сам «заряженный газ» называется плазмой.

Электричество в полупроводниках подчиняется тем же законам, что и в проводниках, но есть некоторые отличия. Представлять носители заряда в них могут электроны и дырки. При уменьшении температуры сопротивление его возрастает. При внешнем воздействии на полупроводник связи в кристаллической решетке ослабевают и появляются свободные электроны, а в месте, где они были, происходит образование дырки. Однако она притягивает другой электрон, который находится рядом. Так и происходит движение дырок. Следовательно, сумма дырочного и электронного электромагнитных полей образует электроток.

Основные соотношения

Все явления подчиняются физическим законам, и электричество не является исключением. Основные соотношения зависимости одной величины от других описаны в законах, которые применяются для расчета различных схем для простых и сложных устройств. Кроме того, правила помогают избежать различных аварийных ситуаций, поскольку электричество может служить и во вред человечеству, вызывая пожары, травмы и даже смерть.

Что называют электрическим током

Основным законом, используемым в электротехнике, является закон Ома для участка и полной цепи. Для участка цепи он показывает зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R и его формулировка следующая: ток, протекающий на участке цепи, прямо пропорционален значению напряжения и обратно пропорционален сопротивлению этого участка (I = U / R).

Для полной цепи, в которой существует электродвижущая сила (e) и внутреннее сопротивление источника питания: формулировка выглядит следующим образом: ток, протекающий в полной цепи, прямо пропорционален электродвижущей силе (ЭДС) и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи с учетом внутреннего сопротивления источника питания (i = e / (R + Rвн)).

Из этих законов можно получить следствия, которые нужны для нахождения величин напряжения, ЭДС и сопротивлений. Следствия из законов Ома:

R = U / I.
U = I * R.
e = i * (R + Rвн).
R = (e / i) — Rвн.
Rвн = (e / i) — R.

Электроток, при прохождении через проводник или полупроводник, совершает работу, при которой выделяется тепловая энергия. Это одно из его свойств. Ее численное значение определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.

Закон показывает зависимость количества теплоты от величин напряжения и силы тока, а также времени протекания электротока.

Его формулировка следующая: количество теплоты Q, выделяемое током при протекании через проводник за единицу времени, прямо пропорционально зависит от напряжения и силы тока (Q = U * I * t). Следствия из этого закона следующие:

- Q = sqr (I) * R * t.
- Q = (sqr (U) * t) / R.
- I = Q / (U * t).
- I = sqrt ((Q / (R * t)).
- U = Q / (I * t).
- U = sqrt (Q * R * t).
- t = Q / (U * I).
- t = Q / (sqr (I) * R).

- t = Q / (sqr (U) / R).

Q = P * t.
P = Q / t.
t = Q / P.

Величина Р является мощностью и вычисляется по формуле: Р = U * I. Если электрический ток в цепи не совершает механическую работу и не производит никакого действия, то все электрическая энергия преобразуется в тепловую, т. е. A = Q.

Опытным путем было установлено, что при пересечении линий электромагнитной индукции проводником замкнутого типа в нем появляется электроток. Закон о влиянии электромагнитного поля на возникновение тока называется законом Фарадея. Он гласит: отрицательное значение ЭДС электромагнитной индукции в контуре, который является замкнутым, равно изменению магнитного потока с течением времени. Из закона Фарадея следует, что при движении проводника в постоянном магнитном поле на концах первого возникает разность потенциалов. Этот принцип используется для изготовления генераторов, трансформаторов и т. д.

Таким образом, электрический ток, как все явления и процессы, подчиняется определенным законам, которые позволяют не только контролировать, но и избегать негативных последствий, связанных с его работой. Производить расчеты нужно и для экономии времени, поскольку подбор номинала какого-либо элемента схемы может привести к выходу из строя устройства.

Источник