Электрический ток (эл ток, или просто ток) – движущая сила современной человеческой цивилизации. Без него остановятся заводы и фабрики, погрузятся во мрак города, пропадут тепло и горячая вода в домах, многие другие блага и достижения технического прогресса станут недоступными. Однако, несмотря на такую огромную роль данного явления в человеческой жизни, многие не знают, в чем его суть, благодаря чему он возникает и протекает. В этой статье будет рассмотрено, что такое ток, как он возникает, где применяется, какие частицы являются его носителями в различных веществах, какие физические законы являются основными для данного явления.
Электрический ток
Основные определения
Существует 2 основных определения данного явления: классическое и приводимое в академических учебниках. Суть каждого из них следующая:
- Классическое определение электрического тока гласит, что он представляет собой направленное строго упорядоченное движение частиц, обладающих зарядом;
- В академических учебных пособиях указывается, что электрический ток – это скорость, с которой заряд изменяется с течением определенного времени.
Из двух данных определений первое наиболее часто применяемое, второе – используется реже, так как не описывает сути природы электротока.
Война токов
Активное использование постоянного тока началось в конце 19 века. Тогда Эдисон довел до ума лампочку (1890) и основал первые в Нью-Йорке электростанции, которые производили постоянный ток напряжением 110 Вольт.
Использование постоянного тока было связано с существенными потерями при его передаче на большие расстояния. Переменный ток нельзя было использовать из-за того, что не было соответствующих счетчиков и моторов, работавших на переменном токе. Так же был затруднен процесс преобразования постоянного тока в переменный. При этом переменный ток можно было без потерь передавать на большие расстояния.
В то время в Америку из Сербии приехал Никола Тесла, который устроился на работу в компанию к Эдисону. Тесла изобрел электродвигатель переменного тока, понял все выгоды и предложил Эдисону его использование.
Тесла и Эдисон
Эдисон не послушал Теслу и к тому же не выплатил ему зарплату. Так и началось знаменитое противостояние изобретателей — война токов.
Она длилась более ста лет и закончилась в 2007 году. Тогда Нью-Йорк полностью перешел на электроснабжение переменным током.
Где применяется электрический ток
Плотность тока — что это такое и в чем измеряется
Данное явление нашло широкое применение в таких областях человеческой цивилизации, как:
- Промышленность;
- Сельское хозяйство;
- Коммунальное хозяйство;
- Банковская сфера;
- Транспорт;
- Информационные технологии.
Кроме данных областей, электричество является основой быта любого современного человека – без него невозможно функционирование бытовых приборов, аудио,- и видеотехники, внутреннего и наружного освещения, отопительных котлов, охранного оборудования и других потребителей электроэнергии.
Характеристики тока
Сила тока- скалярная величина, определяется по формуле
Если ток изменяется, то заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, определяется как площадь фигуры, ограниченной зависимостью I(t).
Плотность тока- векторная величина, определяется по формуле
Прибор для измерения силы тока называется амперметром. Включается в сеть последовательно. Собственное сопротивление амперметра должно быть мало, поскольку включение амперметра не должно изменять силу тока в цепи.
Условия, необходимые для получения электротока
Ампер — что это такое
Основными условиями образования электрического тока являются следующие:
- Наличия источника – соединенного с турбиной генератора, аккумуляторной или солнечной батареей.
- Достаточное количество свободных заряженных частиц в проводнике;
- Электрическое поле, создаваемое источником питания и являющееся той сторонней силой, которая упорядочивает движение зарядов в проводнике и цепи;
- Замкнутая цепь, концы которой подключены к полюсам источника питания.
Только наличие всех данных условий гарантирует, что такое явление, как электрический ток, будет длительно протекать в той или иной цепи, запитывая различных потребителей.
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).
Советуем изучить Литий ионный аккумулятор
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.
Электрический ток в разных средах
В металлах
В металлах протекание тока происходит, благодаря движению таких отрицательно заряженных частиц, как электроны. При подключении к проводнику из меди, алюминия источника питания данные частицы движутся от его отрицательного полюса к положительному или от фазы к нулю.
Медные проводники
В полупроводниках
В полупроводниках (кремний, германий) основными носителями зарядов являются отрицательно заряженные электроны и обладающие положительным зарядом «дырки». Избыток электронов образуется при введении в материал донорной примеси n-типа с большим, по сравнению с исходным веществом, количеством электронов на внешнем электронном уровне. Образование «дырок» происходит при введении в исходный полупроводник вещества с меньшим количеством электронов на внешнем электронном уровне – акцепторной примеси p-типа.
Протекание тока осуществимо в материалах на примере самой простой полупроводниковой радиодетали (диода), состоящей из двух пластинок кремния с введенными в них примесями n и p-типа. При этом пластинка с примесью n-типа называется катод, p-типа – анод.
Диод
При подключении к катоду отрицательного полюса источника питания, а к аноду – положительного, вследствие притяжения электронов из области n-типа плюсом батареи в цепи начнет протекать ток. При подключении питания к диоду в обратной полярности ток протекать не будет – электроны катода будут притягиваться к положительному полюсу батареи, «дырки» анода – к отрицательному.
В вакууме и газе
В обычном состоянии газы являются типичными диэлектриками. Однако при воздействии на газ высокой температуры, ультрафиолетового или рентгеновского излучения он подвергается ионизации – находящиеся в нем атомы теряют свои электроны или притягивают (захватывают) их из соседних атомов. Вследствие данного эндотермического процесса атомы газа теряют свою электронейтральность, и из них образуются такие носители зарядов, как ионы (анионы – отрицательно заряженные и катионы – положительно заряженные).Сам газ в таком состоянии называется плазмой.
Плазма
В жидкости
В жидкостях, обладающих электрической проводимостью (электролитах), основными носителями зарядов являются ионы, образующиеся при электролитической диссоциации солей.
Основные понятия
Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, благодаря которым может порождаться электромагнитное поле. К заряженным частицам можно отнести следующие: электроны, протоны, нейтроны, дырки и ионы. В научной литературе нейтрон не имеет заряда, однако участвует в образовании электромагнитного поля.
Кроме того, некоторые не знают, почему электроток является векторной величиной. Это утверждение следует из его определения, поскольку он имеет направление. В некоторых источниках можно встретить такое определение: электроток — скорость, с которой происходит изменение зарядов элементарных частиц в определенный момент времени. Ток характеризуется силой и напряжением (разность потенциалов). Свойства, которыми обладает электроток: тепловое, механическое, химическое и создание электромагнитного поля.
Сила и тип тока
Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через проводник за единицу времени, равную одной секунде. Материалы по проводимости делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники — вещества, которые способны проводить ток, поскольку в них есть свободные электроны. Их наличие можно выяснить по таблице Д. И. Менделеева, воспользовавшись электронной конфигурацией химического элемента.
Полупроводники могут проводить поток заряженных частиц при определенных условиях. Простым примером является полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. Носителями заряда являются электроны и дырки. В диэлектриках нет вообще носителей заряда, следовательно, этот факт исключает проводимость электричества вообще.
Сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). 1 А — единица измерения силы неизменяющегося тока, который проходит по двум проводникам бесконечной длины и очень малой площади поперечного сечения, являющимися параллельными между собой и расположенными в вакуумном пространстве на расстоянии одного метра друг от друга, причем каждый метр такого проводника может вызывать силу взаимодействия, равную 2*10^(-7) Н.
Упрощенный вариант формулировки следующий: сила электротока, при которой через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени t проходит количество электричества Q, называется ампером. Определение записывается в виде формулы и имеет следующий вид: I = Q / t.
Бывают вспомогательные единицы измерения, к которым относят мА (0,001 А), кА (1000 А) и т. д.
Значение силы тока измеряется при помощи амперметра, который подключается в цепь последовательно. Видов электрического тока всего два: постоянный и переменный. Если ток остается постоянным или изменяется по величине, не меняя направления, то он называется постоянным.
Переменный ток изменяется по амплитудному значению и направлению протекания по какому-либо закону. Его основной характеристикой является частота. По закону изменения амплитуды их можно разделить на следующие виды: синусоидальные и несинусоидальные. Первые изменяются по гармоническому закону и его графиком является синусоида. Формула синусоидального тока включает в себя максимальное значение силовой характеристики Iм, время t и угловую частоту w = 2 * 3,1416 * f (частота тока источника питания): i = Iм * sin (w * t). Еще одной величиной, характеризующей электроток, является напряжение или разность потенциалов.
Разность потенциалов
Любое вещество состоит из атомов, состоящих из элементарных частиц. Ядро обладает положительным зарядом, а вокруг него по своим орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Атомы являются нейтральными, поскольку число электронов равно количеству протонов в ядре.
При потерях электронов атомами образуется электромагнитное поле, создаваемое протонами, поскольку они стремятся вернуть недостающие отрицательно заряженные частицы. Если по какой-то причине произошел избыток электронов, то формируется электромагнитное поле с отрицательной составляющей. В первом и во втором случаях формируются положительные и отрицательные потенциалы соответственно. Различие между ними называется напряжением или разностью потенциалов.
Величина различия прямо пропорциональна значению напряжения: при увеличении разницы возрастает значение напряжения. При соединении потенциалов с различными знаками возникает электроток, который стремится устранить причину разности и вернуть атом в исходное состояние.
Электрическое напряжение — работа, совершаемая электромагнитным полем по перемещению точечного заряда. Единица измерения напряжения является вольт (В), а его значение можно измерять с помощью вольтметра. Он подключается параллельно участку или электроприбору, на котором необходимо измерить разность потенциалов. 1 В является разностью потенциалов между двумя точками с зарядом 1 Кл, при котором сила электромагнитного поля совершает работу, равную 1 Дж.
Разряды в газе могут быть самостоятельными и несамостоятельными. Ток начинает существовать, когда появляются свободные заряды. Несамостоятельные разряды существуют пока на него действует сила извне, то есть внешний ионизатор. То есть, если внешний ионизатор перестал действовать, то и ток прекращается.
Самостоятельный разряд электрического тока в газах существует даже после прекращения действия внешнего ионизатора. Самостоятельные разряды в физике подразделяются на тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный.
- Тихий– самый слабый из самостоятельных разрядов. Сила тока в нем очень мала (не более 1 мА). Он не сопровождается звуковыми или световыми явлениями.
- Тлеющий– если увеличить напряжение в тихом разряде, он переходит на следующий уровень – в тлеющий разряд. В этом случае появляется свечение, которое сопровождается рекомбинацией. Рекомбинация– обратный процесс ионизации, встреча электрона и положительного иона. Применяется в бактерицидных и осветительных лампах.
Рис. 2. Тлеющий разряд
- Дуговой– сила тока колеблется от 10 А до 100 А. Ионизация при этом равна почти 100%. Этот тип разряда возникает, например, при работе сварочного аппарата.
Рис. 3. Дуговой разряд
- Искровой– можно считать одним из видов дугового разряда. Во время такого разряда за очень короткое время протекает определенное количество электричества.
- Коронный разряд – ионизация молекул происходит вблизи электродов с малыми радиусами кривизны. Этот вид заряда происходит тогда, когда напряженность электрического поля резко изменяется.
Опасность электрического тока
Помимо полезных свойств, ток – это также достаточно опасное для человеческого здоровья и жизни явление. Так, при соприкосновении с оголенным проводником, в котором величина силы тока свыше 0,1 Аи напряжения – 100 В, возможны серьезные электротравмы, повреждения внутренних органов и даже остановка сердца. Поэтому перед началом работ на не обесточенном по каким-либо причинам участке цепи характеристики протекающего по нему электротока должны в обязательном порядке измеряться, чтобы разумно оценивать последствия поражения током при контакте с токопроводящей поверхностью.
На заметку. При работе на электроустановках необходимо знать, как называются предупреждающие знаки электрической безопасности. Это нужно для того, чтобы ориентироваться в том, насколько опасна работа на том или ином участке цепи в случае его вынужденного или случайного нахождения под напряжением.
Таким образом, знание природы и сути такого явления, как электрический ток (сокращенно эл ток это), позволяет не только понять, как он протекает по тем или иным веществам, но и осознать опасность данного явления для человеческого здоровья при неаккуратном обращении с находящимися под напряжением проводниками, вышедшими из строя электроприборами.
Постоянная составляющая тока и напряжения. DC
Если рассмотреть форму тока в нагрузке на выходе выпрямителей или преобразователей, можно увидеть пульсации — изменения величины тока, существующие, как результат ограниченных возможностей фильтрующих элементов выпрямителя. В некоторых случаях величина пульсаций может достигать достаточно больших значений, которые нельзя не учитывать в расчётах, например, в выпрямителях без применения конденсаторов. Такой ток обычно называют пульсирующим или импульсным. В этих случаях следует рассматривать постоянную DC
и переменную
AC
составляющие.
Постоянная составляющая DC
— величина, равная среднему значению тока за период.
AVG
— аббревиатура Avguste — Среднее.
Переменная составляющая AC
— периодическое изменение величины тока, уменьшение и увеличение относительно среднего значения
.
Следует учитывать при расчётах, что величина пульсирующего тока будет равна не среднему значению, а квадратному корню из суммы квадратов двух величин — постоянной составляющей (DC
) и среднеквадратичного значения переменной составляющей (
AC
), которая присутствует в этом токе, обладает определённой мощностью и суммируется с мощностью постоянной составляющей.
Вышеописанные определения, а так же термины AC
и
DC
могут быть использованы в равной степени как для тока, так и для напряжения .
