Электрический ток это сила возникающая

«Физика — 10 класс»

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. Благодаря электрическому току освещаются квартиры, приводятся в движение станки, нагреваются конфорки на электроплитах, работает радиоприемник и т. д.

Рассмотрим наиболее простой случай направленного движения заряженных частиц — постоянный ток.

Какой электрический заряд называется элементарным?
Чему равен элементарный электрический заряд?
Чем различаются заряды в проводнике и диэлектрике?

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда из одной точки в другую. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит (рис. 15.1, а). Поперечное сечение проводника в среднем пересекает одинаковое число электронов в двух противоположных направлениях. Электрический заряд переносится через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в направленном движении (рис. 15.1, б). В этом случае говорят, что по проводнику идёт электрический ток.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Электрический ток имеет определённое направление.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.

Направление тока совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Выбор направления тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой упорядоченное движение электронов — отрицательно заряженных частиц. Выбор направления тока был сделан в то время, когда о свободных электронах в металлах ещё ничего не знали.

Действие тока.

Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.

Во-первых, проводник, по которому идёт ток, нагревается.

Во-вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника: например, выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т. д.).

В-третьих, ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным.

Так, магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается. Магнитное действие тока в отличие от химического и теплового является основным, так как проявляется у всех без исключения проводников. Химическое действие тока наблюдается лишь у растворов и расплавов электролитов, а нагревание отсутствует у сверхпроводников.

В лампочке накаливания вследствие прохождения электрического тока излучается видимый свет, а электродвигатель совершает механическую работу.

Сила тока.

Если в цепи идёт электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника всё время переносится электрический заряд.

Заряд, перенесённый в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока.

Если через поперечное сечение проводника за время Δt переносится заряд Δq, то среднее значение силы тока равно:

Средняя сила тока равна отношению заряда Δq, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Сила переменного тока в данный момент времени определяется также по формуле (15.1), но промежуток времени Δt в таком случае должен быть очень мал.

Сила тока, подобно заряду, — величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений обхода контура принять за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I

За положительное направление тока в проводнике примем направление слева направо. Заряд каждой частицы будем считать равным q₀. В объёме проводника, ограниченном поперечными сечениями 1 и 2 с расстоянием Δl между ними, содержится nSΔl частиц, где n — концентрация частиц (носителей тока). Их общий заряд в выбранном объёме q = q₀nSΔl. Если частицы движутся слева направо со средней скоростью υ, то за время все частицы, заключенные в рассматриваемом объёме, пройдут через поперечное сечение 2. Поэтому сила тока равна:

В СИ единицей силы тока является ампер (А).

Эта единица установлена на основе магнитного взаимодействия токов.

Измеряют силу тока амперметрами. Принцип устройства этих приборов основан на магнитном действии тока.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.

Найдём скорость упорядоченного перемещения электронов в металлическом проводнике. Согласно формуле (15.2) где е — модуль заряда электрона.

Пусть, например, сила тока I = 1 А, а площадь поперечного сечения проводника S = 10 -6 м 2 . Модуль заряда электрона е = 1,6 • 10 -19 Кл. Число электронов в 1 м 3 меди равно числу атомов в этом объёме, так как один из валентных электронов каждого атома меди является свободным. Это число есть n ≈ 8,5 • 10 28 м -3 (это число можно определить, если решить задачу 6 из § 54). Следовательно,

Как видите, скорость упорядоченного перемещения электронов очень мала. Она во много раз меньше скорости теплового движения электронов в металле.

Условия, необходимые для существования электрического тока.

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц.

Однако этого ещё недостаточно для возникновения тока.

Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима сила, действующая на них в определённом направлении.

Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за столкновений с ионами кристаллической решётки металлов или нейтральными молекулами электролитов и электроны будут двигаться беспорядочно.

На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой:

Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.
Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника в соответствии с формулой (14.21) существует разность потенциалов. Как показал эксперимент, когда разность потенциалов не меняется во времени, в проводнике устанавливается постоянный электрический ток. Вдоль проводника потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального на другом, так как положительный заряд под действием сил поля перемещается в сторону убывания потенциала.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Законы постоянного тока — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Источник

Электрический ток. Все о силе тока в физике

Прежде чем выяснять, что такое сила тока и от чего она зависит, нужно дать определение электрическому току как движению заряженных частиц.

Что такое электрический ток

Слово “ток” обозначает течение, а электрический ток – это течение заряда. Какие же частицы обладают зарядом?

В металлах имеются свободные электроны, а в растворах солей, кислот или щелочей – положительно и отрицательно заряженные ионы. Все эти частицы могут участвовать в создании электрического тока. Но сами по себе заряженные частицы не создают электрический ток.

Чтобы в проводнике возник электрический ток, движение заряженных частиц должно быть упорядоченным. В соединительном проводнике свободные электроны перемещаются под действием электрического поля.

Итак, электрический ток – это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля.

Источники электрического тока

Чтобы получить электрический ток в проводнике, необходимо привести заряженные частицы в направленное движение. Но как получить ток, который существовал бы длительное время?

Возьмем два заряженных тела А и В, заряды которых равны по модулю, но противоположны по знаку, и соединим их проводником.

На отрицательно заряженном теле находится избыток электронов, на положительно заряженном теле – недостаток электронов. В проводнике на короткое время возникнет электрический ток. Он будет существовать до тех пор, пока не исчезнет электрическое поле.

Процесс разделения зарядов осуществляют источники электрического тока.

В источнике тока благодаря химическим или иным процессам (в зависимости от принципа его действия) происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц.

Эти разделенные частицы накапливаются на так называемых полюсах источника тока.

Примерами источников тока являются аккумуляторы. Они могут быть свинцовыми(кислотными), а также широкое применение получили железно-никелевые(щелочные).

В последние десятилетия наряду с традиционными источниками тока стали широко применяться источники, изготовленные на основе химического элемента лития.

Впечатляет также разнообразие габаритов источников электричества: от миниатюрныхбатареек для питания ручных часов и до мощных аккумуляторных батарей, устанавливаемых на подводных лодках.

Что такое сила тока

Подобно автомобилям разных конструкций и оснащения, заряженные частицы перемещаются в прямом или обратном направлении, быстрее или медленнее. Их скорость и концентрация создают «движение», только не на шоссе, а в проводнике.

Для количественной характеристики электрического тока в цепи вводится понятие силы тока. Силу тока обочначают буквой І.

Сила тока – физическая величина, равная отношению количества заряда к величине этого промежутка времени.

Это физическая величина, равная количеству заряда, проходящего за единицу времени через поперечное сечение проводящего материала-проводника. Его носители могут быть как отрицательно, так и положительно заряженные.

В первом случае, это электроны или отрицательные ионы-анионы, во втором – положительные ионы-катионы или «дырки» (пустоты в кристаллической решетке полупроводника, которые ведут себя как положительно заряженные частицы).

Электрическое напряжение

Нетрудно представить, что электрический ток подобен потоку воды в шланге. Если удерживать оба конца шланга на одном уровне, то никакого течения воды не будет.

Если же один из концов опустить вниз, то вода потечет с более высокого уровня на низкий. Разность уровней воды аналогична напряжению источника тока.

Чем выше напряжение (чем больше разница в уровнях воды), тем больше сила тока в цепи (тем быстрее движется вода в шланге).
Работу электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока Аэл.

Работа тока зависит от напряжения.
Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного электрического заряда из одной точки в другую и обозначают буквой U.

Единица электрического напряжения называют вольтом.

Прибор, с помощью которого измеряют напряжение на полюсах источника тока или на каком-нибудь участке цепи, называют вольтметром. По внешнему виду и устройству вольтметр очень похож на амперметр.

На электрических схемах вольтметр изображают в виде кружка с буквой V.

Электрическое сопротивление

Если включать в цепь различные проводники, то сила тока будет различной.

Посмотрим на зависимость силы тока от вида проводника, включенного в цепь. Соберем цепь, состоящую из источника тока, ключа, лампочки и амперметра. Будем последовательно подсоединять проводники одинакового размера, но сделанные из разного материала: железа, меди, никеля.

Свечение лампочки и сила тока больше при подключении железного проводника, чем при включении никелевого, но меньше, чем при включении медного.

Разные проводники обладают различным сопротивлением электрическому току из-за особенностей в строении их кристаллической решетки.

Такая зависимость остается справедливой не только для металлов, но и для проводников другой природы, например электролитов.
Электрическое сопротивление – это физическая величина характеризующая способность проводника препятствовать протеканию электрического тока в этом проводнике.

Сопротивление обозначают буквой R.

Единицу сопротивления называют Ом (1 Ом). 1 Ом – это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1В сила тока равна 1А:

Как возникает сила тока

Сила тока возникает из-за разности значений напряжения (или потенциалов) в начале и на конце проводника. Для поддержания разности потенциалов нужен источник энергии.

В зависимости от устойчивости показателя и направления протекания, ток бывает постоянным или переменным. Постоянный может существовать только в замкнутом контуре, в котором есть непрерывное круговое движение заряженных частиц. Например, в гальванических элементах – батарейках и аккумуляторах. В этих устройствах энергия вырабатывается благодаря химическим процессами.

Для возникновения постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц.

Постоянный ток получают не только от батареек и аккумуляторов, но и путем выпрямления переменного, в частности, производимого генераторами.

Работа электронной аппаратуры от сети переменного источника в квартирах осуществляется посредством дополнительных приборов: блоков питания с выпрямителями сигналов, стабилизаторов напряжения.

В чем она измеряется и как посчитать

Сила тока измеряется в амперах – обозначение 1 А. Ампер – одна из семи основных единиц.

1А = 1Кл/c, где Кл (или С) – это кулон, единица измерения количества электрического заряда.

Сила тока обозначается символом I (согласно первой букве французского Intensite´ du courant).

Величина ее определяется по формуле I=qn Vср S cos a, где:

q – сумма зарядов;
n – концентрация частиц;
Vср – средняя скорость их упорядоченного движения;
S – площадь проводника;
a – угол между вектором направления движения и вектором нормали (перпендикуляра) к поверхности проводника.

Ампер – единица измерения силы электрического тока.

Закон Ома

Экспериментально доказано, что во сколько раз увеличивается напряжение на участке цепи, во столько же раз увеличивается и сила тока на этом участке. То есть сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника.

График зависимости силы тока от напряжения будет представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат . Его называют вольт-амперной характеристикой цепи.

Зависимость силы тока от сопротивления показывает, что чем больше сопротивление проводника, тем меньше сила тока при одном и том же напряжении между концами проводника. Поэтому сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника

Для участка цепи величина I рассчитывается по формуле немецкого физика Георга Ома, открывшего в 1926 г. закон взаимосвязи между силой тока, напряжением и сопротивлением проводника:

U – напряжение (или падение напряжения, или разность потенциалов), измеряется в вольтах – обозначение В или V;
R – сопротивление проводника, измеряется в омах – обозначение Ом или W.

Или по формуле I=UG, где обозначение G – это проводимость или электропроводность (величина, обратная сопротивлению, измеряется в сименсах, обозначение – См или S).

Расчет для полной цепи происходит по формуле I=e/R+r, где:

e – ЭДС или электро-движущая сила в цепи, измеряется в вольтах;
R – суммарное сопротивление всех приборов, включенных в цепь;
r – внутреннее сопротивление источника напряжения.

Сила тока зависит от электрического напряжения (или разности потенциалов, или ЭДС). В случаях, когда r<>R, можно считать, что она обратно пропорциональна либо сопротивлению цепи, либо сопротивлению источника.

Закон Ома для полной цепи.

Значение I связано с показателем скорости преобразования электрической энергии – мощностью P (единицы измерения ватты -обозначение Вт или W). Для линейной цепи, в которой соблюдается закон Ома, расчет P производится по формуле:

P=IU или P=I2R=U2/R.

Значение I прямо пропорционально мощности: I=P/U. В приборах большей мощности возникает ток большей силы.

Как измерить силу тока

Эту характеристику можно измерить с помощью амперметра. Прибор последовательно подключается к электрической сети (плюс к плюсу, минус к минусу). Чем ниже сопротивление амперметра, тем меньше его влияние на измерения, и тем они точнее. Если сопротивление амперметра стремится к нулю, он нейтрален и не влияет на показатели сети.

Работа амперметра основана на магнитном действии тока. Чем больше сила тока, проходящего по катушки, тем сильнее она взаимодействует с магнитом и тем больше угол поворота стрелки амперметра.

При измерении силы тока амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить.

У каждой клеммы прибора стоит свой знак: “+” или “-“.

Клемму со знаком “+” нужно соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком “-” – с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.

На электрических схемах амперметр изображают в виде кружка с буквой А.

Виды амперметров

По конструкции амперметры бывают:

аналоговые (со стрелочной измерительной головкой);
цифровые (с индикатором).

Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах.

По способу измерения:

Магнитоэлектрические, в которых отклонение чувствительной стрелки и показатели зависят от силы взаимодействия полей постоянного магнита и поля электрического тока в алюминиевой рамке, и угла поворота последней.
Электромагнитные, показатели которых меняются с подвижками железного сердечника под влиянием электромагнитного поля катушки.
Электродинамические, в которых отклонение стрелки связано с притяжением или отклонением подвижной катушки относительно неподвижной, соединенных последовательно или параллельно.
Тепловые, в которых при нагреве электрическим током происходит изменение длины металлической нити и положения связанной с нитью измерительной стрелки.
Индукционные, в которых связанный со стрелкой металлический диск отклоняется под воздействием электромагнитного поля неподвижных катушек.
Детекторные, в которых магнитоэлектрический прибор соединен с выпрямителем-детектором.
Термоэлектрические, которые состоят из нагревателя и магнитоэлектрического измерительного механизма.
Фотоэлектрические, в которых фотоэлектрический элемент преобразует световой поток в электрический.

Магнитоэлектрические приборы определяют только силу постоянного тока, индукционные и детекторные – переменного. Фотоэлектрические высокоточные приборы работают с постоянным током и током низкой и высокой частоты.

Остальные из перечисленных подходят для разных токов.

Приборы бывают многофункциональными, т.е. действующими в разных режимах. Например, мультиметр работает и как вольтметр, и как омметр, и как мегомметр (для высоких сопротивлений).

В всех современных измерительных приборах есть переключатель диапазона чувствительности.

Правила измерения

Амперметр включается в электросеть последовательно, «в разрыв цепи».
При включении прибора в сеть, необходимо соблюдать полярность, присоединяя «+» прибора к «+» источника тока, а «-» к «-».
Тестируемая линия при подключении должна быть обесточена. Иначе прикасание щупами прибора к проводам или контактам может вызвать короткое замыкание.
При высоких напряжениях в цепь переменного тока помимо амперметра включается трансформатор или шунт, в цепь постоянного – магнитный усилитель или шунт.
Тип амперметра для измерений выбирают в соответствии с типом электрического прибора или линии. Также учитывают требуемую точность показателей.

Перед подключением необходимо подробно изучить инструкцию к амперметру.

Источник

Электрический ток это заряд в движении, в металлах, газах, вакууме

Главная страница » Электрический ток это заряд в движении, в металлах, газах, вакууме

Электрический ток – для лучшего понимания этого эффекта энергетики можно представить электрический заряд, находящийся в движении. Между тем, ток способен образоваться в результате природного эффекта — разряда статического электричества (удара молнии, контакта между пальцем и металлической пластиной заземления). Однако чаще всего, когда речь заходит об электрическом токе, имеется в виду контролируемая форма электричества, производимого генераторами, химическими и солнечными элементами батарей, топливными элементами.

Сущность электрического тока для физики

Значительная доля электрического заряда переносится электронами и протонами непосредственно внутри атома. Протоны обладают положительным зарядом, электроны, соответственно, отрицательным.

Протоны, в массе своей, размещаются внутри атомных ядер. Соответственно, транспорт заряда из одной области к другой осуществляется электронами.

Электроны в структуре проводящего материала (металлы) допускают свободное перемещение от атома к атому в так называемых зонах проводимости, выступающих наиболее высокими электронными орбитами.

Сформированная электродвижущая сила (ЭДС) создаёт дисбаланс зарядов. Этим дисбалансом электроны перемещаются (транспортируются) по структуре проводника электрическим током.

Движение электронов в структуре проводника вполне сравнимо с течением воды внутри сантехнической трубы. Но это сравнение чисто условное в плане принципов транспортировки

В принципе, допустимо сравнивать электрический ток с потоком воды. Правда, следует помнить – вода и ток – вещи несовместимые.

Допустим, есть труба, полная воды. Если открыть кран на одном конце трубы, на другом конце вода появится практически мгновенно. Обусловлена такая ситуация поступающим после крана потоком воды, которая толкает жидкость уже находящуюся в трубе.

Нечто аналогичное происходит и в случае транспорта электрического тока через проводник. Электроны проводимости уже присутствуют внутри структуры провода.

Остаётся организовать толчок электронам на одном конце, активируя тем самым течение тока на другом конце практически мгновенно.

Электрический ток и скорость движения

Фактическая скорость электрона по структуре провода исчисляется несколькими миллионами метров в секунду. Однако для электрона не является характерным прямолинейное движение.

Электрон практически движется наугад, что физики называют скоростью дрейфа электрона. Однако скорость передачи в целом по структуре провода практически равна скорости света (300 млн. м/сек).

Для варианта переменного тока, когда направление движения меняется 50-60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не «вытекает» из тела провода.

Вот так, играючи с котом, вполне достижимой становится генерация статического электричества, когда образуются высокие напряжения и совсем небольшой по величине ток

Дисбаланс заряда электронов достигается несколькими способами. Один из известных способов предполагает создание статического заряда в момент трения двух разных материалов одного о другой. Например, трением меховой шкурки животного о кусок минерала — янтаря.

Между тем такой вариант «генерации» чреват образованием очень высоких напряжений при очень низкой силе тока. Получаемый разряд длится не более доли секунды. Поэтому крайне сложно использовать этот способ формирования электрического тока для какой-либо полезной работы.

Что такое постоянный электрический ток?

Другим широко известным способом образования дисбаланса заряда является электрохимическая батарея. Первое такое устройство изобрели в 1800 году. Автором изобретения выступил итальянский физик — Алессандро Вольта.

В честь этого учёного названа единица измерения электродвижущей силы (напряжения) – вольт. Международными стандартами принято обозначение вольта в виде латинского символа — V.

Электрохимический элемент питания – упрощённая схема: 1 – коллектор; 2 – анод; 3 – корпус контейнера; 4 – катод, 5 — сепаратор

Для этого способа «генерации» используются чередующиеся цинковые и медные пластины. Пластины разделены одна с другой слоями ткани, которая пропитана солёной водой.

Такая конструкция способна создавать постоянный ток (движение электронов в одном направлении). С момента изобретения и до настоящего времени электрохимические батареи прошли значительный путь совершенства.

Другие способы организации источников постоянного тока включают:

Топливные элементы, где химические процессы между кислородом и водородом приводят к получению тока (электрической энергии) в процессе.
Фотоэлектрическая ячейка, где фотонная энергия солнечного света поглощается электронами и преобразуется в электрический ток (энергию).

Что такое переменный электрический ток?

Значительная доля электроэнергии, используемой человеком, применяется в виде переменного тока, распределяемого по централизованной электрической сети.

Переменный ток вырабатывается электрическими генераторами – машинами, действующими по закону индукции Фарадея, когда изменяющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в структуре проводника.

Генераторы наделяются вращающимися катушками из витков проволоки. Эти катушки в момент вращения пересекают магнитные поля, в результате чего производится электрический ток.

Причём образуется ток, меняющий направление на каждой половине оборота. Полный цикл прямого и обратного хода (частота) выполняется 50-60 раз в секунду (50-60 Гц).

Классическое исполнение традиционно применяемого устройства – генератора переменного тока. Такого рода системы широко применяются для нужд народного хозяйства

Генераторы традиционно вращаются паровыми турбинами, действующими:

на угле,
на природном газе,
на нефтяном топливе,
от ядерного реактора.

Нередко электрические генераторы работают в паре с ветряными или водяными турбинами, установленными на гидроэлектростанциях.

От генератора электричество проходит через ряд трансформаторов, где повышается до нужного высокого напряжения с последующей передачей потребителям.

Причина такого преобразования в том, что диаметром проводов определяется величина электрического тока (сила), переносимая без эффекта перегрева и потерь энергии. Однако величина напряжения ограничивается только качеством изоляции от земли.

Интересный факт — заряды переносятся только одним проводом, не двумя. Соответственно две транспортных линии обозначены как положительные и отрицательные.

Однако, поскольку полярность переменного напряжения изменяется 50-60 раз в секунду, две стороны переменной ЭДС обозначаются как горячие и заземлённые.

Магистральные линии электропередач традиционно выступают горячей стороной, тогда как заземлённая сторона проходит через Землю и завершает цепь.

Мощность и транспорт по линиям передач

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на силу заряда, допустимо передавать больше мощности по линии с той же силой, используя более высокое напряжение.

Затем переданное высокое напряжение снижается распределением через сеть подстанций, пока не достигнет трансформатора потребителя. Здесь напряжение снижается до 230В (110В в странах Америки).

Как только энергия достигает конца транспортировочной линии, большая часть используется одним из двух способов:

Подачей тепла и света через электрическое сопротивление.
Механическим движением через электрическую индукцию.

Есть несколько других применений — люминесцентные лампы и микроволновые печи, действующие несколько иным принципом, но львиная доля энергии идёт на устройства, основанные на сопротивлении и / или индуктивности. Электрический фен, к примеру, использует оба принципа одновременно.

Завершающий штрих на электрический ток

Обозначенные выше моменты подводят к важной особенности энергии: выполнению работы. Электрический ток способен совершать разнообразную работу:

освещать дом,
стирать и сушить одежду,
открывать двери и окна и т.д.

Однако все более важной для современного мира становится способность энергетической передачи информации формой двоичных данных.

Подключение к сети Интернет через компьютер требует, конечно, использования относительно небольшой доли энергии. Даже, например, по сравнению с обычным нагревателем (ТЭН) средней мощности. Но именно этот вариант использования энергии видится особо важным для современной жизни.

Заземление частного дома: схема проводной системы на металлических штырях

Эффект короны ЛЭП — высоковольтных линий электропередач

Как устанавливать и обслуживать электрические моторы

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Источник

Что такое электрический ток?

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/м 2 . 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.

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