Что такое 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 = 1,6·109 - 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.
Подробнее об этом: Условия существования электрического тока
Замкнутый путь, по которому течет электрический ток, называют цепью электрического тока, или электрической цепью.
Условием создания постоянного тока является замкнутая электрическая цепь.
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.
Ток характеризуется силой тока, которая в системе СИ измеряется в амперах (А), и плотностью тока, которая в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.
Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):
1А = 1Кл / с.
В общем случае, обозначив ток буквой i, а заряд q, получим:
i = dq / dt.
Единица тока называется ампер (А).
Ампер является одной из основных физических единиц для описания физических явлений. Эта единица была названа в честь известного французского математика и физика по имени Андре Мария Ампера (1775 - 1836).
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.
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. 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. Подробнее об этом смотрите здесь: Направление электрического тока
Направление электрического тока в электролите и свободных электронов в проводнике
Измерение тока
Измерительные приборы, которые используются для измерения тока, называются амперметрами.
Если мы хотим измерить электрический ток, мы всегда размещаем измерительный прибор последовательно (компоненты, выстроенные в цепи друг за другом) на данном участке цепи. В той части цепи, которую мы измеряем, всегда должна быть нагрузка (например, в виде резистора), чтобы избежать короткого замыкания.
Плотность тока
Электрический ток обычно протекает по всему объему проводника. Однако локально как количество, так и скорость носителей заряда и их направление могут изменяться в проводнике. Для описания локального электрического тока вводится векторная физическая величина плотность электрического тока (сокращенно плотность тока).
Плотность тока — величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения S:
I / S
При этом предполагается, что ток равномерно распределен по сечению проводника. Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм2.
Электрические токи в природе
Электрические токи встречаются и в природе. Они возникают, например, в земле, и геологи используют их при поисках полезных ископаемых. Сильные электрические токи образуются на высоте в сотни километров над нами, в ионосфере, в верхнем электрически заряженном слое воздуха.
Красивые разноцветные сияния, которые наблюдаются в полярных странах, — это движение заряженных частиц в разреженных газах, т. е. особые электрические токи.
С помощью искусственных спутников и космических ракет советские ученые открыли, что вокруг земного шара, на расстоянии тысяч километров от него, движутся громадные потоки заряженных частиц.
Еще более сильные, гигантские электрические токи возникают на солнце, в его раскаленных газах, которые состоят из заряженных частиц и находятся в бурном движении.
Однако все эти электрические токи в природе значительно отличаются от тех, которые создает и использует в технике человек. Ведь он воздействует на природу, изменяет ее, переделывает и заставляет служить себе.
Токи в земле, в атмосфере или в раскаленных газах солнца текут неупорядоченно, по неправильным извилистым путям, захватывая широкое пространство, растекаясь в разные стороны и рассеивая свою энергию.
Человек же создал упорядоченный электрический ток, движущийся по длинным и узким металлическим проводам, проложенным в определенном нужном направлении. Люди превратили «дикое» природное электричество в «культурное», техническое.
Важные термины и определения
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.
Переменный электрический ток
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:
i = Im sin wt,
где Im, - амплитудное (наибольшее) значение тока, А,
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:
w = 2пиf
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.
Электрический ток в твердых телах
Электрические провода и кабели — это хорошо проводящие пути или каналы, по которым передается и подводится поток электроэнергии.
В развитии электротехники большую роль сыграли материалы, хорошо проводящие ток, — проводники электричества. Ими прежде всего оказались металлы.
Простая, казалось бы, вещь — металлический электрический провод, но он был одним из самых великих изобретений человеческого гения и сыграл громадную, неоценимую роль в развитии электротехники, а значит и техники вообще.
Ведь именно он явился хорошим проводящим путем для электрического тока. Благодаря ему был создан тот упорядоченный электрический ток, который мы применяем в технике.
Является ли твердое вещество после подключения к источнику напряжения будет проводить электричество ток (проводник) или нет (изолятор), зависит от его строения:
- Проводники (металлы) имеют кристаллическую решетку, которая состоит из положительных ионов металлов. Валентные электроны связаны с катионами металлической связью, но она очень слабая. Поэтому валентные электроны могут быть очень легко оторваны. При подключении провода к источнику напряжения движение электронов будет направленным и они будут двигаться от отрицательного к положительному полюсу источника.
- Изоляторы не имеют металлической связи, а валентные электроны связаны в оболочке сильной силой (например, ионной связью).
С точки зрения строения вещества металлы можно представить себе в виде трехмерной решетки, в узлах которой находятся ионизированные атомы, т. е. атомы, от которых оторвалось по одному электрону. Таким образом, решетка металла представляет собой периодическое расположение неподвижных (фиксированных) положительных зарядов, вблизи которых хаотически движутся электроны.
Количество электронов в кристалле примерно равно количеству ионизированных атомов (в 1 см3 вещества находится примерно 1023 атомов). Если такой кристалл поместить в электрическое поле, то свободные электроны будут двигаться против направления поля, т. е. через кристалл начнет протекать ток.
Диэлектрик (или изолятор) отличается от металла тем, что в нем почти не содержится свободных электронов, и поэтому через такое вещество электрический ток практически не протекает. Даже нагрев, обычно увеличивающий энергию электронов и способствующий отрыву их от ядер, в диэлектрике приводит лишь к тому, что он плавится, но так и не становится хорошим проводником.
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.
Электрический ток в газах
Электрический ток в газах вызывается электронами, положительными и отрицательными ионами. При нормальном давлении и температуре газы содержат очень мало свободных электрически заряженных частиц, поэтому они являются очень хорошими изоляторами.
Под действием высокой температуры или излучения (ультрафиолетового, рентгеновского или радиоактивного) из изначально нейтральных молекул газа высвобождаются электроны и образуются положительные ионы. Часть освободившихся электронов захватывается нейтральными молекулами и образует отрицательные ионы. Таким образом, непроводящие газы становятся проводящими газами. Происходит ионизация газа.
Энергия, необходимая для отрыва электрона от нейтрального атома, называется энергией ионизации. Она выражается в электрон-вольтах (эВ).
Если электрон соединяется с положительным ионом или отрицательный ион с положительным ионом в газах, снова образуется нейтральная молекула газа. Мы называем этот процесс рекомбинацией ионов . Проведение электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе.
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.
Смотрите дальше:
Электрический ток в проводниках
Действие магнитного поля на проводник с током
Ток и напряжение при параллельном, последовательном и смешанном соединении проводников