Справочник | Инженерные системы. Эл ток

Электрический ток

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение всех находящихся в данном проводнике свободных электронов в каком-нибудь общем для них направлении.

Прохождение электрического тока по проводникам можно уподобить протеканию жидкостей по трубам. Как жидкости всегда текут от областей большего давления к меньшему, так и общее движение электронов в проводнике возможно лишь от более высокого потенциала к более низкому. Для образования электрического тока необходимо наличие разности потенциалов (или электродвижущей силы), заставляющей все свободные электроны двигаться всегда в сторону положительного потенциала. Подобно тому, как напор воды в трубах может быть создан насосами многих систем (либо разностью уровней), электродвижущую силу можно получать различными способами. Исторически первым способом получения электрического тока было использование электродвижущей силы образующейся при некоторых химических реакциях. Химические источники тока применяются весьма широко и в наше время в виде гальванических элементов и аккумуляторов.

Электродвижущая сила может быть создана также механическим путем с помощью динамомашин и генераторов, причем наибольшее количество электроэнергии во всем мире создается именно таким образом.

Из других средств получения электродвижущей силы (сокращенно ее обозначают э. д. с.) следует упомянуть термоэлементы, фотоэлементы, пьезоэлементы и еще не разработанные до широкого практического применения, но уже используемые в отдельных случаях атомные элементы и батареи, э. д. с. которых обеспечивается явлениями радиоактивного распада некоторых веществ. Очень слабые э. д. с. вырабатываются и в живых организмах. В медицине, например, применяется аппаратура для измерений электродвижущих сил, связанных с сердечной деятельностью (кардиографы) или функциями мозга (энцефалографы).

Все антенны радиоприемников тоже являются устройствами для получения электродвижущих сил, наводимых проносящимися в пространстве электромагнитными волнами.

Наконец, э. д. с. имеются и в свободной атмосфере, причем диапазон их величин огромен, если учесть грозовые явления.

Среди разнообразных видов электрического тока наиболее простым является постоянный ток, с которого обычно начинают изучение основных законов электротехники.

Постоянным называется ток, не изменяющийся по силе со временем или изменяющийся весьма медленно и при этом протекающий по проводнику всегда в одном и том же направлении.

Так же, как поток воды в трубах может быть создан быстрым или медленным ее движением, электрический ток образуется общим перемещением свободных электронов внутри проводников с различными скоростями. Необходимо отметить, что средняя скорость этого движения вовсе не так велика, как обычно считают. Поскольку число атомов и связанное с этим количество свободных электронов в проводниках весьма велики, обычные электрические токи вызываются передвижениями всей массы наполняющих проводники электронов со скоростями от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в секунду. Чем выше электродвижущая сила, вызывающая прохождение тока по одному и тому же проводнику, тем быстрее движутся электроны и тем большее количество их в единицу времени проходит через поперечное сечение проводника, несущего ток. Различие между скоростью передачи сигналов (или, что то же самое, передачи энергии) с помощью электротока и скоростью движения электронов нетрудно уяснить, если обратиться к примерам из гидравлики. На рис. 3 показана гидравлическая модель с трубой, часть жидкости в которой подкрашена. Если, наблюдая за окрашенным участком, открывать и закрывать имеющийся внизу кран, то воздействие крана будет передаваться окрашенному участку почти мгновенно: он сразу же начнет двигаться вниз при открытом кране и моментально остановится, если кран закрыть. Однако если открыть кран надолго, потребуется довольно длительное ожидание, чтобы из него потекла, наконец, окрашенная вода.

Так и в электрических цепях, например в цепи электролампочки, ток начинает проходить и лампочка дает свет практически одновременно со щелчком выключателя, однако именно те электроны, которые первыми прошли через замкнувшийся контакт выключателя в зависимости от длины проводки дойдут до лампочки лишь через многие десятки секунд. При переменном токе эти электроны вообще никогда до лампочки не доходят.

Для измерения силы тока служит единица, называемая ампером (а). При токе силою в один ампер за каждую секунду через поперечное сечение проводника в любом его месте проходит один кулон электричества (или 6,3Х1018 электронов). Это определение записывается в виде такой формулы:

Электрический ток

где I — сила постоянного тока в амперах, Q —число кулонов протекшего через проводник заряда, а T—число потребовавшихся для этого секунд.

В практике встречаются токи как очень больших величин, измеряемые многими тысячами и даже миллионами ампер, так и весьма слабые токи, составляющие миллионные и миллиардные доли ампера.

Для измерения слабых токов применяют ставшие употребительными единицы: миллиампер (ма)=10-3 а и микроампер (мка) = 10-6 а.

Электрический ток

Рис. 3. Труба с подкрашенным участком жидкости.

Смотрите также

aerologiya.ru

Электрический ток | Справочник | Инженерные системы

В первую очередь, стоит выяснить, что представляет собой электрический ток. Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. Чтобы он возник, следует предварительно создать электрическое поле, под действием которого вышеупомянутые заряженные частицы придут в движение.

Первые сведения об электричестве, появившиеся много столетий назад, относились к электрическим «зарядам», полученным посредством трения. Уже в глубокой древности люди знали, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Но только в конце XVI века английский врач Джильберт подробно исследовал это явление и выяснил, что точно такими же свойствами обладают и многие другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, он назвал наэлектризованными. Это слово образовано от греческого электрон — «янтарь». В настоящее время мы говорим, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называются «заряженными».

Электрические заряды всегда возникают при тесном контакте различных веществ. Если тела твердые, то их тесному соприкосновению препятствуют микроскопические выступы и неровности, которые имеются на их поверхности. Сдавливая такие тела и притирая их друг к другу, мы сближаем их поверхности, которые без нажима соприкасались бы только в нескольких точках. В некоторых телах электрические заряды могут свободно перемещаться между различными частями, в других же это невозможно. В первом случае тела называют «проводники», а во втором — «диэлектрики, или изоляторы». Проводниками являются все металлы, водные растворы солей и кислот и др. Примерами изоляторов могут служить янтарь, кварц, эбонит и все газы, находящиеся в нормальных условиях.

Тем не менее нужно отметить, что деление тел на проводники и диэлектрики весьма условно. Все вещества в большей или меньшей степени проводят электричество. Электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Такого рода ток просуществует недолго, потому что в наэлектризованном теле кончится заряд. Для продолжительного существования электрического тока в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле. Для этих целей используются источники электротока. Самый простой случай возникновения электрического тока — это когда один конец провода соединен с наэлектризованным телом, а другой — с землей.

Электрические цепи, подводящие ток к осветительным лампочкам и электромоторам, появились лишь после изобретения батарей, которое датируется примерно 1800 годом. После этого развитие учения об электричестве пошло так быстро, что менее чем за столетие оно стало не просто частью физики, но легло в основу новой электрической цивилизации.

Основные величины электрического тока

Количество электричества и сила тока. Действия электрического тока могут быть сильными или слабыми. Сила действия электрического тока зависит от величины заряда, который протекает по цепи за определенную единицу времени. Чем больше электронов переместилось от одного полюса источника к другому, тем больше общий заряд, перенесенный электронами. Такой общий заряд называется количество электричества, проходящее сквозь проводник.

От количества электричества зависит, в частности, химическое действие электрического тока, т. е. чем больший заряд прошел через раствор электролита, тем больше вещества осядет на катоде и аноде. В связи с этим количество электричества можно подсчитать, взвесив массу отложившегося на электроде вещества и зная массу и заряд одного иона этого вещества.

Силой тока называется величина, которая равна отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к времени его протекания. Единицей измерения заряда является кулон (Кл), время измеряется в секундах (с). В этом случае единица силы тока выражается в Кл/с. Такую единицу называют ампером (А). Для того чтобы измерить силу тока в цепи, применяют электроизмерительный прибор, называемый амперметром. Для включения в цепь амперметр снабжен двумя клеммами. В цепь его включают последовательно.

Электрическое напряжение. Мы уже знаем, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц — электронов. Это движение создается при помощи электрического поля, которое совершает при этом определенную работу. Это явление называется работой электрического тока. Для того чтобы переместить больший заряд по электрической цепи за 1 с, электрическое поле должно выполнить большую работу. Исходя из этого, выясняется, что работа электрического тока должна зависеть от силы тока. Но существует и еще одно значение, от которого зависит работа тока. Эту величину называют напряжением.

Напряжение — это отношение работы тока на определенном участке электрической цепи к заряду, протекающему по этому же участку цепи. Работа тока измеряется в джоулях (Дж), заряд — в кулонах (Кл). В связи с этим единицей измерения напряжения станет 1 Дж/Кл. Данную единицу назвали вольтом (В).

Для того чтобы в электрической цепи возникло напряжение, нужен источник тока. При разомкнутой цепи напряжение имеется только на клеммах источника тока. Если этот источник тока включить в цепь, напряжение возникнет и на отдельных участках цепи. В связи с этим появится и ток в цепи. То есть коротко можно сказать следующее: если в цепи нет напряжения, нет и тока. Для того чтобы измерить напряжение, применяют электроизмерительный прибор, называемый вольтметром. Своим внешним видом он напоминает ранее упоминавшийся амперметр, с той лишь разницей, что на шкале вольтметра стоит буква V (вместо А на амперметре). Вольтметр имеет две клеммы, с помощью которых он параллельно включается в электрическую цепь.

Электрическое сопротивление. После подключения в электрическую цепь всевозможных проводников и амперметра можно заметить, что при использовании разных проводников амперметр выдает разные показания, т. е. в этом случае сила тока, имеющаяся в электрической цепи, разная. Это явление можно объяснить тем, что разные проводники имеют разное электрическое сопротивление, которое представляет собой физическую величину. В честь немецкого физика ее назвали Омом. Как правило, в физике применяются более крупные единицы: килоом, мегаом и пр. Сопротивление проводника обычно обозначается буквой R, длина проводника — L, площадь поперечного сечения — S. В этом случае можно сопротивление записать в виде формулы:

R = р * L/S

где коэффициент р называется удельным сопротивлением. Данный коэффициент выражает сопротивление проводника длиною в 1 м при площади поперечного сечения, равной 1 м2. Удельное сопротивление выражается в Ом х м. Поскольку провода, как правило, имеют довольно малое сечение, то обычно их площади выражают в квадратных миллиметрах. В этом случае единицей удельного сопротивления станет Ом х мм2/м. В нижеприведенной табл. 1 показаны удельные сопротивления некоторых материалов.

Удельное электрическое сопротивление некоторых материалов

Материал	р, Ом х м2/м	Материал	р, Ом х м2/м
Медь	0,017	Платино-иридиевый сплав	0,25
Золото	0,024	Графит	13
Латунь	0,071	Уголь	40
Олово	0,12	Фарфор	1019
Свинец	0,21	Эбонит	1020
Металл или сплав
Серебро	0,016	Манганин (сплав)	0,43
Алюминий	0,028	Константан (сплав)	0,50
Вольфрам	0,055	Ртуть	0,96
Железо	0,1	Нихром (сплав)	1,1
Никелин (сплав)	0,40	Фехраль (сплав)	1,3
Никелин (сплав)	0,40	Хромель (сплав)	1,5

По данным таблицы становится понятно, что самое малое удельное электрическое сопротивление имеет медь, самое большое — сплав металлов. Кроме этого, большим удельным сопротивлением обладают диэлектрики (изоляторы).

Электрическая емкость. Мы уже знаем, что два изолированных друг от друга проводника могут накапливать электрические заряды. Это явление характеризуется физической величиной, которую назвали электрической емкостью. Электрическая емкость двух проводников — не что иное, как отношение заряда одного из них к разности потенциалов между этим проводником и соседним. Чем меньше будет напряжение при получении заряда проводниками, тем больше их емкость. За единицу электрической емкости принимают фарад (Ф). На практике используются доли данной единицы: микрофарад (мкФ) и пикофарад (пФ).

Если взять два изолированных друг от друга проводника, разместить их на небольшом расстоянии один от другого, то получится конденсатор. Емкость конденсатора зависит от толщины его пластин и толщины диэлектрика и его проницаемости. Уменьшая толщину диэлектрика между пластинами конденсатора, можно намного увеличить емкость последнего. На всех конденсаторах, помимо их емкости, обязательно указывается напряжение, на которое рассчитаны эти устройства.

Работа и мощность электрического тока. Из вышесказанного понятно, что электрический ток совершает определенную работу. При подключении электродвигателей электроток заставляет работать всевозможное оборудование, двигает по рельсам поезда, освещает улицы, обогревает жилище, а также производит химическое воздействие, т. е. позволяет выполнять электролиз и т. д. Можно сказать, что работа тока на определенном участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа. Работа измеряется в джоулях, напряжение — в вольтах, сила тока — амперах, время — в секундах. В связи с этим 1 Дж = 1В х 1А х 1с. Из этого получается, для того чтобы измерить работу электрического тока, следует задействовать сразу три прибора: амперметр, вольтметр и часы. Но это громоздко и малоэффективно. Поэтому, обычно, работу электрического тока замеряют электрическими счетчиками. В устройстве данного прибора имеются все вышеназванные приборы.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока к времени, в течение которого она совершалась. Мощность обозначается буквой «Р» и выражается в ваттах (Вт). На практике используют киловатты, мегаватты, гектоватты и пр. Для того чтобы замерить мощность цепи, нужно взять ваттметр. Электротехники работу тока выражают в киловатт-часах (кВтч).

Основные законы электрического тока

Закон Ома. Напряжение и ток считаются наиболее удобными характеристиками электрических цепей. Одной из главных особенностей применения электричества является быстрая транспортировка энергии из одного места в другое и передача ее потребителю в нужной форме. Произведение разности потенциалов на силу тока дает мощность, т. е. количество энергии, отдаваемой в цепи на единицу времени. Как было сказано выше, чтобы замерить мощность в электрической цепи, понадобилось бы 3 прибора. А нельзя ли обойтись одним и вычислить мощность по его показаниям и какой-либо характеристике цепи, вроде ее сопротивления? Многим эта идея понравилась, они посчитали ее плодотворной.

Итак, что же такое сопротивление провода или цепи в целом? Обладает ли проволока, подобно водопроводным трубам или трубам вакуумной системы, постоянным свойством, которое можно было бы назвать сопротивлением? К примеру, в трубах отношение разности давления, создающей поток, деленное на расход, обычно является постоянной характеристикой трубы. Точно так же тепловой поток в проволоке подчиняется простому соотношению, в которое входит разность температур, площадь поперечного сечения проволоки и ее длина. Открытие такого соотношения для электрических цепей стало итогом успешных поисков.

В 1820-х годах немецкий школьный учитель Георг Ом первым приступил к поискам вышеназванного соотношения. В первую очередь, он стремился к славе и известности, которые бы позволили ему преподавать в университете. Только поэтому он выбрал такую область исследований, которая сулила особые преимущества.

Ом был сыном слесаря, поэтому знал, как вытягивать металлическую проволоку разной толщины, нужную ему для опытов. Поскольку в те времена нельзя было купить пригодную проволоку, Ом изготавливал ее собственноручно. Во время опытов он пробовал разные длины, разные толщины, разные металлы и даже разные температуры. Все эти факторы он варьировал поочередно. Во времена Ома батареи были еще слабые, давали ток непостоянной величины. В связи с этим исследователь в качестве генератора применил термопару, горячий спай которой был помещен в пламя. Кроме этого, он использовал грубый магнитный амперметр, а разности потенциалов (Ом называл их «напряжениями») замерял путем изменения температуры или числа термоспаев.

Учение об электрических цепях только-только получило свое развитие. После того как, примерно, в 1800 году изобрели батареи, оно стало развиваться намного быстрее. Проектировались и изготовлялись (довольно часто вручную) различные приборы, открывались новые законы, появлялись понятия и термины и т. д. Все это привело к более глубокому пониманию электрических явлений и факторов.

Обновление знаний об электричестве, с одной стороны, стало причиной появления новой области физики, с другой стороны, явилось основой для бурного развития электротехники, т. е. были изобретены батареи, генераторы, системы электроснабжения для освещения и электрического привода, электропечи, электромоторы и прочее, прочее.

Открытия Ома имели огромное значение как для развития учения об электричестве, так и для развития прикладной электротехники. Они позволили легко предсказывать свойства электрических цепей для постоянного тока, а впоследствии — для переменного. В 1826 году Ом опубликовал книгу, в которой изложил теоретические выводы и экспериментальные результаты. Но его надежды не оправдались, книгу встретили насмешками. Это произошло потому, что метод грубого экспериментирования казался мало привлекательным в эпоху, когда многие увлекались философией.

Ому не оставалось ничего другого, как оставить занимаемую должность преподавателя. Назначения в университет он не добился по этой же причине. В течение 6 лет ученый жил в нищете, без уверенности в будущем, испытывая чувство горького разочарования.

Но постепенно его труды получили известность сначала за пределами Германии. Ома уважали за границей, пользовались его изысканиями. В связи с этим соотечественники вынуждены были признать его на родине. В 1849 году он получил должность профессора Мюнхенского университета.

Ом открыл простой закон, устанавливающий связь между силой тока и напряжением для отрезка проволоки (для части цепи, для всей цепи). Кроме этого, он составил правила, которые позволяют определить, что изменится, если взять проволоку другого размера. Закон Ома формулируется следующим образом: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка.

Закон Джоуля-Ленца. Электрический ток в любом участке цепи выполняет определенную работу. Для примера возьмем какой-либо участок цепи, между концами которого имеется напряжение (U). По определению электрического напряжения, работа, совершаемая при перемещении единицы заряда между двумя точками, равна U. Если сила тока на данном участке цепи равна i, то за время t пройдет заряд it, и поэтому работа электрического тока в этом участке будет:

А = Uit

Это выражение справедливо для постоянного тока в любом случае, для какого угодно участка цепи, который может содержать проводники, электромоторы и пр. Мощность тока, т. е. работа в единицу времени, равна:

Р = A/t = Ui

Эту формулу применяют в системе СИ для определения единицы напряжения.

Предположим, что участок цепи представляет собой неподвижный проводник. В этом случае вся работа превратится в тепло, которое выделится в этом проводнике. Если проводник однородный и подчиняется закону Ома (сюда относятся все металлы и электролиты), то:

U = ir

где r — сопротивление проводника. В таком случае:

А = rt2t

Этот закон впервые опытным путем вывел Э. Ленц и, независимо от него, Джоуль.

Следует отметить, что нагревание проводников находит многочисленное применение в технике. Самое распространенное и важное среди них — осветительные лампы накаливания.

Закон электромагнитной индукции. В первой половине XIX века английский физик М. Фарадей открыл явление магнитной индукции. Этот факт, став достоянием многих исследователей, дал мощный толчок развитию электро- и радиотехники.

В ходе опытов Фарадей выяснил, что при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в нем возникает электрический ток. Это и является основой, пожалуй, самого важного закона физики — закона электромагнитной индукции. Ток, который возникает в контуре, назвали индукционным. В связи с тем что электроток возникает в цепи только в случае воздействия на свободные заряды сторонних сил, то при изменяющемся магнитном потоке, проходящем по поверхности замкнутого контура, в нем появляются эти самые сторонние силы. Действие сторонних сил в физике называется электродвижущей силой или ЭДС индукции.

Электромагнитная индукция появляется также в незамкнутых проводниках. В том случае когда проводник пересекает магнитные силовые линии, на его концах возникает напряжение. Причиной появления такого напряжения становится ЭДС индукции. Если магнитный поток, проходящий сквозь замкнутый контур, не меняется, индукционный ток не появляется.

При помощи понятия «ЭДС индукции» можно рассказать о законе электромагнитной индукции, т. е. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Правило Ленца. Как мы уже знаем, в проводнике возникает индукционный ток. В зависимости от условий своего появления он имеет разное направление. По этому поводу русский физик Ленц сформулировал следующее правило: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле не дает магнитному потоку изменяться. Все это вызывает возникновение индукционного тока.

Индукционный ток, так же как и любой другой, имеет энергию. Значит, в случае возникновения индукционного тока появляется электрическая энергия. Согласно закону сохранения и превращения энергии, вышеназванная энергия может возникнуть только за счет количества энергии какого-либо другого вида энергии. Таким образом, правило Ленца полностью соответствует закону сохранения и превращения энергии.

Помимо индукции, в катушке может появляться так называемая самоиндукция. Ее суть заключается в следующем. Если в катушке возникает ток или его сила изменяется, то появляется изменяющееся магнитное поле. А если изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, то в ней возникает электродвижущая сила, которая называется ЭДС самоиндукции.

Согласно правилу Ленца, ЭДС самоиндукции при замыкании цепи создает помехи силе тока и не дает ей возрастать. При выключении цепи ЭДС самоиндукции снижает силу тока. В том случае, когда сила тока в катушке достигает определенного значения, магнитное поле перестает изменяться и ЭДС самоиндукции приобретает нулевое значение.

es.novosibdom.ru

Электрические токи - это... Что такое Электрические токи?

Ток - упорядоченное движение заряженных частиц.

Такими частицами могут являться: в твёрдых проводниках — электроны, в жидких проводниках (электролитах) — гидратированные ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в плазме — ионы (электроны за некоторым исключением), в полупроводниках — электроны и т. н. «дырки» («электронно-дырочная проводимость»).

Электрическое поле, приводящее электроны в движение, распространяется в проводниках с огромной скоростью, приближающейся к скорости света в вакууме (299 792 458 м/с), но сами электроны движутся гораздо медленнее (в проводах их скорость составляет несколько миллиметров в секунду).

Ток характеризуется силой тока, которая в системе СИ измеряется в амперах, и плотностью тока, которая в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.

Напряжение

Напряжением называется разность потенциалов, существующая между двумя точками проводника, измеряется и выражается в вольтах (В). Вольт — это напряжение, которое, будучи приложено к концам проводника с сопротивлением 1 Ом, создает ток силой 1 ампер. Напряжение — это вид электрического давления, которое толкает электроны от одного конца проводника к другому. Чем больше напряжение, тем больше сила тока. И, наоборот, чем больше сопротивление, тем меньше сила тока.

Закон Ома — ток равен напряжению, деленному на сопротивление.

I = U/R где: I — сила тока — (ампер), U — напряжение между концами проводника — (вольт), R — сопротивление проводника — (Ом).

В зависимости от длины, сечения и материала проводник оказывает прохождению тока большее или меньшее сопротивление. Чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление. И чем больше сечение проводника, тем меньше его сопротивление. Сопротивление измеряется в омах(Ом), тысячах ом, или килоомах(кОм) и миллионах ом, или мегаомах (МОм).1 Ом — это приблизительно сопротивление, которое имеет медная проволока длиной 62 м и сечением 1 мм².

Сопротивление

R (в омах) зависит от длины L (в сантиметрах) и сечения S (в квадратных сантиметрах):

R = P(L/S)

В этом выражений P — коэффициент, зависящий от природы проводника и называемый «удельным сопротивлением».

Мощность

Это работа тока, совершаемая в 1 сек. Основной единицей работы тока является ватт-секунда (вт ∙ сек), то есть работа тока мощностью 1вт в течение 1 секунды. Мощность тока, равная одному ватту, есть мощность тока в один ампер при напряжении в один вольт. Чем больше напряжение и чем больше ток, тем больше мощность:

P = UI или P = I²R или P = U²/R где: P — мощность тока — (ватт), U — напряжение между концами проводника — (вольт), I — сила тока — (ампер), R — сопротивление проводника — (Ом)

Различают постоянный (DC) и переменный (AC) ток. Постоянный ток — это ток, создаваемый напряжением, имеющим постоянные величину и направление. Переменный ток создается переменным напряжением. В случае переменного напряжения потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудой, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через нуль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Время, за которое происходит один такой цикл (время включающее изменение тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током в одну секунду, носит название частота. Единице частоты присвоили имя Герца, который первый экспериментально получил электромагнитные волны. Таким образом, один Герц соответствует одному периоду в секунду.

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.

Также существует «ток смещения», протекание которого обусловлено процессом заряда ёмкости, то есть изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор «протекает» (сам электрический ток — ни постояный, ни переменный — через конденсатор не проходит. В цепи, соединяющей источник переменного тока с конденсатором, течёт ток заряда и разряда этого конденсатора. Эта особенность переменного тока чрезвычайно широко используется в радиотехнике). Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника (см. Скин-эффект).

Различают 3 действия электрического тока:

Магнитное (железная или никелевая проволока становится электромагнитом).
Химическое (электрический ток в растворах электролитов, выделение новых веществ).
Тепловое (лампа накаливания).

Ток, пропущенный через организм человека или животного, может вызвать электрические ожоги (ионизируя кожу человека), 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.

См. также

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Что такое электрический ток?

Если внимательно проанализировать жизнь современного общества в техническом плане, то становится понятным, что привычный порядок вещей определяет электрический ток. Устройство общества во многом определяется именно им. Можно отказаться от природного газа, заменив его твердыми и жидкими видами топлива; даже бензин для автомобилей сейчас вполне успешно подменяется аналогами на основе спирта; но вот электрический ток заменить нечем: он или есть, или его нет.

Люди, лишь в общих чертах знакомые с электротехникой, часто думают, что в данной области давно все известно и рассчитано. На самом деле это далеко не так. Многие свойства, которыми обладает электрический ток, являются аксиомами (фундаментальными законами, не требующими доказательств), хотя это не мешает вполне успешно использовать электрические приборы в быту и на производстве.

На вопрос «что же такое электрический ток» литература дает однозначный ответ – это направленное движение заряженных частиц. Из основного курса физики известно, что атом состоит из трех компонентов: нейтрона, протона и отрицательно заряженного электрона (их количество варьируется). Некоторые электроны, находящиеся на удаленных орбитах от притягивающего их ядра, могут покидать структуру атома и пребывать в «условно свободном» состоянии. При их прохождении по специальным средам, образуемым элементами схем, электроны совершают нужную человеку работу. Это может быть повышение температуры спирали нагревательного прибора, генерация магнитного поля в трансформаторах и катушках индуктивности, колебательные возмущения магнитных полей и пр.

Для создания таких свободных частиц служат источники электрического тока. Слово «создание» верно лишь отчасти, так как не все источники непосредственно генерируют ток. Поэтому существует разделение на первичные и вторичные. Первые создают ток, а вторые его накапливают и при необходимости отдают. Генерация тока выполняется на электростанциях (гидро, тепло, атомных и др.). Обмотки генерирующих машин вращаются в магнитном поле, которое «выбивает» электроны с их орбит. Затем поток этих высвободившихся частиц по линиям электропередач направляется к преобразующим устройствам-трансформаторам, в соответствии с законом электромагнитной индукции уменьшающим или увеличивающим действующее значение напряжения. Далее ток идет к потребителям, где и совершает требуемую работу. Электроны не движутся в «никуда»: они направляются обратно к генератору, соединенному с огромной массой Земли, которая может их накапливать (почти как люди – стремятся к покою). В свете вышесказанного необходимо указать условия существования электрического тока:

наличие замкнутого контура из проводящего материала, служащего для электронов своеобразным мостиком между источником их возникновения (выбивания из атомов) и землей (массой). Именно поэтому до подключения устройства-потребителя в обычной бытовой розетке электрического тока нет, а есть только напряжение;
источник тока постоянно создает их поток в проводнике. В противном случае никакого движения (тока) не будет. Если мощности источника недостаточно для преодоления сопротивления материала, то такой проводник приравнивается к диэлектрику.

Для лучшего понимания природы электрического тока его часто сравнивают с гидросистемами. Ток – движение жидкости по трубам, напряжение – перепад высот и пр. Хотя такое сравнение не может объяснить магнитные свойства, но для общего представления вполне подходит.

Интересный момент: считается, что постоянный ток направлен от положительного полюса (плюса) к отрицательному (минусу), хотя на самом деле электроны движутся в противоположном направлении.

fb.ru

электрический ток | Простая электроника

носители электрического тока

Рубрику «Азы электроники» начну самого первого, что должен знать и понимать любой радиолюбитель –что такое электрический ток и какова физика электрического тока.

Сначала определение: Электрический ток – это направленное движение электронов.

Просто, ёмко и лаконично. Прошу не пугаться этой фразы, на самом деле всё действительно просто. Давайте разберём определение по словам. И начнём, как это полагается в электронике с конца. Почему полагается с конца? – спросите Вы. Да потому, что хотя и проектирование электрических схем ведется с начала, или как говорят электронщики «с головы», проверка параметров и ремонт ведётся всегда с конца, по другому «с хвоста». Но мы с Вами пока еще начинающие радиолюбители, и до проектирования еще далеко, сперва мы научимся собирать, настраивать и ремонтировать несложные цепи. А для этого давайте поймем в начале действие электрического тока.

Итак, последнее слово в определении электрического тока – это ЭЛЕКТРОНЫ. Что же это за зверь такой? Не буду вдаваться в подробности строения вещества, это Вы узнаете из школьного курса по физике и химии. Попробую рассказать «на пальцах».

Металлы (сначала будем рассматривать только металлы, то есть простая проволока, всякие железные ложки, вилки, и прочее, что сделано из меди, стали, железа, алюминия) состоят из множества различного рода ма-а-аленьких частичек, увидеть которые можно лишь в сильный микроскоп. Все эти составные частички имеют свои заряды, которые могут быть положительными (имеют заряд плюс), отрицательными (имеют заряд минус) и нейтральными (не имеют заряда).

Одной из таких частичек и является электрон. Он имеет отрицательный заряд. Самое интересное, электрон не имеет размера, а перемещается в пространстве мгновенно. Точнее он настолько мал и настолько быстро летает, что до сих пор учёные не могут поймать электрон, чтобы узнать его размеры и то из чего он состоит. Но это и не нужно никому, потому как всё, что нужно знать об электроне, даже при всякого рода расчётах, — это его заряд и масса. Мы пока в такие дебри лезть не будем. Достаточно пока знать, как мы уже говорили, что электрон имеет отрицательный заряд.

Второе слово в определении электрического тока – это ДВИЖЕНИЕ. Как было сказано выше, электроны движутся (летают) с очень большой скоростью, считается что мгновенно. И лететь он может куда угодно: хоть вправо, хоть влево, хоть вверх, хоть вниз. А летит он по прямой, пока не столкнется с какой-нибудь другой частицей, а когда столкнется, то отскакивает как мячик и летит в другую сторону.

Вот тут мы подходим к слову НАПРАВЛЕННОЕ в определении. Чтобы в металле появился электрический ток, нужно чтобы все электроны летели в одну сторону. Как же этого добиться, ведь электрон поймать невозможно? А очень просто. Нужно к металлическому проводу (или пластине) подключить какой-нибудь источник электропитания, например батарейку, приложив один конец провода (или одну сторону металлической пластинки) к плюсу батарейки, а другой – к минусу. Говорят, что на концах проводника создана разность потенциалов или по другому — к концам проводника приложено напряжение. Только прошу этого пока не делать на практике, так как Вы создадите короткое замыкание. В лучшем случае у вас сядет батарейка, но она может и взорваться! Почему так, вы узнаете из дальнейших статей.

И вообще, давайте договоримся сразу, пока я не скажу, ничего не делайте. В дальнейшем нас ждут еще очень много опытов.

Итак, подведем итог: Электрический ток в проводниках — это именно НАПРАВЛЕННОЕ движение электронов внутри проводника, возникающее под действием разности потенциалов (приложенного напряжения) на концах проводника.

Поделитесь этой статьей с друзьями в социальных сетях:Свяжитесь с автором статьи в социальных сетях:

lightelectronics.ru

Суть электрического тока. Что такое ток, какова его природа и принцип действия.

Тема: что собой представляет электроток, как он работает, как течет ток.

Под током мы подразумеваем какую-то электрическую энергию, которая совершает некую работу, в результате которой различные электротехнические устройства работают. Само слово ток нам говорит о каком-то потоке. Верно, это именно поток электричества. А вот что он собой представляем и похож ли он, к примеру, на поток жидкости или воздуха? В этой теме мы постараемся узнать это и понять основную суть электрического тока, его природу, работу и принцип действия. После чего у вас будет уже верное понимание, когда вы услышите слова «электрический ток».

Итак, начать стоит с того, что вспомним (из уроков школьной физики) какова модель атома вещества. Она похожа на нашу солнечную систему. Это ядро, состоящее из более мелких элементарных частиц, а именно протонов и нейтронов. Вокруг этого ядра с очень большой скоростью, на определенном расстоянии, вращаются на своих орбитах (которых может быть несколько, и располагаются они одна выше другой) электроны. В зависимости от конкретного вещества количество электронов и их орбит вращения может быть разное количество.

Между элементарными частицами находится пустота (даже в ядре атома протоны и нейтроны не прижаты друг к другу вплотную). Что же позволяет им взаимодействовать друг с другом не имея прямого соприкосновения? Это электромагнитные поля, что окружают эти частицы. Существуют два вида электрического заряда — положительный (он же +) и отрицательный (он же -). Так вот, протоны имеют заряд «+», нейтроны (нейтральные), электроны имеют заряд «-». В итоге получается. Ядро атома имеет положительный заряд (+), так как в его состав входят протоны, а все электроны, что вращаются вокруг ядра, имеют отрицательный заряд (-).

Важным моментом является специфика взаимодействия положительного и отрицательного заряда. Тела, которые имеют разноименный электрический заряд (+ и -) будут взаимно притягиваться друг к другу, а вот если заряды одноименные (+ и + либо - и -), то они всегда будут стремится отталкиваться.

Теперь мы уже ближе подошли к вопросу — какова суть электрического тока. У твердых тел все атомы между собой соединены жесткими связями, в итоге образуя кристаллическую решетку. Какой и чего именно поток может существовать в подобных условиях (внутри кристаллической решетки)? А дело в том, что те электроны, которые вращаются на самой верхней орбите атома (те, что наиболее удалены от центра атома) имеют меньшую силу притяжения к ядру. Они легко могут отрываться и переходить на соседний атом (на его внешнюю орбиту). В целом же внутри вещества подобные перемещения электронов имеют хаотичный характер и не создают одного целенаправленного общего потока.

Если же взять одно тело, которое имеет в себе переизбыток таких свободных электронов, и второе тело, что имеет их недостаток, то после их соединения образуется перетекание от большего к меньшему до состояния уравновешивания. Относительно друг друга одно тело будет являться плюсом (то, где электронов недостаток), а второе (где их переизбыток) будет минусом. Если взять кусок провода (это электрический проводник, у которого имеется множество свободных электронов, и имеющие возможность легко перетекать) и им соединить два тела с положительный зарядом и отрицательным, то мы получим наш электрический ток. Вот именно в этом и заключается его суть. Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В нашей цепи излишек электронов из одного тела потоком перетекают через проводник в другое тело, где их недостаток (движение происходит внутри кристаллических решеток веществ, проводников тока). А само это течение электрических заряженных частиц (электронов) и называется током.

Другим же важным понятием в электричестве является напряжение. Это сила стремления заряженных частиц переместится в более подходящее для себя место (выражаясь образно и простым языком). То есть, если до момента соединения двух разноименных тел мы имеем между ними само стремление переместится (это напряжение, разность потенциалов), то когда появляется возможность — проводник (мостик), соединяющий эти два тела уже возникает электрический ток, перетекание зарядов (при этом напряжение уменьшается, так как нет препятствия).

Это мы говорили о самих условиях, при которых возникает электрический ток. С одного тела электроны перетекли на другое и все, ток закончился. А как же получается так, что в электросетях, электротехнике этот ток бежит постоянно? А происходит это по причине постоянного создания переизбытка заряженных частиц на одном полюсе, и недостатка на другом. Взять обычную батарейку. В ней за счет химических реакций происходит преобразование веществ в процессе чего на одном ее полюсе постоянно имеется переизбыток электронов, а на другом недостаток. Подсоединяем провода, идущие к лампочке и получаем движение тока по цепи. Это ток нагревает нить накала лампы, что и заставляет ее светится.

В электрогенераторах происходит такие же перераспределения заряженных частиц, но по другому принципу. Но суть электрического тока остается все таже. Простое перетекание электрически заряженных частиц с одного места в другое. А пока эти частицы текут по электрическим цепям они успевают делать много полезной работы (движение, свет, звук, радиоволны и т.д.).

P.S. Если разобраться в основах того или иного процесса, то многие загадочные явления приобретают чисто технический и научный смысл. Никаких чудес, просто природные явления. Те, кто понял их суть, по другому воспринимают их действия. Так что пытайтесь понять саму идею, работу, устройство, принцип действия, это сильно упростит ваше понимание многих вещей, происходящий в обычной жизни.

electrohobby.ru

Что такое электрический ток

Что такое электрический ток?

Как известно действие абсолютно всех различных электрических приборов, таких как электромоторы, электроплитки, лампочки и т.п., полностью основано на прохождении в них электрического тока. Такие слова, как включить и выключить ток, известны каждому ещё с детства. Но всё же - что такое электрический ток? Давайте узнаем подробнее.

Не секрет что передача электрического напряжения проходит по металлическим проводам. Точнее, если в них «заглянуть поглубже» и рассмотреть металл на молекулярном уровне, то мы узнаем, что в нём расположены в определённом порядке атомы металлов.

Особенность металла, существенно отличающая его от неких других тел, это наличие внутри металла свободных электронов, которые отклонились от своих атомов и продолжают странствовать по всему объёму, занимаемому металлом. Свободные электроны – это электроны внешней, самой слабо притягиваемой ядром электронной оболочки.

Свободные электроны, прежде беспорядочно блуждавшие, на момент «включения» тока начинают двигаться вдоль проводника. Данное движение свободных электронов становится упорядоченным, что и представляет собой электрический ток в металле.

Постоянное движение электронов в проводнике в одном направлении – постоянный ток. Попеременное движение электронов такое, когда электроны упорядоченно движутся то в одном, то в другом направлении вдоль проводника. Это означает, что ток переменный. Далее будет рассказано более подробно о получении и применении переменного и постоянного тока.

Электрический ток становится сильнее, когда через сечение проводника в секунду проходит больше электронов. Один ампер принят за единицу силы электрического тока. На время электрического тока в один ампер по каждому сечению проводника протекает более 6 миллиардов электронов в секунду. Обыкновенная лампочка, которой мы пользуемся дома, потребляет электрический ток силой в половину ампера, а мотор станка или лифта 30-50 ампер.

Электротехникам в повседневной практике доводится включать ток на линиях электропередачи длиной не в одну сотню километров. При этом совершенно невозможно заметить тот отрезок времени, который минул с момента включения до «возникновения» электрического тока на противоположенном конце линии. Как известно, нам не приходится ждать, до того как начнет светить лампочка. Мы видим, что она моментально загорается после подачи на неё электричества через выключатель.

Дело в том, что поток электронов очень медленно движется по проводу, и это утверждение может показаться не более чем странным. Вот, к примеру, по вольфрамовой нити включенной лампочки за одну секунду электронный поток проходит путь, равносильный практически нескольким миллиметрам.

И как же всё-таки объяснить это кажущееся на первый взгляд несоответствие? Объяснить это можно обратившись к примеру подачи воды в трубах. Представьте себе трубу поршневого насоса продолжительностью в 10 метров и полностью заполненную водой. При этом если нажать на поршень, то некоторое количество воды на этот момент выльется из другого конца трубы. Может ли это означать, что вылились именно те частицы воды, которые находились в трубе непосредственно под поршнем? Нет, конечно.

При давлении нами на поршень к движению привило всю массу воды, которая заполняла трубу. Те частицы воды, которые оказались у противоположенного выходного конца трубы вышли наружу, так как отдельные частицы воды перемещались со скоростью равной движениям поршня. В металлическом проводнике происходит нечто похожее со свободными электронами во время подключения его к электрическому источнику питания.

Под воздействием своеобразного, можно сказать электрического напора, а точнее электрического напряжения, свободные электроны с этого момента начинают своё упорядоченное движение по всем участкам проводника. Вот отчего лампочка при включении даже на удалённой дистанции, а именно на множество десятков километров от станции электропередачи, моментально загорается и не «томится» в ожидании, пока электричество «дойдет» до неё.

И тут появляется вопрос: что же так вынуждает непрерывно следовать вдоль проводника в определённую сторону свободные электроны?

Попробуем увидеть нечто подобное на примере с двумя сосудами. Если взять два идентичных сосуда и соединить их снизу трубкой, в которой наличествует кран, и закрыв кран набрать в сосуды воды, но так чтобы её уровень в сосудах отличался (то есть в один меньше, в другой больше), то когда мы откроем кран, вода начнёт вытекать из сосуда с большим уровнем воды в сосуд, в котором воды было меньше.

Это объясняется тем, что чем больше в сосуде уровень воды, тем выше её давление на дно сосуда. Причина разности давления воды у концов соединительной трубки заключается в разности уровней, тем самым заставляя воду перетекать из сосуда в другой сосуд. На момент выравнивания уровня воды между сосудами, ток воды прекращается.

Данный пример предоставляет нам возможность уяснить причину возникновения электрического тока. Разность «электрических уровней» – напряжение на полюсах источника электрического тока можно уподобить разности уровней воды в сосудах. Замыканию электрической цепи выключателем соответствует открывания крана в соединительной трубке.

Однако необходимо уточнить главное отличие электрического тока от тока жидкости.

Движущая сила, о которой говорилось в первом случае – это разность давлений в жидкости, тогда как электрическая сила (отталкивание от отрицательно заряженного полюса источника тока и притяжения электронов к положительно заряженному полюсу) служит причиной движения свободных электронов по проводнику. Электроны, приходя на положительный полюс источника тока устраняют его положительный заряд.

Известно, что без стабильного возобновления данного заряда ток в тот же момент прекратился бы. В этом и состоит роль абсолютно любого источника тока, чтобы на концах проводника поддерживать разноимённые заряды, «перекачивая» снова и снова на отрицательный полюс те электроны, которые пришли под действием электрических сил из внешней цепи на положительный полюс источника.

Рассмотрим, к примеру, как это достигается в аккумуляторе карманного плеера, при помощи химических процессов, протекающих в нем. Заметим, что и в сообщающихся сосудах для создания постоянного тока жидкости мы тоже должны постоянно перекачивать жидкость из сосуда в сосуд, тем самым искусственно поддерживая разность уровней.

Итак, как стало понятно, разность электрических уровней полюсов источника тока, к которому проводник присоединён, служит причиной электрического тока в проводнике. Выходит, что напряжение в цепи это и есть разность электрических уровней.

electrokiber.ru

Каталог товаров