Что называют током. При каких условиях возникает электрический ток? Что такое мощность и плотность тока
Электрический ток это заряженные частицы, способные упорядоченно передвигаться в каком-либо проводнике. Это движение происходит под воздействием электрического поля. Возникновение электрических зарядов происходит, практически, постоянно. Особенно ярко это проявляется, когда различные вещества контактируют между собой.
Если возможно полное свободное перемещение зарядов относительно друг друга, то эти вещества являются проводниками. Когда такое передвижение невозможно, данная категория веществ считается изоляторами. К проводникам относятся все металлы с различной степенью проводимости, а также соляные и кислотные растворы. Изоляторами могут быть природные вещества в виде эбонита, янтаря, различных газов и кварцев. Они могут иметь искусственное происхождение, например, ПВХ, полиэтилен и прочие.
Величины электрического тока
Как физическая величина, ток может измеряться по своим основным параметрам. По результатам измерений, определяется возможность использования электричества в той или иной области.
Существует два вида электрического тока - постоянный и переменный. Первый, всегда остается неизменным во времени и направлении, а во втором случае, происходят изменения по этим параметрам за определенный промежуток времени.
». Сегодня я хочу затронуть такую тему, как электрический ток. Что же это такое? Давайте попытаемся вспомнить школьную программу.
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике
Если вы помните, чтобы заряженные частицы пришли в движение, (возник электрический ток) нужно создать электрическое поле. Чтобы возникло электрическое поле можно провести такие элементарные опыты, как потереть о шерсть пластиковую ручку и она какое-то время будет притягивать легкие предметы. Тела способные после натирания притягивать предметы называются наэлектризованные. Можно сказать, что у тела в таком состоянии есть электрические заряды, а сами тела называются заряженными. Из школьной программы мы знаем, что все тела состоят из мельчайших частиц (молекул). Молекула — это частица вещества, которую можно отделить от тела и она будет обладать всеми свойствами присущими этому телу. Молекулы сложных тел образовываются из различных сочетаний атомов простых тел. Например, молекула воды состоит из двух простых: атома кислорода и одного атома водорода.
Атомы, нейтроны, протоны и электроны — что это такое?
В свою очередь, атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него 
электронами. Каждый электрон атома обладает небольшим электрическим зарядом. Например, атом водорода состоит из ядра вращающего вокруг него электрона. 
Ядро атома состоит, в свою очередь, из протонов и нейтронов. Ядро атома, в свою очередь, обладает электрическим зарядом. Протоны, входящие в состав ядра, имеют такие же по величине электрические заряды и электроны. Но протоны, в отличие от электронов, малоподвижны, но их масса во много раз больше массы электрона.
Частица нейтрон, входящий в состав атома, не имеет никакого электрического заряда, нейтральна. Электроны, которые вращаются вокруг ядра атома и протоны, входящие в состав ядра, являются носителями равных по величине электрических зарядов. Между электроном и протоном всегда действует сила взаимного притяжения, а между самими электронами и между протонами сила взаимного отталкивания. В силу этого, электрон обладает отрицательным электрическим зарядом, а протон положительным. Из этого можно сделать вывод, что существует 2 рода электричества: положительное и отрицательное. Наличие в атоме равноименно заряженных частиц приводит к тому, что между положительно заряженным ядром атома и вращающимися вокруг него электронами действуют силы взаимного притяжения, скрепляющие атом в одно целое. Атомы отличаются друг от друга по количеству нейтронов и протонов в ядрах, из-за чего не одинаков положительный заряд ядер атомов различных веществ. У атомов различных веществ количество вращающихся электронов не одинаково и определяется величиной положительного заряда ядра. У атомов одних веществ прочно связаны с ядром, а у других эта связь может быть значительно слабее. Этим объясняется различная прочность тел. Стальная проволока значительно прочнее медной, значит, частицы стали сильнее притягиваются друг к другу, чем частицы меди. Притяжение между молекулами особо заметно, когда они находятся близко друг к другу. Самый яркий пример — две капли воды сливаются в одну при соприкосновении.
Электрический заряд
В атоме
любого вещества количество электронов, вращающихся вокруг ядра, ровно количеству протонов, содержащихся в ядре. Электрический заряд электрона и протона равны по величине, значит, отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Эти заряды взаимно уравновешивают друг друга, а атом остается нейтральным. В атоме электроны создают вокруг ядра электронную оболочку. Электронная оболочка и ядро атома находятся в непрерывном колебательном движении. При движении атомы сталкиваются друг с другом и от них вылетает один или несколько электронов. Атом перестает быть нейтральным, становится положительно заряженным. Так как его положительный заряд стал больше отрицательного (слабая связь между электроном и ядром — метал и уголь). У других тел (дерево и стекло) нарушение электронных оболочек не происходит. Оторвавшись от атомов, свободные электроны беспорядочно двигаются и могут захватываться другими атомами. Процесс появлений и исчезновений в теле происходит непрерывно. С увеличением температуры, скорость колебательного движения атомов возрастает, столкновения учащаются, становятся сильнее, количество свободных электронов увеличивается. Однако тело остается электрически нейтральным, так как количество электронов и протонов в теле не меняется. Если из тела удалить некоторое количество свободных электронов, то плюсовой заряд становится больше суммарного заряда. Тело окажется заряжено положительно и наоборот. Если в теле создается недостаток электронов, то оно заряжается дополнительно. Если избыток — отрицательно. Чем больше этот недостаток или избыток, тем больше электрический заряд. В первом случае (больше положительно заряженных частиц) тела называют проводниками (металлы, водные растворы солей и кислот), а во втором (недостаток электронов, отрицательно заряженных частиц) диэлектриками или изоляторами (янтарь, кварц, эбонит). Для продолжительного существования электрического тока, в проводнике необходимо постоянно поддерживать разность потенциалов.
Ну вот и небольшой курс физики закончен. Я думаю, вы, с моей помощью, вспомнили школьную программу за 7 класс, а что такое разность потенциалов разберем в моей следующей статье. До новых встреч на страницах сайта.
Сегодня трудно представить жизнь без такого явления, как электричество, а ведь использовать его в своих целях человечество научилось не так уж и давно. Изучение сущности и характеристик этого особого вида материи заняло несколько столетий, однако и в настоящее время нельзя с уверенностью сказать, что мы знаем о нем абсолютно все.
Понятие и сущность электрического тока
Электрический ток, как известно еще из школьного курса физики, есть не что иное, как упорядоченное движение каких-либо заряженных частиц. В качестве последних могут выступать как отрицательно заряженные электроны, так и ионы. Считается, что данный вид материи может возникнуть только в так называемых проводниках, однако это далеко не так. Все дело в том, что при соприкосновении любых тел всегда возникает определенное количество противоположно заряженных частиц, которые могут начать передвигаться. В диэлектриках свободное передвижение тех же электронов очень сильно затруднено и требует огромных внешних усилий, поэтому и говорят, что они электрический ток не проводят.
Условия существования тока в цепи
Ученые уже достаточно давно заметили, что данное физическое явление не может возникнуть и длительное время удерживаться само по себе. Условия существования электрического тока включают в себя несколько важнейших положений. Во-первых, это явление невозможно без наличия свободных электронов и ионов, которые и исполняют роль передатчиков зарядов. Во-вторых, чтобы эти элементарные частицы начали упорядоченно двигаться, необходимо создать поле, основным признаком которого является разность потенциалов между любыми точками электрика. Наконец, в-третьих, электрический ток не может существовать длительное время только под воздействием кулоновских сил, так как постепенно потенциалы будут выравниваться. Именно поэтому необходимы определенные компоненты, являющиеся преобразователями различных видов механической и тепловой энергии. Их принято называть источниками тока.
Вопрос об источниках тока
Источники электрического тока представляют собой специальные устройства, которые генерируют электрическое поле. К важнейшим из них можно отнести гальванические элементы, солнечные батареи, генераторы, аккумуляторы. характеризуются своей мощностью, производительностью и длительностью работы.
Сила тока, напряжение, сопротивление
Как и любое другое физическое явление, электрический ток имеет целый ряд характеристик. К важнейшим из них относится его сила, напряжение цепи и сопротивление. Первая из них представляет собой количественную характеристику заряда, который проходит через сечение того или иного проводника в единицу времени. Напряжение (называемое также электродвижущей силой) есть не что иное, как величина разности потенциалов, за счет которой проходящий заряд совершает определенную работу. Наконец, сопротивление - это внутренняя характеристика проводника, показывающая, какую силу должен затратить заряд на прохождение по нему.
Что такое электрический ток
Направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием . Такими частицами могут являться: в проводниках – электроны
, в электролитах – ионы
(катионы и анионы), в полупроводниках – электроны
и, так называемые, "дырки"
("электронно-дырочная проводимость"). Также существует "ток смещения
", протекание которого обусловлено процессом заряда емкости, т.е. изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор протекает.
В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.
Током проводимости (просто током) в теории электрических цепей называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника: i=q/t , где i - ток. А; q = 1,6· 10 9 - заряд электрона, Кл; t - время, с.
Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени: i(t)= dq/dt .
Электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника. Разность потенциалов между двумя точками называют напряжением или падением напряжения на этом участке цепи .
Вместо термина «ток» («величина тока») часто применяется термин «сила тока». Однако последний нельзя назвать удачным, так как сила тока не есть какая-либо сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника.
Ток характеризуется , которая в системе СИ измеряется в амперах (А), и плотностью тока
, которая в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.
Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):
1А = 1Кл / с.
В общем случае, обозначив ток буквой i, а заряд q, получим:
i = dq / dt.
Единица тока называется ампер (А)
. Ток в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 сек проходит электрический заряд, равный 1 кулон.
Если вдоль проводника действует напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля Е на электроны с зарядом е действует сила f = Ее. Величины f и Е векторные. В течение времени свободного пробега электроны приобретают направленное движение наряду с хаотическим. Каждый электрон имеет отрицательный заряд и получает составляющую скорости, направленную противоположно вектору Е (рис. 1). Упорядоченное движение, характеризуемое некоторой средней скоростью электронов vcp, определяет протекание электрического тока.
Электроны могут иметь направленное движение и в разреженных газах. В электролитах и ионизированных газах протекание тока в основном обусловлено движением ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически направление тока было принято обратным направлению движения электронов.
За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительно заряженные частицы, т.е. направление, противоположное перемещению электронов.
В теории электрических цепей за направление тока в пассивной цепи (вне источников энергии) взято направление движения положительно заряженных частиц от более высокого потенциала к более низкому. Такое направление было принято в самом начале развития электротехники и противоречит истинному направлению движения носителей заряда - электронов, движущихся в проводящих средах от минуса к плюсу.
Величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения S, называются плотностью тока (обозначается δ ): δ= I / S
При этом предполагается, что ток равномерно распределен по сечению проводника. Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм2.
По типу носителей электрических зарядов и среды их перемещения различают токи проводимости
и токи смещения
. Проводимость делят на электронную и ионную. Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный.
Электрическим током переноса называют явление переноса электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом электрического тока переноса является движение в пустоте элементарных частиц, обладающих зарядом (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в газоразрядных приборах.
Электрическим током смещения (током поляризации)
называют упорядоченное движение связанных носителей электрических зарядов. Этот вид тока можно наблюдать в диэлектриках.
Полный электрический ток
- скалярная величина, равная сумме электрического тока проводимости, электрического тока переноса и электрического тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность.
Постоянным
называют ток, который может изменяться по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время. Подробнее об этом читайте здесь:
Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Величиной, характеризующей переменный ток, является частота (в системе СИ измеряется в герцах), в том случае, когда его сила изменяется периодически. Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника. Токи высокой частоты применяется в машиностроении для термообработки поверхностей деталей и сварки, в металлургии для плавки металлов. Переменные токи подразделяют на синусоидальные и несинусоидальные . Синусоидальным называют ток, изменяющийся по гармоническому закону:
i = Im sin ωt,
Скорость изменения переменного тока характеризуется его , определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). Так, частота тока в сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям в секунду. Угловая частота ω - скорость изменения тока в радианах в секунду и связана с частотой простым соотношением:
ω = 2πf
Установившиеся (фиксированные) значения постоянного и переменного токов обозначают прописной буквой I неустановившиеся (мгновенные) значения - буквой i. Условно положительным направлением тока считают направление движения положительных зарядов.
Это ток, который изменяется по закону синуса с течением времени.
Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону.
Поскольку переменный ток изменяется во времени, простые способы решения задач, пригодные для цепей постоянного тока, здесь непосредственно неприменимы. При очень высоких частотах заряды могут совершать колебательное движение - перетекать из одних мест цепи в другие и обратно. При этом, в отличие от цепей постоянного тока, токи в последовательно соединённых проводниках могут оказаться неодинаковыми. Ёмкости, присутствующие в цепях переменного тока, усиливают этот эффект. Кроме того, при изменении тока сказываются эффекты самоиндукции, которые становятся существенными даже при низких частотах, если используются катушки с большой индуктивностью. При сравнительно низких частотах цепи переменного тока можно по-прежнему рассчитывать с помощью , которые, однако, необходимо соответствующим образом модифицировать.
Цепь, в которую входят разные резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, можно рассматривать, как если бы она состояла из обобщённых резистора, конденсатора и катушки индуктивности, соединённых последовательно.
Рассмотрим свойства такой цепи, подключённой к генератору синусоидального переменного тока. Чтобы сформулировать правила, позволяющие рассчитывать цепи переменного тока, нужно найти соотношение между падением напряжения и током для каждого из компонентов такой цепи.
Играет совершенно разные роли в цепях переменного и постоянного токов. Если, например, к цепи подключить электрохимический элемент, то конденсатор начнёт заряжаться, пока напряжение на нём не станет равным ЭДС элемента. Затем зарядка прекратится и ток упадёт до нуля. Если же цепь подключена к генератору переменного тока, то в один полупериод электроны будут вытекать из левой обкладки конденсатора и накапливаться на правой, а в другой - наоборот. Эти перемещающиеся электроны и представляют собой переменный ток, сила которого одинакова по обе стороны конденсатора. Пока частота переменного тока не очень велика, ток через резистор и катушку индуктивности также одинаков.
В устройствах-потребителях переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.
Проводники электрического тока
Материал, в котором течёт ток, называется . Некоторые материалы при низких температурах переходят в состояние сверхпроводимости. В таком состоянии они не оказывают почти никакого сопротивления току, их сопротивление стремится к нулю. Во всех остальных случаях проводник оказывает сопротивление течению тока и в результате часть энергии электрических частиц превращается в тепло. Силу тока можно рассчитать по для участка цепи и закону Ома для полной цепи.
Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частицы, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.
Как ток влияет на организм человека
Ток, пропущенный через организм человека или животного, может вызвать электрические ожоги, фибрилляцию или смерть. С другой стороны, электрический ток используют в реанимации, для лечения психических заболеваний, особенно депрессии, электростимуляцию определённых областей головного мозга применяют для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии. В организме человека и животных ток используется для передачи нервных импульсов.
По технике безопасности, минимально ощутимый человеком ток составляет 1 мА. Опасным для жизни человека ток становится начиная с силы примерно 0,01 А. Смертельным для человека ток становится начиная с силы примерно 0,1 А. Безопасным считается напряжение менее 42 В.
Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. Направленное движение электрических зарядов в проводнике под действием сил электрического поля называют током проводимости . Для появления и существова- ния тока проводимости необходимы два условия:
1. Наличие в данной среде электрических зарядов. В металлах ими являются электроны проводимости; в жидких проводниках (электролитах) – положительные и отрицатель- ные ионы; в газах – положительные ионы и электроны.
2. Наличие электрического поля, энергия которого затрачивалась бы на перемещение электрических зарядов.
За направление электрического тока условно принима- ют направление движения положительных зарядов. Количест- венной характеристикой электрического тока является сила тока – заряд, протекающий через поперечное сечение проводника в единицу времени:
Силу тока можно связать со средней скоростью υ упорядоченного движения зарядов. За время dt через попереч- ное сечение проводника площадью dS протечет заряд dq , заключенный в объеме проводника длиной dl= υ . dt , (рис.5.1)
dq=q 0 . n . dS . dl,
где q 0 – заряд каждой частицы, n – концентрация частиц.
Тогда сила тока
. (5.2)
Плотность тока j – векторная физическая величина, численно равная силе тока, проходящего через единицу площади сечения проводника, проведенного перпендикулярно к направлению тока, и совпадающая с направлением тока
Для того, чтобы ток был длительным, необходимо устройство, в котором какой-либо вид энергии непрерывно преобразовывался бы в энергию электрического поля. Такое устройство называется источником тока . В источнике тока перемещение носителей происходит против сил поля, а это возможно лишь благодаря силам неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами.
Величина, равная работе сторонних сил по перемеще- нию единичного положительного заряда по замкнутой цепи называется электродвижущей силой (ЭДС) x ,
Стороннюю силу, действующую на заряд, можно предста- вить через напряжённость поля сторонних сил
тогда ЭДС для замкнутой цепи определяется выражением
Следовательно, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, равна циркуляции вектора напряжённости поля сторонних сил.
Величина, численно равная работе, совершаемой электри- ческими и сторонними силами при перемещении единичного положительногоз аряда на данном участке цепи, называетсянапряжением:
 |
| |
dS tga=1/R
Рис.5.1 Рис.5.2
5.2 Обобщённый закон Ома. Дифференциальная форма закона Ома
Для каждого проводника – твердого, жидкого и газо-образного – существует определенная зависимость силы тока от приложенного напряжения – вольт - амперная характе-ристика (ВАХ). Наиболее простой вид она имеет у металли- ческих проводников и растворов электролитов (рис.5.2) и определяется законом Ома.
Согласно законуОма для однородного (не содержащего сторонних сил) участка цепи, сила тока прямо пропорцио- нальна приложенному напряжению U и обратно пропорцио- нальна сопротивлению проводника R
Единицей сопротивления является Ом ([R ] = 1 Ом ). Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряже- нии 1В течет ток 1А .
Сопротивление зависит от свойств проводника, формы и его геометрических размеров. Для однородного цилиндриче- ского проводника
где l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения,
r - удельное сопротивление (сопротивление проводника длиной 1м и площадью поперечного сечения 1м 2 )зависит от природы проводника и температуры ([r ] = Ом. м ).
Величина, обратная удельному сопротивлению, называет- ся удельной электропроводностью : s = 1/r.
Для неоднородного участка цепи, т.е. участка, содержа- щего ЭДС (рис.5.3), с учётом (5.7) и (5.8) получим
. (5.10)
Данное выражение получило название обобщённого закона Ома в интегральной форме.
Получим закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме. Для этого выделим в окрестности некоторой точки внутри проводника элементарный цилиндри- ческий объем с образующими, параллельными вектору плотности тока j в данной точке (рис. 5.4).
 | |||
 | |||
- + dS
R x 12 J
Рис. 5.3 Рис. 5.4
Через поперечное сечение цилиндра течет ток силой I=jdS . Напряжение, приложенное к цилиндру, равно
где E – напряженность поля в данной точке.
Сопротивление цилиндра . Подставляя I, U и R
в формулу (5.8) и учитывая, что направления векторов совпадают, получим закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме
. (5.11)
Закон Ома для неоднородного участка цепи в дифференциальной форме запишется следующим образом:
, (5.12)
где - напряженность поля сторонних сил.
Проводники и источники тока в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.
Последовательным называется такое соединение проводников, когда конец одного проводника соединяется с началом другого (рис.5.5). При этом выполняются соотноше- ния:
I=const;
U=U 1 +U 2 +…+U n ;
R=R 1 +R 2 +…+R n . (5.13)
Параллельным называется такое соединение, когда одни концы проводников соединяются в один узел, а другие концы - – в другой (рис.5.6). При этом выполняются соотношения:
I=I 1 +I 2 +…+I n ;
U=const;
. (5.14)
U
R 1 I 1
I U 1 U 2 U 3 I R 2 I 2 I
R 1 R 2 R 3
Рис. 5.5 Рис. 5.6
При последовательном соединении нескольких одинако- вых источников тока (рис.5.7) полная ЭДС батареи равна алгебраической сумме ЭДС всех источников, а суммарное сопротивление равно сумме внутренних сопротивлений:
x б = x 1 + x 2 +…+ x n , r б = r 1 + r 2 +…+r n .
При параллельном подключении n источниковс одинаковыми ЭДС - x и внутренними сопротивлениями – r (рис.5.8) ЭДС батареи равна ЭДС одного источника (x б = x), а внутреннее сопротивление батареи r б = r/n .
