Обновлено: 05.07.2024

Современную цивилизацию сегодня невозможно представить без электричества. Благодаря бесперебойной подаче электрического тока функционируют промышленные предприятия, освещаются улицы городов, обеспечивается горячая вода и тепло в домах. В то же время, даже при условии постоянного использования этого ресурса, для многих остается неясным, что представляет собой электрический ток, откуда он берется и как протекает, на каких физических законах основывается.

Основные определения электрического тока

Повсеместно используются два основных определения электротока:

• Согласно классическому определению, электрический ток является направленным, строго упорядоченным движением заряженных частиц.
• Согласно академической формулировке, электрическим током определяется скорость изменения заряда по мере течения определенного периода времени.

з указанных определений академическое применяется наиболее часто, так как в классическом определении отсутствует описание природы этого явления.

Электроэнергия. Что представляет собой электрическое сопротивление

Под электрической энергией подразумевается энергия, которая высвобождается во время движения потоков заряженных частиц. Источником электроэнергии может являться генератор или аккумуляторные батареи, а в качестве потребителей рассматриваются оборудование и приборы, подключенные к сети. Электричество применяется в быту для обеспечения питания электротехники и измеряется в кВт/ч (киловатт-час).

Сферы использования электрического тока

С момента своего раскрытия электричество активно завоевывало разные области человеческой деятельности, способствуя всестороннему промышленному и технологическому развитию современной цивилизации. Сегодня электрический ток является первостепенным энергетическим ресурсом во всех отраслях:

• Промышленность и производство,
• Сельское, коммунальное хозяйство,
• Транспорт, информационные технологии,
• В быту и на административных объектах.

Без электричества человек лишается возможности использования уже ставших обыденностью бытовых приборов, видео и аудиотехники, отопительного оборудования, охранных систем и компьютерной техники.

При каких условиях возможно получение электрического тока

Электрический ток образуется , если соблюдены следующие условия:

• Есть источник энергии - турбина генератора, солнечная или аккумуляторная батарея;
• Наличие в проводнике достаточного количества свободных частиц с зарядом;
• Если источником питания создано электрическое поле, выполняющее функцию упорядочивания в цепи и проводниках движение зарядов;
• Если сформирована замкнутая цепь с концами, подключенными к полюсам используемого источника электропитания.

Именно наличие всех вышеперечисленных условий является гарантией длительного протекания электрического тока в установленной цепи и стабильного питания подключенных к ней потребителей (бытовых или промышленных электроприборов).

Как проявляется электрический ток в зависимости от разных сред?

Электрическим током в различных веществах является совокупность движущихся частиц:

• в металле - электроны;
• в газах - ионы + электроны;
• в вакуумном пространстве - электроны;
• в полупроводниках - дырки, обеспечивающие электронно-дырочную проводимость;
• в электрических плитах - ионы.

Ток может проявляться следующим образом:

• происходит нагрев проводников (не относится к сверхпроводникам);
• в проводниках изменяется химический состав и структура молекул;
• возникает магнитное поле (относится ко всем видам проводников).

Классификация тока

При движении заряженных частиц внутри макроскопического тела энергия называется электрическим током проводимости. Если же наблюдается движение макроскопических заряженных тел (к примеру - дождевые капли, имеющие заряд), ток будет конвекционным.

Основная классификация электрического тока предусматривает использование формулировки постоянного и переменного тока. Также рассмотрим и другие виды:

• Постоянный ток - его направление и величина остаются неизменными во времени. Такой ток бывает пульсирующим, однонаправленным или выпрямленным переменным.
• Переменный ток - изменяется во времени, под этим обозначением подразумевается любой вид непостоянного тока.
• Периодический ток - его мгновенные значения, как правило, повторяются в неизменной последовательности через разные временные промежутки.
• Синусоидальный ток - является периодическим электротоком, выполняющим синусоидальную функцию времени. Это означает, что происходит изменение электростатического потенциала каждого конца в проводнике по отношению к потенциалу другого конца - с отрицательного на положительный и наоборот. Это способствует возникновению тока, который непрерывно изменяет свое направление и амплитудное значение. Квазистационарный ток - это переменный вид тока, который изменяется довольно медленно. Его мгновенные значения достаточно точно выполняют соответствуют законам постоянных токов (Ома, правилам Кирхгофа, и др.). Как и в постоянном токе, в квазистационарном имеется одинаковая сила тока на абсолютно всех сечениях электроцепи.
• Высокочастотный ток - относится к переменному току, частота которого превышает несколько десятков герц. Если волна излучения имеет длину, близкую к размерам элементов, входящих в электрическую цепь, могут быть нарушены условия квазистационарности. Следовательно, для проектировки таких цепе необходим особый подход.
• Пульсирующий ток - представляется периодическим электротоком, в котором за определенный период среднее значение равно нулю.
• Однонаправленный ток - является током, постоянно сохраняющим свое первоначальное направление.

Характеристики

Свойства электрического тока характеризуются следующими величинами:

Сила и плотность тока

Силой тока характеризуется интенсивность, с которой движутся электрические заряды в проводнике, а также количество проходящих частиц через плоскости поперечных сечений проводников. Единица измерения - ампер A.

Плотность электрического тока является векторной величиной, где направление вектора соответствует направлению, в котором двигаются положительные заряды. Единица измерения - A/м2.

Величины используются для формулирования знаменитого закона Ома, где на определенном участке электрической цепи для выражения разницы потенциалов (или напряжения) используется соотношение: U=I*R (U-напряжение, I-сила тока, R-сопротивление).

Мощность

Работа электрических сил направлена против реактивного и активного сопротивлений. При пассивном сопротивлении происходит преобразование электроэнергии в тепловую. Электрическая мощность - это действие электричества в установленный промежуток времени. Единица измерения: ватт (Вт).

Частота

Эта характеристика указывает на изменение количества периодов (колебаний) за определенные единицы времени. Единица измерения - герц Гц. Один герц равняется одному колебанию в секунду. Промышленному току свойственна стандартная частота в 50 Гц.

Ток смещения

Это условное название, так как в нем заряд не переносится. В то же время, токи проводимости и смещения определяют зависимость от них магнитного поля. Явным примером является конструкция конденсатором: даже если между обкладками конденсационного устройства при зарядке/разрядке заряды никак не перемещаются, наблюдается протекание тока смещения через конденсатор, тем самым обеспечивая замыкание электрической цепи.

Лицензированная электролаборатория компании ТМ Электро проведёт качественные испытания Ваших электросетей.

Из всех видов энергии в настоящее время наиболее широко применяется электромагнитная энергия, которую называют электрической.

Применение электрической энергии позволило повысить производительность труда во всех областях деятельности человека, автоматизировать и внедрить целый ряд технологических процессов в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту, основанных на новых принципах, ускоряющих, облегчающих и удешевляющих процесс получения окончательного продукта, а также создать комфорт в производственных и жилых помещениях.

Это обусловлено следующим:

- В электрическую легко преобразуются любые виды энергии (тепловая, атомная, механическая, химическая, лучистая, энергия водного потока), и наоборот, электрическая энергия легко может быть преобразована в любой другой вид энергии.

- Электроэнергию можно передавать практически на любое расстояние.

- Ее можно легко дробить на любые части (мощность электроприемников может быть от долей ватта до тысяч киловатт).

- Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать.

- Управление процессами, в которых используется электроэнергия, обычно очень простое (нажатие кнопки, выключателя и т. п.).

- Использование электроэнергии способствует созданию комфортных условий на производстве и в быту.

Электроэнергию преобразуют в механическую с помощью электродвигателей, которые используют для привода станков и вращающихся машин в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и быту.

Кроме того, электрическую энергию широко используют в технологических установках для нагрева изделий, плавления металлов, сварки, электролиза, для получения плазмы, новых материалов с помощью электрохимии, для очистки материалов и газов и т. д.

Работа современных средств связи — телеграфа, телефона, радио, телевидения, Интернета — основана на применении электрической энергии. Без нее невозможно было бы развитие кибернетики, вычислительной и космической техники и т. д.

Электроэнергия является сейчас практически единственным видом энергии для искусственного освещения. Намечаются и осваиваются новые области использования электрической энергии (магнитная подушка для транспортных средств, электромагнитные насосы для перекачивания жидких металлов и т. п.).

Всем ясно, что без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества. Она используется абсолютно всеми бытовыми электроприборами: холодильниками, стиральными машинами, осветительными приборами, утюгами, микроволновыми печами, компьютерами, телевизорами и т. д. Трудно представить, как бы мы жили, погасни свет в квартире или замолчи телевизор.

Помимо городских квартир, большое количество электроэнергии потребляют подсобные хозяйства фермеров, на которых имеются не только жилые, но и хозяйственные постройки.

Как хозяин в доме, вы должны знать об электричестве больше, нежели просто уметь сменить пробки или вкрутить лампочку. Необходимо понимать зависимость между током, напряжением и мощностью, преимущества и недостатки переменного тока.

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. Такими частицами могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакуумепри определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток имеет следующие проявления:

- нагревание проводников (в сверхпроводниках не происходит выделения теплоты);

- изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);

- создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).

Постоянный ток

Постоянным током называется электрический ток, который не изменяется во времени по направлению. Источниками постоянного тока являются гальванические элементы, аккумуляторы и генераторы постоянного тока.

Переменный ток

Переменным называется электрический ток, величина и направление которого изменяются во времени. Область применения переменного тока намного шире, чем постоянного. Это объясняется тем, что напряжение переменного тока можно легко понижать или повышать с помощью трансформатора, практически в любых пределах. Переменный ток легче транспортировать на большие расстояния.

При подключении к источнику переменного тока с синусоидально изменяющейся э. д. с. электрических цепей с линейными сопротивлениями в них будут действовать синусоидально изменяющиеся напряжения и проходить синусоидально изменяющиеся токи. Переменные токи, э. д. с. и напряжения характеризуются четырьмя основными параметрами: периодом, частотой, амплитудой и действующим значением.

Период.

Промежуток времени Т, в течение которого э. д. с, напряжение и или ток i (рис. 169, а) совершают полный цикл изменений, называется периодом. Чем быстрее вращается виток или ротор генератора переменного тока, тем меньше период изменения э. д. с. или тока.

Частота.

Число полных периодов изменения э. д. с, напряжения или тока в 1 с называется частотой, f = 1 / T

Она измеряется в герцах (Гц), т. е. числом периодов в секунду. Чем больше частота, тем меньше период изменения тока, напряжения или э. д. с. (рис. 169,б). В Советском Союзе все электрические станции переменного тока вырабатывают ток, изменяющийся с частотой 50 Гц, т. е. 50 периодов в секунду. В автоматике и радиотехнике применяют электрические токи и более высоких частот. Такие частоты измеряются в килогерцах (1 кГц = 10 3 Гц) и мегагерцах (1 МГц = 10 6 Гц).

·

Рис. 169. Кривые изменения синусоидального переменного тока при различной частоте

Из рис. 169,а следует, что в течение времени одного периода Т фаза t тока (э. д. с. или напряжения) изменяется на угол 360°, или 2 радиан.

Эту величину называют угловой частотой переменного тока, она имеет размерность рад/с.

Действующее значение. Ток, напряжение и э. д. с, действующие в электрической цепи в каждый отдельный момент времени, определяются так называемыми мгновенными значениями. Эти значения принято обозначать строчными буквами i, и, е. Однако судить о переменных э. д. с, токе или напряжении по их мгновенным значениям неудобно, так как эти значения непрерывно меняются. Поэтому оценивать способность переменного тока совершать механическую работу или создавать тепло принято по действующему его значению.

Под действующим значением переменного тока понимают силу такого постоянного тока (прямая 2 на рис. 169,а), который, проходя по проводнику в течение некоторого времени (например, в течение одного периода или 1 с), выделит в нем такое же количество тепла (произведет такую же механическую работу), как и данный переменный ток (кривая 1). Действующие значения тока, напряжения и э. д. с. обозначают соответственно I, U, Е.

При синусоидальном переменном токе

I = I_т / 2 = 0,707 I_т

Если известно действующее значение тока I, то его амплитудное значение

I_т = 2 I = 1,41 I

Аналогично для синусоидальных напряжений и э. д. с.

U / U_т = Е₁ / Е_т = 1 / 2 = 0,707

На практике для характеристики параметров переменного тока используют, главным образом, действующие значения тока, напряжения и э. д. с. Например, когда говорят, что напряжение в осветительной сети переменного тока составляет 220 В или что по цепи проходит ток 100 А, то это значит, что в данной сети действующее значение напряжения равно 220 В или что действующее значение тока, проходящего по данной цепи, равно 100 А.

Электрическая энергия и механическая работа, создаваемые переменным током в различных электрических устройствах, пропорциональны действующим значениям тока и напряжения. Большая часть существующих приборов для измерения переменного тока измеряет действующие значения тока, напряжения и э. д. с.

Электрическая цепь — совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение.

Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой.

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

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

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

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

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

Мощность

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

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:

1. Синусоидальный, подчиняющийся синусоидальной функции во времени.
2. квазистационарный – переменный, медленно изменяющийся во времени. Обычные промышленные токи являются квазистационарными.
3. Высокочастотный – частота которого превышает десятки кГц.
4. 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.

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.

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

В рассмотренных нами электрических явлениях мы все время наблюдали перемещение электрических зарядов. Из механики вы знаете, что, если есть какое-то перемещение, то совершается работа.

Какая же работа совершается при движении электрических зарядов? Лампочки в наших домах и квартирах, все электроприборы, которыми мы ежедневно пользуемся — все это и есть следствие совершения электрическим полем работы по перемещению зарядов.

Тут же возникает следующий логичный вопрос. Как же эти заряды перемещаются? Что заставляет их двигаться? Вы все слышали об электрическом токе, но еще не заглядывали внутрь этого явления с помощью инструментов физики.

В данном уроке вы узнаете, что именно называют электрическим током и как его получают.

Электрический ток

В некоторых телах (проводниках) есть свободные электроны, которые могут переносить электрический заряд. Этот заряд будет отрицательный, ведь электроны именно таким и обладают.

А есть ли еще какие-то частицы в телах, способные переносить заряд? Оказывается, что есть.

Если обычные атомы электрически нейтральны, то ионы обладают некоторым зарядом. Он может быть как отрицательным, так и положительным. Эти частицы крупнее электронов, но тоже могут переносить электрический заряд.

Значит, электроны или ионы могут как-то перемещаться в проводниках. Отсюда и следует определение электрического тока (рисунок 1).

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Обратите внимание, что это движение направленное, а не беспорядочное. Когда мы говорим, что по телу идет ток, мы подразумеваем определенное его направление. О том, какое же это направление мы поговорим в отдельном уроке.

Получение электрического тока

Электрический ток не может возникнуть сам по себе. Что же нужно создать в проводнике, чтобы в нём возник и существовал ток?

Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле.

При появлении электрического поля, возникнут и электрические силы. Они приведут в движение заряженные частицы. Именно так и возникает электрический ток.

Хорошо, вот создали мы электрическое поле, появился ток. Логично предположить, что если электрическое поле исчезнет, то исчезнет и ток.

Значит, для более длительного существования тока нам необходимо поддерживать постоянное существование электрического поля.

Источники электрического тока

Электрическое поле создается и поддерживается источниками электрического тока.

Они могут быть самыми разными. Но объединяет их одно: в них разделяются положительно и отрицательно заряженные частицы.

При таком разделении у источников тока образуются два полюса. На одном скапливаются положительные заряды, а на другом — отрицательные. Создается электрическое поле.

В итоге, один полюс источника тока всегда будет заряжен положительно, а другой — отрицательно.

К этим полюсам с помощью специальных клемм или зажимов и подсоединяется проводник. Под действием электрического поля источника тока свободные заряженные частицы в проводнике приходят в движение. Так и возникает электрический ток.

Используя простой набор предметов, вы можете самостоятельно создать источник электрического тока. Пусть и слабый, но все же. Например, для этого сгодится даже обычный лимон (рисунок 2).

Для этого нам понадобятся два стержня: железный и медный. Воткнем их в лимон и соединим проводником. В нем возникнет электрический ток.

Это означает, что сок лимона вступает в химические связи с пластинами, провоцируя разделение зарядов. Подключив к этой системе прибор для измерения характеристик тока, мы только удостоверимся, что создали источник тока из подручных материалов.

Превращение механической энергии в электрическую

Чтобы разделить заряженные частицы в приборе, который станет источником тока, нужно совершить какую-то работу. В ходе этой работы происходит превращение какой-то энергии в электрическую энергию.

Но энергия не может возникнуть из ниоткуда. Значит, и сам источник тока требует какой-то энергии.

Например, на гидроэлектростанции происходит превращение механической энергии течения воды в электроэнергию (рисунок 3).

Строится плотина и водохранилище. Вода из него под действием силы тяжести течет вниз. Тем самым она вращает гидротурбину. К гидротурбине подсоединено такое устройство, как электрогенератор (о нем подробнее в конце урока). От него уже и выходит электрическая энергия. Ток течет по проводам и поступает к нам домой.

Рассмотрим еще один пример, в котором механическая энергия превращается в электрическую.

Так происходит в устройстве, которое называется электрофорной машиной (рисунок 4).

Она состоит из двух пластмассовых дисков 1. Между ними есть небольшое расстояние. Вращая ручку, находящуюся на задней поверхности машины, мы приведем в движение два диска. Они будут вращаться в разные стороны.

В результате, они электризуются благодаря трению о ту небольшую воздушную прослойку между ними. Заряды же накапливаются в лейденских банках 2. Оттуда они передаются на кондукторы 3.

В итоге, на одном кондукторе образуется положительный заряд, а на другом — отрицательный. В какой-то момент при их сближении появляется кратковременный ток в виде электрического разряда, который выглядит как маленькая молния.

Так механическая энергия вращения ручки машины перешла в электрическую.

Превращение внутренней энергии в электрическую

Теперь рассмотрим превращение внутренней энергии в электрическую. Для этого возьмем две проволоки и спаяем их друг с другом. А затем нагреем это место спая (рисунок 5).

В результате этого нагрева в проволоке возникнет электрический ток. Прибор, соединенный с нашей проволокой называется гальванометром. Принцип его работы мы рассмотрим позже, а пока будем использовать это устройства для определения наличия электрического тока в проводнике. Стрелка отклонилась — ток есть, стрелка осталась на месте — тока нет.

Такой источник тока, состоящий из нагревателя и самого место спая проволок из разных металлов называют термоэлементом.

В термоэлементах внутренняя энергия превращается в электрическую.

Превращение энергии излучения в электрическую

Рассмотрим еще одно интересное превращение энергий. Возьмем пластину из кремния (или оксида меди, селена). Направим на нее включенную лампу (рисунок 6).

Опять мы увидим, что по проводнику течет ток. При этом у пластины происходит потеря отрицательного электрического заряда, она теряет электроны.

Так энергия излучения (свет от лампы) переходит в электрическую. Это явление называется фотоэффектом, а такой источник тока — фотоэлементом.

Термоэлементы и фотоэлементы вы более подробно изучите в старших классах.

Гальванический элемент

Одним из самых распространенных источников тока является гальванический элемент. Его же мы и будем использовать в различных опытах. Поэтому мы рассмотрим его более подробно.

Что такое гальванический элемент простыми словами? Это всем нам хорошо известная батарейка.

Заглянем внутрь нее (рисунок 7), чтобы разобраться, как она работает.

Этот элемент в своей основе (рисунок 7, б) представляет собой цинковый корпус 2, внутри которого находится угольный стержень 3. На верхнем конце этого стержня находится металлическая крышка 1.

Стержень окружен смесью 4 оксида марганца (IV) $MnO_2$ и измельченного углерода $C$. Между этой смесью и самим корпусом находится желеобразный раствор соли 5 (хлорида аммония $NH_4Cl$).

В чем же суть? Дело в том, что цинк $Zn$, из которого состоит корпус, взаимодействует с хлоридом аммония $NH_4Cl$. Идет химическая реакция. Цинковый сосуд приобретает отрицательный заряд.

А вот оксид марганца имеет положительный заряд. Угольный стержень передает его на металлическую крышку.

Итак, мы имеем отрицательно заряженный корпус и положительно заряженный стержень. Они будут называться электродами. Между ними возникает электрическое поле.

Соединим эти два электрода проводником. По нему потечет электрический ток. Так энергия химических реакций превращается в электрическую.

Аккумулятор

Еще один крайне популярный источник тока — аккумулятор. Он представляет собой ту же батарейку, только теперь ее можно многократно подзаряжать (рисунок 8, а).

Как устроен аккумулятор? Его простейший вариант представляет собой две свинцовые пластины, помещенные в раствор серной кислоты (рисунок 8, б). Пластины будут являться электродами, создающими электрическое поле.

Но изначально аккумулятор не создает никакого поля. Его нужно зарядить. Для этого берут еще один источник тока, соединяют его с аккумулятором и пропускают через него ток.

Во время такой зарядки внутри аккумулятора начинают происходить химические реакции. Один электрод (пластина) становится положительно заряженной, а другой — отрицательно.

Теперь аккумулятор сам становится источником тока. Он имеет два полюса, обозначенные плюсом (+) и минусом (-).

Помните, что при зарядке аккумулятора важно соблюдать правильное соединение с другим источником тока. Положительный полюс аккумулятора следует соединять с положительным полюсом источника тока, а отрицательный — с отрицательным.

Рассмотренный нами аккумулятор называется свинцовым (по материалу пластин) или кислотным (по названию заполняющей его жидкости).

Наравне с кислотными аккумуляторами широко применяют и щелочные (или никелевые) аккумуляторы. Можно подумать, что в таком устройстве две пластины будут из никеля, но на деле из никеля состоит только одна. Вторая изготавливается из спресованного железного порошка.

Также существуют и другие виды аккумуляторов: литий-ионные, литий-полимерные, гелиевые аккумуляторы, никель-металл-гибридные.

Применение аккумуляторов

Применение аккумуляторов настолько широко, что даже сейчас, изучая данный урок, вы используете аккумуляторы. Они есть в наших телефонах, компьютерах, планшетах.

В большинстве видов транспорта также задействованы аккумуляторы. Двигатель машины не заведется, если аккумулятор под капотом будет разряжен. Аккумуляторы приводят в движение и строительную технику, и сельскохозяйственную, и даже самолеты. Современные электромобили в самой своей основе имеют мощный аккумулятор.

Аккумуляторы играют большую роль в аварийных ситуациях: они могут поддержать работу других электрических приборов достаточное время для устранения неполадок.

Типы зарядных устройств

Если аккумуляторы требуют зарядки, значит существуют специальные устройства, с помощью которых это можно осуществить — зарядные устройства.

Они классифицируются по множеству параметров.

По методу заряда:

• С постоянным током
  Обеспечивают быструю зарядку, но способствуют более быстрому изнашиванию аккумуляторов
• С постоянным напряжением
  Более медленная зарядка, но безопаснее для аккумулятора
• Смешанного типа
  Совмещают в себе два вышеприведенных вида, поэтому являются наилучшим вариантом. Способны увеличивать емкость аккумулятора и увеличивать срок его службы

По способу применения:

В зависимости от совместимости с другим источником энергии:

• Сетевые
  Предназначены для подключения к стандартным сетям 220 В или 380 В, т. е. требуют простого подключения к розетке
• Аккумуляторные
  Имеют собственный накопитель энергии. Используют в качестве резервного накопителя, позволяющего заряжать другие устройства при отсутствии доступа к сети
• Автомобильные
  Подключаются через прикуриватель. С их помощью в машине можно зарядить телефон, фотоаппарат и другую технику
• Беспроводные
  Не требуют кабельного соединения, передает энергию без непосредственного физического контакта аккумулятора и источника
• Универсальные
  Соединяют в себе от нескольких до всех перечисленных видов зарядных устройств

Генераторы

Получить электрический ток можно с помощью специального устройства — генератора.

Генераторы превращают механическую энергию в электрическую, иногда достаточно сложными способами.

Они применяются во всех транспортных средствах для выработки электроэнергии при движении транспорта. Эта энергия идет в том числе и на зарядку аккумулятора.

Генераторы стоят на электростанциях, гидроэлектростанциях, атомных электростанциях генераторы используются для выработки электроэнергии. Существуют даже геотермальные электростанции, на которых установлены генераторы электрического тока. В таких местах насыщенный пар из пробуренной скважины направляется в паровые турбины, соединенные с генераторами. Так внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию, а затем в электрическую.

Электрический ток

Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля . Такими частицами могут являться: в проводниках – электроны , в электролитах – ионы (катионы и анионы), в полупроводниках – электроны и, так называемые, "дырки" ("электронно-дырочная проводимость"). Также существует "ток смещения ", протекание которого обусловлено процессом заряда емкости, т.е. изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор протекает.

В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.

Током проводимости (просто током) в теории электрических цепей называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника: i=q/ t , где i - ток. А; q = 1,6 · 10 9 - заряд электрона, Кл; t - время, с.

Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени: i(t)= dq/ dt .

Первым условием длительного существования электрического тока рассматриваемого вида является наличие источника, или генератора, поддерживающего разность потенциалов между носителями зарядов. Второе условие — замкнутость пути. В частности, для существования постоянного тока необходимо наличие замкнутого пути, по которому заряды могут перемещаться внутри контура без изменения их значения.

Как известно, в соответствии с законом сохранения электрических зарядов они не могут создаваться или исчезать. Поэтому, если любой объем пространства, где протекают электрические токи, окружить замкнутой поверхностью, то ток, втекающий в этот объем, должен быть равен току, вытекающему из него.

Замкнутый путь, по которому течет электрический ток, называют цепью электрического тока, или электрической цепью. Электрическая цепь - делится на две части: внутреннюю, в которой электрически заряженные частицы движутся против направления электростатических сил, и внешнюю часть, в которой эти частицы движутся в направлении электростатических сил. Концы электродов, к которым подсоединяется внешняя цепь, называются зажимами.

Итак, электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника. Разность потенциалов между двумя точками электрической цепи называют напряжением или падением напряжения на этом участке цепи .

Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):

В общем случае, обозначив ток буквой i, а заряд q, получим:

Единица тока называется ампер (А) .

Ампер (А) - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками 2 · 10 -7 Н на каждый метр длины.

Ток в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 сек проходит электрический заряд, равный 1 кулон.

Рис. 1. Направленное движение электронов в проводнике

Если вдоль проводника действует напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля Е на электроны с зарядом е действует сила f = Ее. Величины f и Е векторные. В течение времени свободного пробега электроны приобретают направленное движение наряду с хаотическим. Каждый электрон имеет отрицательный заряд и получает составляющую скорости, направленную противоположно вектору Е (рис. 1). Упорядоченное движение, характеризуемое некоторой средней скоростью электронов vcp, определяет протекание электрического тока.

Электроны могут иметь направленное движение и в разреженных газах. В электролитах и ионизированных газах протекание тока в основном обусловлено движением ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически направление тока было принято обратным направлению движения электронов.

За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительно заряженные частицы, т.е. направление, противоположное перемещению электронов.
В теории электрических цепей за направление тока в пассивной цепи (вне источников энергии) взято направление движения положительно заряженных частиц от более высокого потенциала к более низкому. Такое направление было принято в самом начале развития электротехники и противоречит истинному направлению движения носителей заряда - электронов, движущихся в проводящих средах от минуса к плюсу.

Направление электрического тока в электролите и свободных электронов в проводнике

Величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения S, называются плотностью тока: I / S

При этом предполагается, что ток равномерно распределен по сечению проводника. Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм2.

По типу носителей электрических зарядов и среды их перемещения различают токи проводимости и токи смещения . Проводимость делят на электронную и ионную. Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный.

Электрическим током переноса называют явление переноса электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом электрического тока переноса является движение в пустоте элементарных частиц, обладающих зарядом (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в газоразрядных приборах.

Электрическим током смещения (током поляризации) называют упорядоченное движение связанных носителей электрических зарядов. Этот вид тока можно наблюдать в диэлектриках.

Полный электрический ток — скалярная величина, равная сумме электрического тока проводимости, электрического тока переноса и электрического тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность.

Постоянным называют ток, который может изменяться по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время. Подробнее об этом читайте здесь: Постоянный ток

Ток намагниченности — постоянный микроскопический (амперовый) ток, являющийся причиной существования собственного магнитного поля намагниченных веществ.

Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Величиной, характеризующей переменный ток, является частота (в системе СИ измеряется в герцах), в том случае, когда его сила изменяется периодически.

Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника. Токи высокой частоты применяется в машиностроении для термообработки поверхностей деталей и сварки, в металлургии для плавки металлов. Переменные токи подразделяют на синусоидальные и несинусоидальные . Синусоидальным называют ток, изменяющийся по гармоническому закону:

Скорость изменения переменного тока характеризуется его частотой, определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). Так, частота тока в сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям в секунду. Угловая частота w - скорость изменения тока в радианах в секунду и связана с частотой простым соотношением:

Установившиеся (фиксированные) значения постоянного и переменного токов обозначают прописной буквой I неустановившиеся (мгновенные) значения - буквой i. Условно положительным направлением тока считают направление движения положительных зарядов.

Переменный ток — это ток, который изменяется по закону синуса с течением времени.

Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону.

Поскольку переменный ток изменяется во времени, простые способы решения задач, пригодные для цепей постоянного тока, здесь непосредственно неприменимы. При очень высоких частотах заряды могут совершать колебательное движение — перетекать из одних мест цепи в другие и обратно. При этом, в отличие от цепей постоянного тока, токи в последовательно соединённых проводниках могут оказаться неодинаковыми.

Ёмкости, присутствующие в цепях переменного тока, усиливают этот эффект. Кроме того, при изменении тока сказываются эффекты самоиндукции, которые становятся существенными даже при низких частотах, если используются катушки с большой индуктивностью.

При сравнительно низких частотах цепи переменного тока можно по-прежнему рассчитывать с помощью правил Кирхгофа, которые, однако, необходимо соответствующим образом модифицировать.

Цепь, в которую входят разные резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, можно рассматривать, как если бы она состояла из обобщённых резистора, конденсатора и катушки индуктивности, соединённых последовательно.

Рассмотрим свойства такой цепи, подключённой к генератору синусоидального переменного тока. Чтобы сформулировать правила, позволяющие рассчитывать цепи переменного тока, нужно найти соотношение между падением напряжения и током для каждого из компонентов такой цепи.

Конденсатор играет совершенно разные роли в цепях переменного и постоянного токов. Если, например, к цепи подключить электрохимический элемент, то конденсатор начнёт заряжаться, пока напряжение на нём не станет равным ЭДС элемента. Затем зарядка прекратится и ток упадёт до нуля.

Если же цепь подключена к генератору переменного тока, то в один полупериод электроны будут вытекать из левой обкладки конденсатора и накапливаться на правой, а в другой — наоборот.

Эти перемещающиеся электроны и представляют собой переменный ток, сила которого одинакова по обе стороны конденсатора. Пока частота переменного тока не очень велика, ток через резистор и катушку индуктивности также одинаков.

В устройствах-потребителях переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.

Проводники электрического тока

Электрический ток во всех его проявлениях представляет собой кинетическое явление, аналогичное течению жидкости в замкнутых гидравлических системах. По аналогии процесс движения тока называется "течением" (ток течет).

Материал, в котором течёт ток, называется проводником. Некоторые материалы при низких температурах переходят в состояние сверхпроводимости. В таком состоянии они не оказывают почти никакого сопротивления току, их сопротивление стремится к нулю.

Во всех остальных случаях проводник оказывает сопротивление течению тока и в результате часть энергии электрических частиц превращается в тепло. Силу тока можно рассчитать по закону Ома для участка цепи и закону Ома для полной цепи.

Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частицы, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.

Как ток влияет на организм человека

Ток, пропущенный через организм человека или животного, может вызвать электрические ожоги, фибрилляцию или смерть. С другой стороны, электрический ток используют в реанимации, для лечения психических заболеваний, особенно депрессии, электростимуляцию определённых областей головного мозга применяют для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии. В организме человека и животных ток используется для передачи нервных импульсов.

По технике безопасности, минимально ощутимый человеком ток составляет 1 мА. Опасным для жизни человека ток становится начиная с силы примерно 0,01 А. Смертельным для человека ток становится начиная с силы примерно 0,1 А. Безопасным считается напряжение менее 42 В.

Читайте также:

  
• Независимость удел немногих самостоятельность привилегия сильных сочинение
  
• Тема и символика зимы в творчестве пушкина сочинение 10 класс
  
• Сочинение главный поступок моего антипода
  
• Сочинение про наскальные рисунки
  
• Сочинение на тему гласные и согласные буквы