Для какой цели нужно получать электрический ток. Что такое электрический ток и каковы условия его существования

Когда человек научился создавать и использовать электрический ток, качество его жизни резко возросло. Сейчас значение электроэнергии продолжает увеличиваться с каждым годом. Для того чтобы научиться разбираться в более сложных вопросах, связанных с электричеством, надо сначала понять, что такое электрический ток.

Что представляет собой ток

Определение электрического тока – это представление его в виде направленного потока движущихся носителей-частиц, заряженных положительно или отрицательно. Носителями заряда могут быть:

заряженные со знаком «минус» электроны, движущиеся в металлах;
ионы в жидкостях или газах;
положительно заряженные дырки от перемещающихся электронов в полупроводниках.

Что такое ток, определяется еще наличием электрического поля. Без него направленный поток заряженных частиц не возникнет.

Понятие об электрическом токе было бы неполным без перечисления его проявлений:

Любому электротоку сопутствует магнитное поле;
Проводники нагреваются при его прохождении;
Электролиты изменяют химический состав.

Проводники и полупроводники

Электроток может существовать только в проводящей среде, но природа его протекания различна:

В металлических проводниках присутствуют свободные электроны, которые начинают двигаться под воздействием электрического поля. Когда температура возрастает, повышается и сопротивление проводников, так как от тепла усиливается движение атомов в хаотичном порядке, что создает помехи свободным электронам;
В жидкой среде, образованной электролитами, возникающее электрическое поле вызывает процесс диссоциации – формирования катионов и анионов, которые перемещаются в сторону положительных и отрицательных полюсов (электродов) в зависимости от знака заряда. Нагрев электролита приводит к уменьшению сопротивления из-за более активного разложения молекул;

Важно! Электролит может быть твердым, но природа протекания тока в нем идентична жидким.

Газообразная среда также характеризуется наличием ионов, приходящих в движение. Образуется плазма. От излучения возникают и свободные электроны, участвующие в направленном движении;
При создании электротока в вакууме электроны, высвобождающиеся на отрицательном электроде, движутся к положительному;
В полупроводниках существуют свободные электроны, разрывающие связи от нагревания. На их местах остаются дырки, имеющие заряд со знаком «плюс». Дырки и электроны способны создавать направленное движение.

Нетокопроводящие среды называются диэлектрическими.

Важно! Направление тока соответствует направлению движения частиц-носителей заряда со знаком «плюс».

Род тока

Постоянный. Для него характерны неизменное количественное значение тока и направление;
Переменный. С течением времени периодически меняет свои характеристики. Подразделяется на несколько разновидностей, зависящих от изменяемого параметра. Преимущественно количественное значение тока и его направленность варьируются по синусоиде;
Вихревые токи. Возникают, когда магнитный поток подвергается изменениям. Формируют закрытые контуры, не перемещаясь между полюсами. От вихревых токов вызывается интенсивное тепловыделение, как следствие, возрастают потери. В сердечниках электромагнитных катушек их ограничивают, применяя конструкцию из отдельных изолированных пластин вместо цельной.

Характеристики электроцепи

Сила тока. Это количественное измерение заряда, проходящего во временную единицу по сечению проводников. Заряды измеряются в кулонах (Кл), временная единица – секунда. Сила тока – это Кл/с. Полученное соотношение назвали ампером (А), в чем измеряется количественное значение тока. Измеряющий прибор – амперметр, последовательно подключаемый в цепь электрических соединений;
Мощность. Электроток в проводнике должен преодолеть сопротивление среды. Затраченная работа по его преодолению в течение определенного временного промежутка будет мощностью. При этом происходит превращение электроэнергии в другие виды энергии – совершается работа. Мощность зависит от силы тока, напряжения. Их произведение определит активную мощность. При умножении еще на время получается расход электроэнергии – то, что показывает счетчик. Измеряться мощность может в вольтамперах (ВА, кВА, мВА) или в ваттах (Вт, кВт, мВт);
Напряжение. Одна их трех важнейших характеристик. Для протекания тока необходимо создать разность потенциалов двух точек замкнутой цепи электрических соединений. Напряжение характеризуется работой, производимой электрическим полем при передвижении единичного носителя заряда. Согласно формуле, единицей измерения напряжения является Дж/Кл, что соответствует вольту (В). Измеряющий прибор – вольтметр, подключается параллельно;
Сопротивление. Характеризует способность проводников пропускать электроток. Определяется материалом проводника, длиной и площадью его сечения. Измерение – в омах (Ом).

Законы для электротока

Электрические цепи рассчитывают с помощью трех главных законов:

Закон Ома. Исследовался и был сформулирован ученым-физиком из Германии в начале 19-го века для постоянного тока, затем его применили также для переменного. Он устанавливает соотношение между силой тока, напряжением и сопротивлением. На основе закона Ома рассчитывается практически любая электроцепь. Основная формула: I = U/R, или сила тока находится в прямой пропорциональной зависимости с напряжением и в обратной – с сопротивлением;

Закон Фарадея. Относится к электромагнитной индукции. Появление индуктивных токов в проводниках обуславливается воздействием магнитного потока, меняющегося во времени из-за наведения в закрытом контуре ЭДС (электродвижущей силы). Модуль наведенной ЭДС, измеряемой в вольтах, пропорционален скорости, с которой изменяется магнитный поток. Благодаря закону индукции работают генераторы, вырабатывающие электроэнергию;
Закон Джоуля-Ленца. Имеет важное значение при расчете нагрева проводников, что используется для проектирования и изготовления нагревательных, осветительных приборов, другого электрооборудования. Закон позволяет определить количество теплоты, выделяющееся при прохождении электрического тока:

где I – сила протекающего тока, R – сопротивление, t – время.

Электричество в атмосфере

В атмосфере может существовать электрическое поле, происходят ионизационные процессы. Хотя природа их возникновения до конца не ясна, существуют разные объясняющие гипотезы. Самая популярная – конденсатор, как аналог для представления электричества в атмосфере. Его пластинами можно обозначить земную поверхность и ионосферу, между которыми циркулирует диэлектрик – воздух.

Виды атмосферного электричества:

Грозовые разряды. Молнии с видимым свечением и громовыми раскатами. Напряжение молний достигает сотен миллионов вольт при силе тока 500 000 А;

Огни Святого Эльма. Коронный разряд электричества, образующийся вокруг проводов, мачт;
Шаровая молния. Разряд в форме шара, перемещающийся по воздуху;
Полярное сияние. Многоцветное свечение земной ионосферы под воздействием заряженных частиц, проникающих из космоса.

Человеком используются полезные свойства электрического тока во всех областях жизни:

освещение;
передача сигнала: телефон, радио, телевидение, телеграф;
электротранспорт: поезда, электромобили, трамваи, троллейбусы;
создание комфортного микроклимата: отопление и кондиционирование воздуха;
медицинская техника;
бытовое применение: электроприборы;
компьютеры и мобильные устройства;
промышленность: станки и оборудование;
электролиз: получение алюминия, цинка, магния и других веществ.

Опасность электрического тока

Прямой контакт с электрическим током без средств защиты смертельно опасен для человека. Возможны несколько видов воздействий:

термический ожог;
электролитическое расщепление крови и лимфы с изменением ее состава;
судорожные мышечные сокращения могут спровоцировать фибрилляцию сердца вплоть до полной его остановки, нарушить работу дыхательной системы.

Важно! Ток, ощущаемый человеком, начинается со значения 1 мА, если величина тока 25 мА, возможны серьезные негативные изменения в организме.

Самая главная характеристика электрического тока – он может совершать полезную работу для человека: осветить дом, постирать и высушить одежду, приготовить обед, обогреть жилище. Сейчас значимое место занимает его использование в передаче информации, хотя это не требует большого расхода электроэнергии.

Видео

Направленное (упорядоченное) движение частиц, носителей электрического заряда, в электромагнитном поле.

Что такое электрический ток в разных веществах? Примем, соответственно, движущиеся частицы:

в металлах - электроны,
в электролитах - ионы (катионы и анионы),
в газах - ионы и электроны,
в вакууме при определённых условиях - электроны,
в полупроводниках - дырки (электронно-дырочная проводимость).

Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток проявляется следующим образом:

нагревает проводники (явление не наблюдается в сверхпроводниках);
изменяет химический состав проводника (данное явление в первую очередь характерно для электролитов);
создает магнитное поле (проявляется у всех без исключения проводников).

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ""ток проводимости"". Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют ""конвекционным"".

Токи различают на постоянный и переменный. Также существуют всевозможные разновидности переменного тока. При определении видов тока слово «электрический» опускают.

Постоянный ток - ток, направление и величина которого не меняются во времени. Может быть пульсирующий, например выпрямленный переменный, который является однонаправленным.
Переменный ток - электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.
Периодический ток - электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
Синусоидальный ток - периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. Любой периодический несинусоидальный ток может быть представлен в виде комбинации синусоидальных гармонических составляющих (гармоник), имеющих соответствующие амплитуды, часто́ты и начальные фазы. В этом случае Электростатический 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 амплитудным значением, 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 ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
Квазистационарный ток - относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов. Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.
Ток высокой частоты - переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, которые являются либо полезными, определяющими его применение, либо вредными, против которых принимаются необходимые меры, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей.
Пульсирующий ток - это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.
Однонаправленный ток - это электрический ток, не изменяющий своего направления.

Вихревые токи

Вихревые токи (или токи Фуко) - замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитный поток, поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

Характеристики

Исторически принято, что """направление тока""" совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.

Дрейфовая скорость электронов

Дрейфовая скорость направленного движения частиц в проводниках, вызванного внешним полем, зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счёт упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Сила и плотность тока

Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную - силу тока, и векторную - плотность тока.

Сила ток а - физическая величина, равная отношению количества заряда

Прошедшего за некоторое время

через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в СИ измеряется в амперах (международное и русское обозначение: A).

По закону Ома сила тока

на участке цепи прямо пропорциональна электрическому напряжению

Приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению

Если на участке цепи электрический ток не постоянный, то напряжение и сила тока постоянно изменяется, при этом у обычного переменного тока средние значения напряжения и силы тока равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого при этом тепла нулю не равна.

Поэтому применяют следующие понятия:

мгновенные напряжение и сила тока, то есть действующие в данный момент времени.
амплитудные напряжение и сила тока, то есть максимальные абсолютные значения
эффективные (действующие) напряжение и сила тока определяются тепловым действием тока, то есть имеют те же значения, которые они имеют у постоянного тока с таким же тепловым эффектом.

Плотность тока - вектор, абсолютная величина которого равна отношению силы тока, протекающего через некоторое сечение проводника, перпендикулярное направлению тока, к площади этого сечения, а направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, образующих ток.

Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока в среде

пропорциональна напряжённости электрического поля

и проводимости среды

Мощность

При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Электрическое сопротивление любого проводника состоит из двух составляющих:

активное сопротивление - сопротивление теплообразованию;
реактивное сопротивление - сопротивление, обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно).

Как правило, большая часть работы электрического тока выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля - Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах.

В сплошной среде объёмная мощность потерь

определяется скалярным произведением вектора плотности тока

и вектора напряжённости электрического поля

в данной точке:

Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.

Сопротивление излучению вызвано образованием электромагнитных волн вокруг проводника. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде ток одного направления и силы, и длина которых L значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны

Зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:

Наиболее применяемому электрическому току со стандартной частотой 50 ""Гц"" соответствует волна длиной около 6 тысяч километров, именно поэтому мощность излучения обычно пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается, соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной.

Частота

Понятие частоты относится к переменному току, периодически изменяющему силу и/или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период переменного тока - наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Ток смещения

Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. В уравнениях Максвелла ток смещения присутствует на равных правах с током, вызванным движением зарядов. Интенсивность магнитного поля зависит от полного электрического тока, равного сумме тока проводимости и тока смещения. По определению, плотность тока смещения

Векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля

во времени:

Дело в том, что при изменении электрического поля, также как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля, что делает эти два процесса похожими друг на друга. Кроме того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, при зарядке и разрядке конденсатора, несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, переносящего некоторую энергию и своеобразным образом замыкающего электрическую цепь. Ток смещения

в конденсаторе определяется по формуле:

Заряд на обкладках конденсатора,

Электрическое напряжение в между обкладками,

Электрическая ёмкость конденсатора.

Ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда.

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы - здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма - ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты - жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока. Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Электрические токи в природе

Атмосферное электричество - электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин.

В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:

при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю.

Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10 −12 А/м².

Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А.

Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма - естественный коронный электрический разряд.

Биотоки - движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.

Применение

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие - электроэнергетика.

Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,
получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,
получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,
возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,
получения звука,
получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,
создания магнитного поля (в электромагнитах).

Использование электрического тока в медицине

диагностика - биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология.
- Электроэнцефалография - метод исследования функционального состояния головного мозга.
- Электрокардиография - методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.
- Электрогастрография - метод исследования моторной деятельности желудка.
- Электромиография - метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.
Лечение и реанимация: электростимуляции определённых областей головного мозга; лечение болезнь болезни Паркинсона и эпилепсии, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях.

Электробезопасность

Включает в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги)
механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови)

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

""безопасным"" считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
""минимально ощутимый"" человеком переменный ток составляет около 0,6-1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5-7 мА постоянного тока;
пороговым ""неотпускающим"" называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10-15 мА, для постоянного - 50-80 мА;
""фибрилляционным порогом"" называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц. Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.

В России в соответствии c Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей (Приказ Минэнерго РФ от 13.01.2003 № 6 «Об утверждении Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей») и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок (Приказ Минэнерго РФ от 27.12.2000 N 163 «Об утверждении Межотраслевых правил по охране труда (правил безопасности) при эксплуатации электроустановок»), установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.

Примечания

Баумгарт К. К., Электрический ток.
А.С. Касаткин. Электротехника.
Ю.Г. Синдеев. Электротехника с элементами электроники.

Направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).

Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. - Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. - Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.

В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.

В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест - дырок.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.

На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE , которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.

На рисунке показано, что вектор силы F - = -qE , действующей на отрицательный заряд -q , направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.

Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:

I = Q/t .

Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m 2:

Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ 1 и φ 2 между этими точками из расчёта:

U = A/Q = φ 1 - φ 2

Электрический ток может быть постоянным или переменным.

Постоянный ток - электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток - электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.

Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R :

Электрический ток в проводниках

В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.

В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.

Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. - Электролиз.
Анионы - положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду - катоду.
Катионы - отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду - аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.

Электрический ток в газах - плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.

Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах - лампах.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники - изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов.

К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Заряд в движении. Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как, например, молния. Или это может быть контролируемый процесс в генераторах, батареях, солнечных или топливных элементах. Сегодня мы рассмотрим само понятие "электрический ток" и условия существования электрического тока.

Электрическая энергия

Большая часть электроэнергии, которую мы используем, поступает в виде переменного тока из электрической сети. Он создается генераторами, работающими по закону индукции Фарадея, благодаря которому изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике.

Генераторы имеют вращающиеся катушки провода, которые проходят через магнитные поля по мере их вращения. Когда катушки вращаются, они открываются и закрываются относительно магнитного поля и создают электрический ток, меняющий направление на каждом повороте. Ток проходит через полный цикл вперед и назад 60 раз в секунду.

Генераторы могут питаться от паровых турбин, нагретых углем, природным газом, нефтью или ядерным реактором. Из генератора ток проходит через ряд трансформаторов, где растет его напряжение. Диаметр проводов определяет величину и силу тока, которую они могут переносить без перегрева и потери энергии, а напряжение ограничено только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли.

Интересно отметить, что ток переносится только одним проводом, а не двумя. Две его стороны обозначаются как положительная и отрицательная. Однако, поскольку полярность переменного тока изменяется 60 раз в секунду, они имеют и другие названия - горячие (магистральные линии электропередач) и заземленные (проходящие под землей для замыкания цепи).

Зачем нужен электрический ток?

Существует масса возможностей применения электротока: он может осветить ваш дом, вымыть и высушить одежду, поднять дверь вашего гаража, заставить вскипеть воду в чайнике и дать возможность работать другим бытовым предметам, которые значительно облегчают нам жизнь. Тем не менее все более важным становится способность тока передавать информацию.

При подключении к Интернету компьютером используется лишь небольшая часть электрического тока, но это то, без чего современный человек не представляет своей жизни.

Понятие об электрическом токе

Подобно речному течению, потоку молекул воды, электрический ток - это поток заряженных частиц. Что это такое, что его вызывает, и почему он не всегда идет в одном направлении? Когда вы слышите слово «течет», о чем вы думаете? Возможно, это будет река. Это хорошая ассоциация, потому что именно по этой причине электрический ток получил свое название. Он очень похож на поток воды, только вместо молекул воды, движущихся по руслу, заряженные частицы движутся по проводнику.

Среди условий, необходимых для существования электрического тока, есть пункт, предусматривающий наличие электронов. Атомы в проводящем материале имеют много этих свободных заряженных частиц, которые плавают вокруг и между атомами. Их движение является случайным, поэтому поток в каком-либо заданном направлении отсутствует. Что же нужно, чтобы существовал электрический ток?

Условия существования электрического тока включают в себя наличие напряжения. Когда оно применяется к проводнику, все свободные электроны будут двигаться в одном направлении, создавая ток.

Любопытно об электрическом токе

Интересно то, что когда электрическая энергия передается через проводник со скоростью света, сами электроны движутся намного медленнее. На самом деле, если бы вы не спеша прошли рядом с токопроводящей проволокой, ваша скорость была бы в 100 раз быстрее, чем двигаются электроны. Это обусловлено тем, что им не нужно преодолевать огромные расстояния, чтобы передавать энергию друг другу.

Прямой и переменный ток

Сегодня широко используются два разных типа тока - постоянный и переменный. В первом электроны движутся в одном направлении, с «отрицательной» стороны на «положительную». Переменный ток толкает электроны назад и вперед, изменяя направление потока несколько раз в секунду.

Генераторы, используемые на электростанциях для производства электроэнергии, предназначены для производства переменного тока. Вы, наверное, никогда не обращали внимание на то, что свет в вашем доме на самом деле мерцает, поскольку текущее направление меняется, но это происходит слишком быстро, чтобы глаза смогли это распознать.

Каковы условия существования постоянного электрического тока? Зачем нам нужны оба типа и какой из них лучше? Это хорошие вопросы. Тот факт, что мы все еще используем оба типа тока, говорит о том, что они оба служат определенным целям. Еще в XIX веке было понятно, что эффективная передача мощности на большие расстояния между электростанцией и домом была возможна лишь при очень высоком напряжении. Но проблема заключалась в том, что отправка действительно высокого напряжения была чрезвычайно опасной для людей.

Решение этой проблемы состояло в том, чтобы уменьшить напряжение вне дома, прежде чем отправлять его внутрь. И по сей день постоянный электрический ток используется для передачи на большие расстояния, в основном из-за его способности легко преобразовываться в другие напряжения.

Как работает электрический ток

Условия существования электрического тока включают в себя наличие заряженных частиц, проводника и напряжения. Многие ученые изучали электричество и обнаружили, что существует два его типа: статическое и текущее.

Именно второе играет огромную роль в повседневной жизни любого человека, так как представляет собой электрический ток, который проходит через цепь. Мы ежедневно используем его для питания наших домов и многого другого.

Что такое электрический ток?

Когда в цепи циркулируют электрические заряды из одного места в другое, возникает электрический ток. Условия существования электрического тока включают в себя, помимо заряженных частиц, наличие проводника. Чаще всего это провод. Схема его представляет собой замкнутый контур, в котором ток проходит от источника питания. Когда же цепь разомкнута, он не может закончить путь. Например, когда свет в вашей комнате выключен, цепь разомкнута, но когда цепь замкнута, свет горит.

Мощность тока

На условия существования электрического тока в проводнике большое влияние оказывает такая характеристика напряжения, как мощность. Это показатель того, сколько энергии используется в течение определенного периода времени.

Существует много разных единиц, которые могут использоваться для выражения данной характеристики. Однако электрическая мощность почти измеряется в ваттах. Один ватт равен одному джоулю в секунду.

Электрический заряд в движении

Каковы условия существования электрического тока? Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как молния или искра от трения с шерстяной тканью. Однако чаще, когда мы говорим об электрическом токе, мы имеем в виду более контролируемую форму электричества, благодаря которой горит свет и работают приборы. Большая часть электрического заряда переносится отрицательными электронами и положительными протонами внутри атома. Однако вторые в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому работа по переносу заряда из одного места в другое проделывается электронами.

Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени свободны для перехода от одного атома к другому вдоль их зон проводимости, которые являются высшими электронными орбитами. Достаточная электродвижущая сила или напряжение создает дисбаланс заряда, который может вызвать движение электронов через проводник в виде электрического тока.

Если провести аналогию с водой, то возьмем, к примеру, трубу. Когда мы открываем клапан на одном конце, чтобы вода попала в трубу, то нам не нужно ждать, пока эта вода проложит весь путь до ее конца. Мы получаем воду на другом конце почти мгновенно, потому что входящая вода толкает воду, которая уже находится в трубе. Это то, что происходит в случае электрического тока в проводе.

Электрический ток: условия существования электрического тока

Электрический ток обычно рассматривается как поток электронов. Когда два конца батареи соединены друг с другом с помощью металлической проволоки, эта заряженная масса через провод попадает из одного конца (электрода или полюса) батареи на противоположный. Итак, назовем условия существования электрического тока:

Заряженные частицы.
Проводник.
Источник напряжения.

Однако не все так просто. Какие условия необходимы для существования электрического тока? На этот вопрос можно ответить более подробно, рассмотрев следующие характеристики:

Разность потенциалов (напряжение). Это одно из обязательных условий. Между 2 точками должна быть разница потенциалов, означающая, что отталкивающая сила, которая создается заряженными частицами в одном месте, должна быть больше, чем их сила в другой точке. Источники напряжения, как правило, не встречаются в природе, и электроны распределяются в окружающей среде достаточно равномерно. Все же ученым удалось изобрести определенные типы приборов, где эти заряженные частицы могут накапливаться, тем самым создавая то самое необходимое напряжение (например, в батарейках).
Электрическое сопротивление (проводник). Это второе важное условие, которое необходимо для существования электротока. Это путь, по которому перемещаются заряженные частицы. В качестве проводников выступают только те материалы, которые дают возможность электронам свободно перемещаться. Те же, у которых этой способности нет, называются изоляторами. Например, проволока из металла будет отличным проводником, в то время как ее резиновая оболочка будет превосходным изолятором.

Тщательно изучив условия возникновения и существования электрического тока, люди смогли приручить эту мощную и опасную стихию и направить ее на благо человечества.

Электрический ток

К атегория:

Крановщикам и стропальщикам

Электрический ток

Что называется электрическим током?

Упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц называется электрическим током. Причем электрический ток, сила которого со временем не меняется, называется постоянным. Если же направление движения тока меняется и изменения. по величине и направлению повторяются в одной и той же последовательности, то такой ток называется переменным.

Что вызывает и поддерживает упорядоченное движение заряженных частиц?

Вызывает и поддерживает упорядоченное движение заряженных частиц электрическое поле. Имеет ли электрический ток определенное направление?
Имеет. За направление электрического тока принимают движение положительно заряженных частиц.

Можно ли непосредственно наблюдать движение заряженных частиц в проводнике?

Нет. Но о наличии электрического тока можно судить по тем действиям и явлениям, которыми он сопровождается. Например, проводник, по которому движутся заряженные частицы, нагревается, а в пространстве, окружающем проводник, образуется магнитное поле и магнитная стрелка вблизи проводника с электрическим током поворачивается. Кроме того, ток, проходящий через газы, вызывает их свечение, а проходя через растворы солей, щелочей и кислот, разлагает их на соетавнйе части.

Чем определяется сила электрического тока?

Сила электрического тока определяется количеством электричества, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Чтобы определить силу тока в цепи, надо количество протекающего электричества разделить на время, за которое оно протекло.

Что принято за единицу силы тока?

За единицу силы тока принята сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельны прямолинейным проводникам бесконечной длины ни тожно малого сечения, расположенным на рассто нии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы межд этими проводниками силу, равную 2 Ньютона н каждый метр. Эту единицу назвали Ампером в чест французского ученого Ампера.

Что принято за единицу количества электричества?

За единицу количества электричества принят Кулон (Ку), который проходит в одну секунду при силе тока в 1 Ампер (А).

Какими приборами измеряют силу электрического тока?

Силу электрического тока измеряют приборами, называемыми амперметрами. Шкалу амперметра градуируют в амперах и долях ампера по показаниям точных образцовых приборов. Силу тока отсчитывают по показаниям стрелки, которая перемещается вдоль шкалы от нулевого деления. Амперметр в электрическую цепь включают последовательно, с помощью двух клемм или зажимов, имеющихся на приборе. Что такое напряжение электрического тока?
Напряжение электрического тока есть разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Оно равно работе, совершаемой-силами электрического поля при перемещении положительного заряда, равного единице, из одной точки поля в другую.

Основной единицей измерения напряжения является Вольт (В).

Каким прибором измеряют напряжение электрического тока?

Напряжение электрического тока измеряют прибо; ром, который называется вольтметром. В цепь электрического тока вольтметр включают параллельно. Сформулируйте закон Ома на участке цепи.

Что такое сопротивление проводника?

Сопротивление проводника есть физическая величина, характеризующая свойства проводника. Единицей сопротивления является Ом. Причем сопротивление в 1 Ом имеет провод, в котором устанавливается ток 1 А при напряжении на его концах 1 В.

Зависит ли сопротивление в проводниках от величины протекающего по ним электрического тока?

Сопротивление однородного металлического проводника определенной длины и сечения не зависит от величины протекающего по нему тока.

От чего зависит сопротивление в проводниках электрического тока?

Сопротивление в проводниках электрического тока зависит от длины проводника, площади его поперечного сечения и рода материала проводника (удельного сопротивления материала).

Причем сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит, как было сказано выше, от материала проводника.

Зависит ли сопротивление в проводниках от температуры?

Да, зависит. Повышение температуры металлического проводника вызывает увеличение скорости теплового движения частиц. Это приводит к увеличению числа столкновений свободных электронов и, следовательно, к уменьшению времени свободного пробега, вследствие чего уменьшается удельная проводимость и увеличивается удельное сопротивление материала.

Температурный коэффициент сопротивления чистых металлов равен приблизительно 0,004 °С, что означает увеличение их сопротивления на 4% при повышении температуры на 10 °С.

При повышении температуры в электролита угле время свободного пробега тоже уменьшается, при этом увеличивается концентрация носителей з дов, вследствие чего удельное сопротивление их повышении температуры уменьшается.

Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи.

Сила тока в замкнутой цепи равна отноше электродвижущей силы цепи к ее полному сопроти нию.

Эта формула показывает, что сила тока зависит трех величин: электродвижущей силы Е, внешнег сопротивления R и внутреннего сопротивления г Внутреннее сопротивление не оказывает заметног влияния на силу тока, если оно мало по сравнению внешним сопротивлением. При этом напряже ние на зажимах источника тока приблизительно равн электродвижущей силе (ЭДС).

Что представляет собой электродвижущая сила (ЭДС)?

Электродвижущая сила представляет собой отношение работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль цепи к заряду. Как и разность потенциалов, электродвижущую силу измеряют в вольтах.

Какие силы называются сторонними силами?

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением потенциальных сил электростатического происхождения (т. е. кулонов- ских), называются сторонними силами. Именно за счет работы этих сил заряженные частицы приобретают энергию и отдают ее затем при движении в проводниках электрической цепи.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источника тока, генератора, аккумулятора и т. д.

В результате на клеммах источника тока появляются заряды противоположного знака, а между клеммами-определенная разность потенциалов. Далее при замыкании цепи начинает действовать образование поверхностных зарядов, создающих электрическое поле по всей цепи, которое появляется в результате того, что при замыкании цепи почти сразу же на всей поверхности проводника возникает поверхностный заряд. Внутри источника заряды движутся под действием сторонних сил против сил электростатического поля (положительные от минуса, к плюсу), а по всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле.

Рис. 1. Электрическая цепь: 1- источник, электроэнергии (аккумулятор); 2 - амперметр; 3 - преемник энергии (лай па накаливания); 4 - электрические провода; 5 - однополюсные руСидьник; 6 - плавкие предохранители