Понятие электрического тока
Что такое электрический ток
Когда мы произносим словосочетание «электрический ток», то обычно имеем ввиду самые разные проявления электричества. Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток.
Электролиз, электросварка, искры статического электричества на расческе, по спирали лампы накаливания течет ток, и даже в крохотном карманном фонарике через светодиод течет крохотный ток. Что и говорить о нашем сердце, которое также генерирует небольшой электрический ток, особенно это заметно во время прохождения процедуры ЭКГ.
В физике электрическим током принято называть упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе любых носителей электрического заряда. Движущийся вокруг атомного ядра электрон — это тоже ток. И заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону — также станет источником тока: не равный нулю заряд есть и он движется.
Физические аналогии между течением воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод
Ток течет по проводам бытовых электроприборов питающихся от розетки — электроны перемещаются туда-сюда 50 раз за секунду — это называется переменным током.
Высокочастотные сигналы внутри электронных приборов — это тоже электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри схемы.
Любой электрический ток порождает своим существованием магнитное поле. Вокруг проводника с током оно обязательно присутствует. Не существует магнитного поля без тока и тока без магнитного поля.
Даже если магнитного поля вокруг тока не наблюдается, это лишь значит что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно скомпенсированы, как в двужильном проводе любого электрического чайника — переменные токи в каждый момент направлены в противоположные стороны и текут параллельно друг другу — их магнитные поля друг друга нейтрализуют. Это называется принципом наложения (суперпозиции) магнитных полей.
Практически для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциального или вихревого. Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим образом (как например в генераторе Ван Де Граафа — наэлектризованной резиновой лентой).
Генератор Ван Де Граафа:
Если электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц, то нужно найти ответ на вопрос, что приводит эти частицы в движение.
Если рассмотреть некоторую замкнутую систему, в которой циркулирует вода, то в этой системе должен быть насос, который сообщает частицам воды энергию и заставляет их двигаться по трубопроводам. Частицы воды в процессе их циркуляции отдают полученную ими энергию (затрачивая ее, например, на преодоление сил трения). Когда же частицы воды вновь возвращаются к насосу, то в отличие от своего исходного состояния они обладают меньшей энергией.
Если уподобить электроны частицам воды, то аналогично можно представить себе процессы, протекающие в электрической цепи. В этом случае водяному насосу будет соответствовать некий «насос для электронов», или источник электрической энергии, а трубопроводам будут соответствовать провода. Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что в электрической цепи электроны не производятся, а просто в каждом проводнике имеются свободные высокоподвижные электроны.
Если на некотором участке цепи носители зарядов получают энергию, то принято говорить, что этот участок цепи — источник, развивающий электродвижущую силу (ЭДС).
Итак, в электрическом поле заряженная частица испытывает действие электрической силы, которая у источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах как и напряжение между двумя точками электрической цепи. Чем больше напряжение приложенное к потребителю — тем больший электрический ток это напряжение способно вызвать.
Переменное напряжение порождает в проводнике, к которому оно приложено, переменный ток, поскольку электрическое поле, приложенное к носителям заряда, будет в этом случае также переменным. Постоянное напряжение — условие существования в проводнике тока постоянного.
Высокочастотное напряжение (изменяющее свое направление сотни тысяч раз за секунду) также способствует переменному току в проводниках, но чем выше частота — тем меньше носителей заряда участвуют в создании тока в толще проводника, поскольку электрическое поле действующее на заряженные частицы вытесняется ближе к поверхности, и получается что ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это называется скин-эффект.
Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда в диэлектриках постоянного тока быть не может, поскольку в них заряды не имеют возможности к свободному перемещению, а способны лишь смещаться в пределах внутримолекулярного расстояния от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.
Настоящий электрический ток всегда предполагает возможность свободного перемещения электрических зарядов под действием электрического поля. Смотрите — условия существования электрического тока.
В металлических проводниках электрический ток представляет собой движение «свободных» электронов, причем электроны движутся в направлении, противоположном условному направлению тока (т. к. за направление тока условно принято направления движения зарядов).
Электрический ток в газах представляет собой движение положительных ионов в одном направлении, а электронов (и отрицательных ионов) в другом направлении. Наконец, электрический ток в электролитах представляет собой движение существующих в жидкости положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях.
Сила электрического тока — количество электричества, прошедшее через все поперечное сечение тока за 1 сек., зависит, с одной стороны, от количества движущихся зарядов, а с другой — от средней скорости их регулярного движения.
В металлических проводниках количество движущихся зарядов (свободных электронов) чрезвычайно велико (порядка 10 23 в 1 см 3 ), но зато средняя скорость регулярного движения очень мала (при самых сильных токах, которые может выдержать проводник, эта средняя скорость имеет величину порядка сантиметра в секунду). Обычно несколько меньше количество движущихся зарядов в жидкостях и соответственно их средние скорости несколько больше.
В газах же вследствие их гораздо меньшей плотности и вследствие того, что только небольшая доля всех молекул газа оказывается ионизированной, количество движущихся зарядов гораздо меньше, но зато средние скорости движения электронов и ионов гораздо больше, чем в металлических проводниках, и достигают сотен и даже тысяч километров в секунду.
Понятие «электрический ток» ввел итальянский физик Алессандро Вольта. Электрический ток, или по его версии «электрический флюид» протекал в замкнутой цепи, соединяющей металлическим проводником крайние кружки вольтова столба.
«Вотльтов столб» (1800 г.) был первый источник электричества неэлектростатического типа (источник постоянного электрического тока), который состоял из чередующихся между собой медных и цинковых кружков, разделенных суконными прокладками, смоченными подкисленной водой или кислотой.
Существование неизменного высокого потенциала на вольтовом столбе было явлением для того времени совершенно новым. Это был первый химический источник электричества, потенциал которого был постоянен во времени и не требовал каких-либо приемов электризации для его возобновления.
Вольтов столб, составленный из большого количества кружков, имел на концах достаточно высокий потенциал, который можно было обнаружить не только измерительными приборами (в частности электроскопом), но и прикоснувшись к крайним кружкам руками. При этом ощущался сильный электрический удар, как от лейденской банки.
Открытие Вольты очень быстро распространилось в физике, стало предметом дальнейших исследований. В 1800 г. ученые-физики с помощью вольтова столба обнаружили электрохимическое действие тока, и в частности разложение под действием тока воды на кислород и водород. Опыты с гальваническими элементами позволили обнаружить, кроме химических, и другие новые свойства тока, в том числе его тепловое и магнитное действие.
Французский физик А. М. Ампер посвятил ряд своих работ изучению связи электрического тока и магнетизма. Он обнаружил, что два проводника с током испытывают взаимное воздействие — притяжение или отталкивание в зависимости от направления в них токов. Своими работами он заложил основы электродинамики.
Он предложил термин «электрический ток» и ввел понятие о его направлении, совпадающем с движением положительного электричества. В честь А. М. Ампера названа единица измерения электрического тока. Ампер является одной из семи основных единиц системы СИ.
Электрический ток обладает рядом свойств, которые могут быть эффективно использованы во многих практических случаях. К таким свойствам относятся трансформация простыми техническими средствами энергии электрического тока в энергию других видов (тепловую, световую, механическую, химическую) и возможность передачи ее на большие расстояния, быстрота распространения.
Направление и величина электрического тока. Количество электричества
Мы неоднократно подчеркивали, что электроны в электрическом поле перемещаются от точек с более низким потенциалом к точкам с более высоким потенциалом. Следовательно, и в электрической цепи, показанной на рис. 1, электроны движутся от отрицательного полюса источника электрической энергии к положительному: поэтому следовало бы считать, что электрический ток идет от минуса (—) к плюсу ( + ).
Рисунок 1. Простейшая электрическая цепь
Однако до объяснения электрических явлений с точки зрения электронной теории, т. е. когда природа электрического тока не была достаточно изучена, полагали, что ток идет от положительного полюса источника к отрицательному.
Чтобы не менять этого установившегося и прочно вошедшего в практику положения, решили сохранить такую условность и считать, что ток идет от плюса к минусу, как показано на рис. 2. В действительности же в металлических проводниках ток проходит в обратном направлении.
Рисунок 2. Направление движения электронов в проводнике и направление тока
С ростом напряженности внешнего электрического поля увеличивается сила, действующая на электроны в проводнике. Электроны начинают перемещаться по проводнйку быстрее, а значит, увеличивается количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Для характеристики интенсивности движения электрических зарядов в проводниках вводится понятие о силе тока или токе.
Определение: Силой тока называется количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Сила тока (ток) обозначается буквой I или i.
Если за время t через поперечное сечение проводника прошло количество электричества q, то ток в проводнике можно определить по формуле:
За единицу тока принимается ампер (сокращенно обозначается буквой А). В ГОСТ приведено следующее определение этой основной электрической единицы: «ампер — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямоугольным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2*10 -7 единицы силы на каждый метр длины».
Следует подчеркнуть, что ампер — единственная основная электрическая единица. Все остальные единицы, используемые при электрических и магнитных измерениях, определяются через четыре основные единицы Международной системы единиц (метр — килограмм — секунда — ампер).
Единица измерения тока названа по имени французского физика и математика Андре Мари Ампера (1775—1836), открывшего закон взаимодействия электрических токов и предложившего новую гипотезу для объяснения магнитных свойств вещества.
В радиотехнике часто приходится иметь дело с токами, величина которых в тысячи и даже миллионы раз меньше одного ампера. Такие токи измеряются в миллиамперах (сокращенно обозначается мА или mА) или в микроамперах (сокращенно обозначается мкА или μА). Миллиампер одна тысячная доля ампера, т. е.
1 мА = 0,001 А, или 1 А = 1000 мА.
Микроампер — это одна миллионная доля ампера или одна тысячная доля миллиампера, т. е.
1 мкА = 0,001 мА = 0,000001 А.
Полезно запомнить также следующие соотношения:
1 мА= 1000 мкА = 0,001 А; 1 А = 1000 мА = 1 000 000 мкА.
При рассмотрении вопросов взаимодействия зарядов мы сказали, что количество электричества измеряется в кулонах. При этом количество электричества в 1 кулоне соответствует приблизительно общему заряду 6 • 10 18 электронов. Сейчас можно дать более строгое определение кулона:
Определение: кулон — это количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в течение 1 секунды при неизменяющемся токе в 1 ампер.
Эта единица количества электричества часто называется ампер-секундой (сокращенное обозначение А-с). На практике количество электричества измеряется в ампер-часах (А-ч).
Если известен ток I в проводнике, то количество электричества q, прошедшее через поперечное сечение проводника за время t, можно определить по формуле:
где q — в кулонах; I— в амперах; t — в секундах.
Для измерения тока в цепи применяются приборы, называемые амперметрами. Амперметр включается в цепь так, чтобы через него проходил весь измеряемый им ток (рис. 3).
Рисунок 3. Схема включения амперметра в электрическую цепь. Б — источник напряжения; PA — амерметр; EL — нагрузка (лампа).
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Понятие электрического тока
Современное представление электрического тока.
На сегодняшний день считается, что электрический ток это направленное движение заряженных частиц – то есть движение электронов. В любом учебнике описано классическое понятие электрического тока, приводить его не имеет смысла. В это понятие не укладываются некоторые электрические явления и примеры.
1. Не имеет решения с точки зрения классического определения электрического тока следующая задача. Ток проходя через свинцовый предохранитель пережигает его. Найти скорость движения электронов в предохранителе. Нам дано: материал из которого сделан предохранитель – свинец. В справочниках мы можем посмотреть температуру плавления свинца Тпл знаем комнатную температуру при которой находится предохранитель Тком. Разница этих температур и есть искомая температура на которую надо нагреть предохранитель
Где: m- масса предохранителя
C- удельная теплоёмкость свинца
l — плавление свинца
Соответственно ту же работу Q1=Q совершают и электроны несущие электрический ток.
Где: mэ- масса электрона.
V- скорость электрона.
k- количество электронов.
Зная что по классическому определению тока в процессе участвует только один электрон от каждого атома, то k-количество атомов свинца в предохранителе. При решении этой задачи V получается просто запредельная. Учитывая то, что электроны движутся по касательной к ядру атома, а не попадают в него перпендикулярно. Можно сделать предположение, что всё таки электрический ток это не движение электронов, а что то другое.
2. Явление пьезоэффекта трудно объяснить с точки зрения электрического тока. Невозможно объяснить как с механическое воздействие на объект вызывает электрический ток. И обратный процесс, электрический ток деформирует объект.
3. В промышленном производстве используется электросварка. При начале сварки в момент контакта электрода со свариваемым предметом, когда электрическая дуга ещё не зажглась. По сварочным кабелям течёт максимальный электрический ток. Так вот в этот короткий момент кабели начинают двигаться-дёргаться. Объяснить это явление с точки зрения классической теории электрического тока также невозможно.
4. Кроме того невозможно объяснить явление статического электричества. При натирании шерсти янтарём и янтарь и шерсть являются диэлектриками.
Теоретическое предположение.
Возможно электрический ток это не упорядоченное движение электронов, а упорядоченное движение ядер атомов вещества которое проводит электрический ток.
Попытаемся обосновать это предположение.
Пусть электрический ток это упорядоченное колебание ядер атомов проводника.
При отсутствии электрического тока ядро покоится в центре атома, а при воздействии электрического тока начинает вращаться. Причём если ток течёт по проводнику от вас, то ядро вращается по часовой стрелке, а при течении тока на вас, против часовой.
Эта гипотеза легко объясняет такое явление как магнетизм. Рассмотрим схематично самый простой стержневой магнит.
Предположим для простоты, что стержневой магнит имеет один виток провода. В правом проводе ток идёт от нас, а в левом проводе на нас. Соответственно правое ядро атома проводника будет вращаться по часовой стрелке, а левое ядро проводника против часовой. Во всех атомах стержневого магнита ядра сместятся в верх. Соответственно в верху будет S в низу N. При пропадании электрического тока ядра вновь займут своё положение. Соответственно обратный процесс. При внесении постоянного магнита в катушку атомы ядер проводника начинают раскручиваться в зависимости от полярности магнита в ту или иную сторону. Эту гипотезу подтверждает и другой электротехнический опыт.
Если на ферромагнитный стержень намотать например 100 витков провода, потом этот же самый провод перегнуть и намотать в другую сторону те же 100 вит ков этого же самого провода, то сопротивление такой индуктивности будет бесконечным по переменному току.
Соответственно ядро в правом проводнике будет вращаться по часовой стрелке, а в левом проводнике то же по часовой стрелке и смещения ядер атомов в стержневом магните не произойдёт.
Эту гипотезу может подтвердить другой более сложный электротехнический опыт.
Возьмём обыкновенный соленоид. Подвесим его на нити в такое положение, что если на него подать ток, с условием, что возникшее в соленоиде магнитное поле будет перпендикулярно магнитному полю земли. Это делается для того, чтобы магнитное поле земли не влияло на проведение опыта. Таким образом мы можем раскачать этот соленоид до практически любой амплитуды. Переменное напряжение подаваемое на соленоид естественно должно совпадать с частотой качания соленоида. Этот опыт приведён на рисунке ниже.
Раскачивание соленоида происходит из-за того, что, при подаче на него тока все ядра атомов соленоида одновременно начинают двигаться в одну сторону, соответственно возникает импульс, и соленоид качнётся в ту же сторону, куда и будет направлено движение этих ядер.
При первом импульсе когда соленоид максимально отклонится, начнёт двигаться в обратную сторону и в момент его прохождения точки покоя следует отключить ток. Ядра атомов возвратятся на своё прежнее место ив соленоиде вновь возникнет импульс только в обратную сторону. Сразу после прохождения соленоидом точки покоя следует опять подать на него ток только обратной полярности, а при прохождении соленоидом точки покоя в обратном направлении этот ток отключить.
Таким образом соленоид можно раскачать до любой амплитуды.
Этот эффект очень хорошо слышен. Если соленоид установить вертикально и подать на него переменный электрический ток, то вы услышите гудение. То ест соленоид колеблется в верх в низ. Колеблется он с той частотой с какой подаётся на него переменное напряжение. По сути инженерная задача сводится к тому, чтобы заставить соленоид колебаться не в вех в низ на одном месте, а чтобы он колебался в верх в верх в верх.
Можно привести ещё один пример из школьной учебной программы. Известный всем опыт по притягиванию и отталкиванию между собой проводников. Опыт заключается в том, если по двум параллельным проводникам пропустить ток в одном направлении, то проводники будут притягиваться между собой. А если ток по ним идёт в разных направлениях, то они отталкиваются между собой. Весь фокус заключается в том, что проводники должны обязательно питаться от одного источника тока, иначе опыт не удаётся, или удаётся частично.
Эта теория подтверждается и другим опытом, более сложным. Возьмём полнотелый металлический шар из ферромагнетика. Намотаем на него две перпендикулярные обмотки А и В. На эти обмотки подадим различные переменные напряжения сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов. Причём, если напряжение на обмотку А будет синусоидальным, то есть положительные и отрицательные импульсы одинаковые. То напряжение на обмотку В будет иметь большую положительную составляющую, а отрицательная составляющая будет равна полу периоду обмотки А. Рисунок намотки на шар приведён ниже. В этом случае можно изменять вес шара, не меняя его массы.
Все ядра атомов шара будут двигаться в этом шаре не только вверх-вниз, а в плоскости по фигуре Листажу. А значит в самом шаре появится сила направленная в верх. И сам шар либо потеряет вес либо начнёт двигаться с ускорением в туже сторону.
Это явление наблюдается при включении силового трансформатора. При включении трансформатор начинает гудеть, то есть колебаться в верх и в низ. Колебания силового трансформатора можно так же ощутить коснувшись его рукой. Вы почувствуете его вибрацию. Представленный выше опыт практически повторяет силовой трансформатор. Только колебания шара не происходят в верх в низ на одном месте а колеблются в верх в верх в верх. Подобный процесс хорошо видно при катании детей на скейтборде. Ребёнок может начать движение не отталкиваясь не от чего, а резко перемещая массу своего тела в одну сторону, и плавно возвращая его в исходную точку. При этом происходит движение в заданном направлении. Здесь практически представлена модель скейтбордиста, только в микромире.
Проведённый эксперимент показывает очень низкий КПД безопорного двигателя, всего порядка 7%. Есть возможность повысить КПД двигателя изменив напряжения подаваемые на обмотки шара. Если на обмотку А будет подаваться то же переменное синусоидальное напряжение, то на обмотку В будет подаваться пилообразносинусоидальное напряжение по частоте в два раза превышающее частоту подаваемую на обмотку А. Поясняющий рисунок ниже.
В этом случае КПД возрастает значительно. А ядро атома будет двигаться по фигуре Листажу. Затем собирается установка для определения КПД.
Это явление можно использовать для добычи редкоземельных и драгоценных металлов, перемещения в пространстве и т.д. и т.п.
ТОК, НАПРЯЖЕНИЕ, СОПРОТИВЛЕНИЕ
Электрический ток ( I ) — это упорядоченное движение заряженных частиц. Первая мысль, которая приходит в голову из школьного курса физики — движение электронов. Безусловно.
Однако электрический заряд могут переносить не только они, а, например, еще ионы, определяющие возникновение электрического тока в жидкостях и газах.
Хочу предостеречь также от сравнения тока с протеканием воды по шлангу. (Хотя при рассмотрении Закона Кирхгофа такая аналогия будет уместна). Если каждая конкретная частица воды проделывает путь от начала до конца, то носитель электрического тока так не поступает.
Если уж нужна наглядность, то я бы привел пример переполненного автобуса, когда на остановке некто, втискиваясь в заднюю дверь, становится причиной выпадения из передней менее удачливого пассажира.
Условиями возникновения и существования электрического тока являются:
- Наличие свободных носителей заряда
- Наличие электрического поля, создающего и поддерживающего ток.
Будем считать, что теперь про электрический ток Вы знаете все. Это, конечно, шутка. Тем более что еще ничего не сказано про электрическое поле, которое у многих ассоциируется с напряжением, что не верно.
Электрическое поле — это вид материи, существующей вокруг электрически заряженных тел и оказывающее на них силовое воздействие. Опять же, обращаясь к знакомому со школы «одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются» можно представить электрическое поле как нечто это воздействие передающее.
Это поле, равно как любое другое непосредственно ощутить нельзя, но существует его количественная характеристика — напряженность электрического поля.
Существует множество формул, описывающих взаимосвязь электрического поля с другими электрическими величинами и параметрами. Я ограничусь одной, сведенной к примитиву: E=Δφ .
Здесь:
- E — напряженность электрического поля. Вообще это величина векторная, но я упростил все до скаляра.
- Δφ=φ1-φ2 — разность потенциалов (рисунок 1).
Поскольку условием существования тока является наличие электрического поля, то его (поле) надо каким либо образом создать. Хорошо знакомые опыты электризации расчески, натирания тканью эбонитовой палочки, верчения ручки электростатической машины по вполне очевидным причинам на практике неприемлимы.
Поэтому были изобретены устройства, способные обеспечивать разность потенциалов за счет сил неэлектростатического происхождения (одно из них — хорошо всем известная батарейка), получившие название источник электродвижущей силы (ЭДС), которая обозначается так: ε .
Физический смысл ЭДС определяется работой, которую совершают сторонние силы, перемещая единичный заряд, но для того, чтобы получить первоначальное понятие что такое электрический ток, напряжение и сопротивление нам не нужно подробное рассмотрение этих процессов в интегральной и иных не менее сложных формах.
Напряжение ( U ).
Наотрез отказываюсь продолжать заморачивать Вам голову сугубо теоретическими выкладками и даю определение напряжения как разности потенциалов на участке цепи: U=Δφ=φ1-φ2 , а для замкнутой цепи будем считать напряжение равным ЭДС источника тока: U=ε .
Это не совсем корректно, но на практике вполне достаточно.
Сопротивление ( R ) — название говорит само за себя — физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Формула, определяющая зависимость напряжения, тока и сопротивления называется закон Ома. Этот закон рассматривется на отдельной странице этого раздела.
Кроме того, сопротивление зависит от ряда факторов, например, материала проводника. Данные эти справочные, приводятся в виде значения удельного сопротивления ρ , определяемого как сопротивление 1 метра проводника/сечение . Чем меньше удельное сопротивление, тем меньше потери тока в проводнике.
Соответственно сопротивление проводника длиной L и площадью сечения S, будет составлять R=ρ*L/S .
Непосредственно из приведенной формулы видно, что сопротивление проводника также зависит от его длины и сечения. Температура тоже оказывает влияние на сопротивление.
Несколько слов про единицы измерения тока, напряжения, сопротивления. Основные единицы измерения этих величин следующие:
Ток — Ампер (А)
Напряжение — Вольт (В)
Сопротивление — Ом (Ом) .
Это единицы измерения интернациональной системы (СИ) не всегда удобны. На практике применяются из производные (милиампер, килоом и пр.). При расчетах следует учитывать размерность всех величин, содержащихся в формуле. Так, если Вы, в законе Ома умножите ампер на килоом, то напряжение получите совсем не вольтах.
© 2012-2020 г. Все права защищены.
Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов
Понятие электрического тока
Электричество стало постоянным и незаменимым спутником человечества. Несмотря на то что в окружении любого обывателя постоянно находятся различные устройства, само понятие электрического тока остается чем-то загадочным и недоступным по сути. И это неудивительно. Электрический ток невидим, не обладает запахом, а все попытки потрогать его руками, как правило, приводят к неприятным ощущениям и грозят серьезными травмами, а в отдельных случаях даже несовместимыми с жизнью.
Если задать большинству людей вопрос: «Так что же такое электричество?» То в лучшем случае ответом будет: «Упорядоченное движение электронов». И в принципе это правильно. Однако электрический ток обладает рядом параметров, которые имеют количественные и качественные определения, с чем и попробуем разобраться.
Общие понятия об электрическом токе
Так что же представляет собой электрический ток? Совершенно верно – это упорядоченное перемещение (движение) заряженных частиц, в качестве которых выступают электроны, что характерно для металлов, или ионы, что свойственно для электролитов.
Рассмотрим сущность электрического тока на примере металлов. В солевых растворах (электролитах) механизм образования электричества будет аналогичен и нет смысла описывать его дополнительно. Кристаллическая решетка металлов состоит из атомов, вокруг ядер которых вращаются электроны. Но они не обладают степенью свободы. Для того чтобы электрон стал свободным носителем заряда необходимы определенные процессы. Например, химическая реакция. Т.к. сами по себе заряды не могут перемещаться, необходимым условием для существования тока является наличие электрического тока, которое возникает, когда катод и анод будет замкнут проводником.
Первый является отрицательным полюсом источника, а второй соответственно положительным. В итоге образуется электрическая цепь, в которую могут быть включены различные элементы влияющие качественные характеристики электротока.
Качественные и количественные характеристики электрического тока
Основными понятиями, которые характеризуют электрический ток являются его сила, напряжение и сопротивление. Это наиболее распространенные параметры, о которых можно услышать. Имеет место и ряд других характеристик. Например, мощность тока, его плотность и т.д. Но о них по своей специфике, не часто можно услышать в быту.
Что такое сила тока? Все просто, это количество носителей заряда которое пересекло сечение проводящего элемента за единицу времени. Сила тока имеет обозначение с системы СИ – «I», а единицей измерения установлен ампер. Формула для силы тока, из определения, будет следующей:
I=∆Q/∆t, где ∆Q – количество заряда, а ∆t – промежуток времени за который оно пересекает сечение проводника.
Следующим понятием, которое характеризует электрический ток является напряжение. Оно по своей сути является работой электрического поля по перемещению заряда от одного электрода к другому. Поскольку потенциалы контактов источника электрического тока разные, то напряжение можно считать разностью этих потенциалов. Таким образом, напряжение является отношением работы к заряду. Формула выглядит следующим образом: U=Axq. Единицей измерения разности потенциалов в системе Си принят вольт. С работой непосредственно связано понятие мощности электрического тока, которая является производной от нее. Через напряжение и силу, мощность (Р) можно выразить следующим образом – Р=UxI.
Взаимосвязь напряжения и силы тока была определена опытным путем Г. Омом. Правда для этого пришлось ввести такое понятие как сопротивление проводника. Эта величина не относиться к количественным характеристикам электрического тока, но позволяет определить необходимые параметры. По закону Ома взаимосвязь силы тока, напряжения и сопротивления видна из выражения I=U/R.
Понятие постоянного и переменного тока
Перемещение носителей заряда, которое по своему направлению неизменно называется постоянным электрическим током. Необходимо пояснить, что при невозможности изменения своего направления, данный вид тока может менять свои количественные характеристики. Например, в зависимости от электрической схемы подключения проводников (элементов) может изменятся сила, напряжение на участке и т.д. Постоянный ток характерен, например, для гальванических элементов.
А вот переменный ток, на протяжении конкретного промежутка времени, меняет свое направление в определенной закономерности. Регулярность или периодичность изменения называется частотой и измеряется в герцах (Гц). Распространенность электрического тока переменного типа в первую очередь обусловлена низкими потерями при передаче на большие расстояния.
Электрический ток
Электрическим током называется упорядоченный поток отрицательно заряженных элементарных частиц – электронов. Электрический ток необходим для освещения домов и улиц, обеспечения работоспособности бытовой и производственной техники, движения городского и магистрального электротранспорта и.т.п.
- Rн – сопротивление нагрузки
- A – индикатор
- К – коммутатор цепи
Ток – количество зарядов прошедших в единицу времени через поперечное сечение проводника.
Исторически принято считать, что ток в замкнутой цепи, движется от положительного, к отрицательному полюсу источника питания.
- I – сила тока
- q – количество электричества
- t – время
Единицу силы тока называют амперам А , по имени французского учёного Ампера.
1А = 10 3 мА = 10 6 мкА
Плотность электрического тока
Электрическому току присущ ряд физических характеристик, имеющих количественные значения, выражаемые в определенных единицах. Основными физическими характеристиками электротока являются его сила и мощность. Сила тока количественно выражается в амперах, а мощность тока – в ваттах. Не менее важной физической величиной считается векторная характеристика электрического тока, или плотность тока. В частности, понятием плотности тока пользуются при проектировании линий электропередач.
- J – плотность электрического тока А / ММ 2
- S – площадь поперечного сечения
- I – ток
Постоянный и переменный ток
Электропитание всех электрических устройств осуществляется постоянным либо переменным током.
Электрический ток, направление и значение которого не меняются, называется постоянным.
Электрический ток, направление и значение которого способны изменяться называется переменным.
Электропитание многих электротехнических устройств осуществляется переменным током, изменение которого графически представлено в виде синусоиды.
Использование электрического тока
Можно с уверенностью констатировать, что самым великим достижением человечества является открытие электрического тока и его использование. От электрического тока зависят тепло и свет в домах, поступление информации из внешнего мира, общение людей, находящихся в различных точках планеты, и многое другое.
Современную жизнь невозможно представить без повсеместного наличия электричества. Электричество присутствует абсолютно во всех сферах жизнедеятельности людей: в промышленности и сельском хозяйстве, в науке и космосе.
Электричество также является неизменной составляющей повседневного быта человека. Такое повсеместное распространение электричества стало возможным благодаря его уникальным свойствам. Электрическая энергия может мгновенно передаваться на огромные расстояния и преобразовываться в различные виды энергий иного генезиса.
Основными потребителями электрической энергии являются промышленная и производственная сферы. При помощи электроэнергии приводятся в действие различные механизмы и устройства, осуществляются многоэтапные технологические процессы.
Невозможно переоценить роль электроэнергии в обеспечении работы транспорта. Практически полностью электрифицирован железнодорожный транспорт. Электрификация железнодорожного транспорта сыграла значительную роль в обеспечении пропускной способности дорог, увеличении скорости передвижения, снижении себестоимости пассажироперевозок, решении проблемы экономии топлива.
Наличие электричества является непременным условием обеспечения комфортных условий жизни людей. Вся бытовая техника: телевизоры, стиральные машины, микроволновые печи, нагревательные приборы – нашла свое место в жизни человека только благодаря развитию электротехнического производства.
Главенствующая роль электроэнергии в развитии цивилизации неоспорима. Нет такой области в жизни человечества, которая обходилась бы без потребления электрической энергии и альтернативу которой могла бы составить мускульная сила.
Электрический ток, напряжение — поймет даже ребенок!
Автор: Владимир Васильев · Опубликовано 11 января 2015 · Обновлено 29 августа 2018
Всем привет, на связи с вами снова Владимир Васильев. Новогодние празднования подходят к концу, а значить надо готовиться к рабочим будням, с чем вас дорогие друзья и поздравляю! Хех, только не надо расстраиваться и впадать в депрессию, нужно мыслить позитивно.
Так вот в эти новогодние праздники я как-то размышлял о аудитории моего блога: «Кто он? Кто тот посетитель моего блога, что каждый день заходит почитать мои посты?». Может быть это прошаренный спец зашел из любопытства почитать что я тут накалякал? А может это какой -нибудь доктор радиотехнических наук зашел посмотреть как спаять схему мультивибратора? 🙂
Содержание статьи
Знаете все это маловероятно, потому как для прошаренного специалиста все это уже пройденный этап и скорее всего все уже не так интересно и они сами с усами. Им может быть интересно лишь из праздного любопытства, мне конечно очень приятно и я жду каждого с распростертыми объятьями.
Так что я пришел к выводу, что основной контингент моего блога да и большинства радиолюбительских сайтов это новички и любители рыскающие по интернету в поисках полезной информации. Так какого лешего, у меня ее так мало? Будет в скором временя поболее так что [urlspan] не пропустите! [/urlspan]
Я вспоминаю себя, когда я искал в интернете какую-нибудь простенькую схемку чтобы с чего-нибудь начать, но постоянно что-то не подходило, что-то казалось заумным. Мне не хватало азов, таких, чтобы можно было по принципу от простого к сложному начать разбираться в интересующей меня теме.
Кстати первая книга которая мне действительно помогла, от прочтения которой действительно начало приходить понимание — это была книга «Искусство схемотехники» П. Хоровица, У. Хилла. Я писал про нее в этой статье, там и книжку можно скачать. Так вот, если вы новичок то обязательно ее скачайте и пусть она станет вашей настольной книгой.
Что такое напряжение и ток?
Кстати действительно что же такое электрический ток и напряжение? Я думаю, что никто на самом деле и не знает, ведь чтобы это знать это надо хотябы видеть. Кто может видеть ток, бегущий по проводам?
Да никто, человечество еще не достигло таких технологий, чтобы воочию наблюдать движения электрических зарядов. Все что мы видим в учебниках и научных трудах это некая абстракция созданная в результате многочисленных наблюдений.
Ну ладно об этом можно много рассуждать… Так давайте попробуем разобраться, что такое электрический ток и напряжение. Я не буду писать определения, определения не дают самого понимания сути. Если интересно, возьмите любой учебник по физике.
Так как мы его не видим электрического тока и всех процессов протекающих в проводнике, тогда попробуем создать аналогию.
И традиционно электрический ток текущий в проводнике сравнивают с водой бегущей по трубам. В нашей аналогии вода это электрический ток. Вода бежит по трубам с определенной скоростью, скорость это сила тока, измеряемая в амперах. Ну трубы это само собой проводник.
Хорошо, электрический ток мы себе представили, но а что такое напряжение? Сейчас помозгуем.
Вода в трубе, в отсутствии каких-либо сил (сила тяжести, давления) теч не будет, она будет покоиться как и любая другая жижа вылитая на пол. Так вот эта сила или точнее сказать энергия в нашей водопроводной аналогии и будет тем самым напряжением.
Но что происходит с водой бегущей из резервуара расположенного высоко над землей? Вода устремляется бурным потоком из резервуара к поверхности земли, гонимая силами тяготения. И чем выше от земли расположен резервуар тем с большей скоростью вытекает вода из шланга. Понимаете о чем я говорю?
Чем выше резервуар, тем больше сила (читай напряжение) воздействующая на воду. И тем больше скорость водного потока (читай сила тока). Теперь становится понятно и в голове начинает создаваться красочная картинка.
Понятие потенциала, разности потенциалов
С понятием напряжения электрического тока тесно связано понятие «потенциал» , или «разность потенциалов». Хорошо, обратимся снова к нашей водопроводной аналогии.
Наш резервуар находится на возвышенности что позволяет воде беспрепятственно стекать по трубе вниз. Так как бак с водой на высоте, то и потенциал этой точки будет более высоким или более положительным чем тот что находится на уровне земли. Видите что получается?
У нас появилось две точки имеющие разные потенциалы, точнее разную величину потенциала.
Получается, для того чтобы электрический ток мог бежать по проводу, потенциалы не должны быть равны. Ток бежит от точки с большим потенциалом к точки с меньшим потенциалом.
Помните такое выражение, что ток бежит от плюса к минусу. Так вот это все тоже самое. Плюс это более положительный потенциал а минус более отрицательный.
Кстати а хотите вопрос на засыпку? Что произойдет с током, если величины потенциалов будет периодически меняться местами?
Тогда мы будем наблюдать то как электрический ток меняет свое направление на противоположное каждый раз как потенциалы поменяются. Это получится уже переменный ток. Но его мы пока рассматривать не будем, дабы в голове сформировалось ясное понимание процессов.
Измерение напряжения
Для замера напряжение используется прибор вольтметр, хотя сейчас наиболее популярны мультиметры. Мультиметр это такой комбинированный прибор имеющий в себе много чего. О нем я писал в статье и рассказывал как им пользоваться.
Вольтметр это как раз тот прибор который измеряет разность потенциалов между двумя точками. Напряжение (разность потенциалов) в любой точке схемы обычно измеряется относительно НОЛЯ или ЗЕМЛИ или МАССЫ или МИНУСА батарейки. Не важно главное это должна быть точка имеющая наименьший потенциал во всей схеме.
Итак чтобы измерить напряжение постоянного тока между двумя точками, делаем следующее. Черный (минусовой ) щуп вольтметра втыкается в ту точку, где предположительно мы можем наблюдать точку с меньшим потенциалом (НОЛЬ). Красный щуп (плюсовой) втыкаем в точку, потенциал которой нам интересен.
И результатом измерения будет числовое значение разности потенциалов, или другими словами напряжение.
Измерение тока
В отличие от напряжения, которое замеряется в двух точках, величина тока замеряется в одной точке. Так как сила тока (или говорят просто ток) по нашей аналогии есть скорость течения воды, то эту скорость нужно замерять только в одной точке.
Нам нужно распилить водопровод и вставить в разрыв некий счетчик, который будет подсчитывать литры и минуты. Както так.
Аналогично если вернемся в реальный мир нашей электрической модели, то получим тоже самое. Чтобы замерить величину электрического тока, нам нужно подключить в разрыв электрической цепи нехитрый прибор — амперметр. Амперметр также входит в состав мультиметра. Вы также можете почитать в моей статье.
Щупы мультиметра нужно переставить в режим измерения тока. Затем перекусываем наш проводник, и подключаем обрывки провода к мультиметру и вуаля — на экране мультиметра будет показана величина тока.
Закон Ома
Ну что дорогие друзья, я думаю что мы не теряли время даром. Ознакомившись с нашими водопроводными моделями в голове начал складываться пазл, начало формироваться понимание.
Ну чтож попробуем проверить его на законе Ома.
- I — ток измеряемый в Амперах (А);
- U-напряжение измеряемое в Вольтах (В);
- R-сопротивление измеряемое в Омах (Ом)
Ом нам говорил, что Электрический ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
Про сопротивление я сегодня не говорил, но я думаю что вы поняли. Сопротивление электрическому току оказывается материалом проводника. В нашей водопроводной системе сопротивление току воды оказывают ржавые трубы, забитые ржавчиной и прочей какой.
Таким образом закон Ома работает во всей своей красе что для водопроводной системы, что для электрической. Может быть мне податься в сантехники, уж очень много схожего.
Чем выше задран резервуар с водой, тем быстрее по трубам будет теч вода. Но если трубы загажены то скорость будет меньше. Чем больше сопротивление воде тем медленнее она будет теч. Если засор, то вода вообще может встать.
Ну и для электричества. Величина тока зависит прямо пропорционально от величины напряжения (разности потенциалов), и обратно пропорционально зависит от сопротивления.
Чем выше напряжение тем больше величина тока, но чем больше сопротивление тем меньше величина тока. Напряжение может быть очень большим, но ток может не теч из-за обрыва. А обрыв это все равно, что если вместо металлического проводника мы подключили проводник из воздуха, а воздух обладает просто гигантским сопротивлением. Вот ток и остановится.
Чтоже дорогие друзья, вот и подходит время закругляться, вроде все что хотел сказать в этой статье я сказал. Если остаются какие-либо вопросы спрашивайте в комментариях. Дальше будет больше, планирую написать череду обучающих материалов, так что [urlspan] не пропустите… [/urlspan]
Желаю вам удачи, успехов и до новых встреч!
Электрический ток в газах
Понятие электрического тока
При грозовом разряде может возникнуть электрический ток, который называют кратковременным. А для поддержания тока в течение длительного времени необходимо наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.
Электрическое поле создают тела, заряженные разноименно. Силой тока называют отношение заряда, переносимое через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени. Измеряется она в Амперах.
Рис. 1. Формула силы тока
Электрический ток в газах
Молекулы газа в обычных условиях не проводят электрический ток. Они являются изоляторами (диэлектриками). Однако, если изменить условия окружающей среды, то газы могут стать проводниками электричества. В результате ионизации (при нагреве или под действием радиоактивного излучения) возникает электрический ток в газах, который часто заменяют термином «электрический разряд».
Самостоятельные и несамостоятельные газовые разряды
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.
Что мы узнали?
Сами по себе атомы и молекулы газа нейтральны. Они заряжаются при воздействии извне. Если говорить кратко об электрическом токе в газах, то он представляет собой направленное движение частиц (положительных ионов к катоду и отрицательных ионов к аноду). Также важным является, что при ионизации газа, его проводящие свойства улучшаются.
Введение в схемотехнику/Электрический ток
Школьный курс физики включает изучение электрических и магнитных явлений. В этом разделе мы повторим школьный материал, необходимый для перехода к изучению схемотехники. Кроме того, поскольку общая физика и схемотехника — различные области знаний, мы сделаем акцент на том, какие положения особенно важны для схемотехники, и какие представляют интерес только для физики.
Содержание
- 1 Определение
- 1.1 Общефизическое
- 1.2 В рамках схемотехники
- 2 Численное описание электрического тока
- 2.1 Электрический заряд
- 2.2 Электрическое напряжение
- 2.3 Аналогия напряжение-высота
- 2.4 Сила тока
- 3 См. также
Определение [ править ]
Общефизическое [ править ]
Электри́ческий ток — направленное движение электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы и так далее.
Разберём это определение более подробно:
- «направленное движение»: чтобы говорить о наличии электрического тока, необходимо, чтобы большое число заряженных частиц двигалось в каком-либо одном направлении. В противном случае (например, при хаотичном броуновском движении заряженных частиц) электрического тока нет, поскольку в целом перемещение заряда равно нулю.
- «электрически заряженных частиц»: носителем заряда могут быть электроны или другие частицы (либо квазичастицы — «дырки») в зависимости от того, в какой среде имеет место электрический ток. С точки зрения схемотехники обычно не важно, каковы носители заряда, интерес представляют лишь количественные показатели: какой заряд перенесён и за какое время.
В рамках схемотехники [ править ]
Приведенное выше определение описывает электрический ток как физическое явление, но для схемотехники оно несколько «избыточно». В рамках схемотехники не рассматриваются отдельные частицы, несущие заряд, поскольку математический аппарат для рассмотрения отдельных частиц был бы слишком сложен. Поэтому определение с частицами оставляем для общей физики (раздел электричество), а при изучении схемотехники будем понимать электрический ток как перемещение некоторого количества заряда, не акцентируя внимание на том, чем этот заряд переносится.
Итак, в рамках схемотехники будем понимать электрический ток как перетекание заряда из одного места в другое. При этом заряд можно понимать как некую «жидкость», имеющую нулевую массу и объем, которая может течь по проводникам.
Численное описание электрического тока [ править ]
Электрический заряд [ править ]
Для любого тела можно рассматривать различные его количественные характеристики: массу, объем и т.п. Одной из таких характеристик является электрический заряд. Электрический заряд — это количественная характеристика тела, которая определяет, насколько сильно тело будет участвовать в электромагнитных взаимодействиях.
Заряд — знакопеременная величина (в отличие от массы, объёма, длины и других характеристик), то есть значения заряда могут быть как положительными, так и отрицательными.
Носителями заряда являются заряженные элементарные частицы:
-
электрон имеет заряд e 0 = − 1 , 602176487 ( 40 ) ⋅ 10 − 19
10^<-19>>
Кл
- протон такой же заряд, но со знаком плюс.
Это значит, что если тело имеет положительный заряд, то в нем число протонов чуть больше, чем электронов; если тело заряжено отрицательно, то в нем больше электронов. Если же заряд тела нулевой, то в нём количество электронов и протонов одинаково, такое тело никак не проявляет себя в электромагнитных взаимодействиях.
Электрическое напряжение [ править ]
В общей физике используется такое определение напряжения:
Напряже́ние между точками A
и B
Знать и понимать это определение желательно, но не обязательно. В определении напряжение выражается через механическую работу и электрическое поле (а это понятия из разделов механика и электростатика общей физики), поэтому определение может быть слишком сложным для неподготовленного читателя.
К счастью, для начального понимания схемотехники нет необходимости использовать общефизическое определение напряжения. Можно начать с такого упрощенного определения:
Напряжение между точками A
Таким образом, мы не интересуемся физическим смыслом напряжения, а рассматриваем его как некую первичную величину, которую можно непосредственно измерить. Для схемотехники важен не физический смысл напряжения, а то, как напряжение преобразуется в электрических схемах и как другие параметры (токи и заряды) связаны с напряжением.
Очень важно понимать, как именно измеряется напряжение и от какого уровня оно отсчитывается:
- Напряжение всегда измеряется между двумя точками электрической схемы
- Нужно понимать, какая из точек принята за начальную, и какая за конечную
Аналогия напряжение-высота [ править ]
Часто для лучшего понимания физических понятий используются аналогии, то есть подобие описываемой сущности и какой-либо другой, хорошо известной. Для лучшего понимания электрического напряжения рассмотрим одну из таких аналогий: напряжение-высота. Аналогия заключается в том, что отсчет напряжений подобен отсчету разности высот.
На рисунке 1 изображены 5 горизонтальных линий (обозначены буквами D, G, A, B, C). Линии находятся на разной высоте над поверхностью Земли, высота отсчитывается по синей шкале; кроме того, линии находятся под разным напряжением, которое отсчитывается по зеленой шкале. Рассмотрим различные утверждения в терминах высот и напряжений:
| № | Высота | Напряжение | Комментарий |
|---|---|---|---|
| 1 | Перепад высот от линии A к линии B равен 4 см. | Напряжение между линиями A и B равно 4 В. | |
| 2 | Перепад высот от линии B к линии A равен -4 см. | Напряжение между линиями B и A равно -4 В. | |
| 3 | Линия C на высоте 7 см (относительно уровня земли). | Напряжение на линии C равно 7 В (относительно земли). | Начальная точна не указана, значит от уровня нуля |
| 4 | Линия D на высоте -2 см (относительно уровня земли). | Напряжение на линии D равно -2 В (относительно земли). | Начальная точна не указана, значит от уровня нуля |
Сила тока [ править ]
Определение силы тока из общей физики:
Сила тока (часто просто «ток») в проводнике — скалярная величина, численно равная заряду δ q
i = δ q δ t >>
