Протекание тока. Что такое электрический ток? Условия существования электрического тока: характеристики и действия

Электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения , возникающий в результате изменения во времени электрического поля .

Электрический ток имеет следующие проявления:

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК сила тока ФИЗИКА 8 класс

✪ Электрический ток

✪ #9 Электрический ток и электроны

✪ Что такое электрический ток [Радиолюбитель TV 2]

✪ ЧТО БУДЕТ, ЕСЛИ УДАРИТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

Субтитры

Классификация

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

Различают постоянный и переменный электрические токи, а также всевозможные разновидности переменного тока. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.

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

Вихревые токи

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

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

Характеристики

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

Дрейфовая скорость электронов

Сопротивление излучению вызвано образованием электромагнитных волн вокруг проводника. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде ток одного направления и силы, и длина которых L значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны λ {\displaystyle \lambda } , зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:

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

Частота

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

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

Ток смещения

Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. В уравнениях Максвелла ток смещения присутствует на равных правах с током, вызванным движением зарядов. Интенсивность магнитного поля зависит от полного электрического тока, равного сумме тока проводимости и тока смещения. По определению, плотность тока смещения j D → {\displaystyle {\vec {j_{D}}}} - векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля E → {\displaystyle {\vec {E}}} во времени:

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

где Q {\displaystyle Q} - заряд на обкладках конденсатора, U {\displaystyle U} - разность потенциалов между обкладками, C {\displaystyle C} - ёмкость конденсатора.

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

Основные типы проводников

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

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

Электрические токи в природе

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

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

Использование электрического тока как носителя энергии

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

Использование электрического тока в медицине

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

Электробезопасность

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

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

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

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

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

В России, в соответствии с Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок , установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.

Как читать схемы? В прошлой статье мы с вами рассмотрели, как выглядят обозначения основных радиоэлементов на схеме. В этой статье мы поговорим о таких понятиях, как электрический ток , напряжение и сила тока . Хотя я уже писал о них в самых первых статьях, но в этой статье попробуем все это сложить в одну кучу, чтобы вам было легче уловить суть дела.

Проводники электрического тока

Начнем с самого-самого начала. Как вы знаете, все схемы состоят из проводков или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье “самый простой усилитель звука “, я с помощью проводков соединял различные радиоэлементы и у меня получилась схема, которая усиливает звуковые частоты

Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают “проводки”, которые уже называются печатными дорожками.

В домашних условиях все это делается с помощью технологии .

На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы

Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.

Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:

Прямо внутри них есть дорожки, которые соединяются межслойно. Очень сильно экономится площадь на поверхностях печатной платы. Бум SMD технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.

Электрический ток

Думаю, вы не раз слышали такое выражение: “по этому проводу течет ток”. Электронику проще объяснять как раз с точки зрения гидравлики. Раз ток течет, значит, в нашем случае, проводок – это шланг или труба для электрического тока. Получается, что так. А что такое электрический ток?

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, чаще всего электронов, в одном направлении. По аналогии с гидравликой, электроны – это молекулы воды. Электрический ток – поток воды. Думаю, этого пока будет достаточно. Одними словами сыт не будешь, поэтому давайте нарисуем рисунок, чтобы порадовать глаза:

В данный момент шланг валяется где-нибудь в огороде и в нем осталась вода. Шланг никуда не подключен, то есть молекулы воды в шланге находятся в неподвижном состоянии.

По аналогии с электроникой, медный проводок лежит на столе и никуда не подключен.

Но вот настал вечер. Надо полить помидоры и огурцы, иначе к зиме останетесь без закуски. Как только мы открываем кран, вода в шланге начинает движуху:

Теперь вопрос на засыпку: почему когда мы открыли краник, вода побежала по шлангу? Создалось давление … молекулы что левее стали давить на молекулы что правее и движуха началась. Но кто толкал те молекулы, которые толкали молекулы? Это либо насос, либо вода в водобашне под воздействием гравитационной силы Земли.

В электронике электроны толкает так называемая ЭДС . В любой электрической схеме есть тот самый “насос”, который толкает электроны по проводкам и радиоэлементам. Он может находится в самой схеме, либо подключаться в схему извне. Как только электроны начинают движуху в проводке в одном направлении, то можно уже сказать, что в проводке стал течь электрический ток .

Напряжение

А теперь представьте такую ситуацию. У нас есть водонасос, но шланг мы закупорили пробкой.

Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Там пробка закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет приличная, то пробка вылетит со скоростью пули, либо давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге.

Все то же самое можно сказать и про водобашню. Давление на дне башни зависит от того, сколько воды налито в башню. Если башня под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.

А теперь прикиньте какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине;-)

Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте.

Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением . Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа “блок питания может выдать напряжение от 0 и до 30 Вольт”. Или говоря детским языком, создать “электрическое давление” на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.

Электрическое давление – это еще не значит, что есть электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток должна быть движуха электронов в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз движухи нету, то и нет электрического тока. Но то, что уже есть давление – это предпосылка к зарождению электрического тока.

Вы прямо сейчас можете создать давление воздуха в своем организме. Для этого достаточно набрать воздуха в легкие и закрыть рот. Потом выпустить воздух и надуть щеки, не открывая рот. В это время у вас на щеки молекулы воздуха будут оказывать давление. Чем больше вы выдыхаете воздуха, тем напряженнее стают ваши щеки от давления. Движуха идет из области высокого давления в область низкого давления. В ваших легких вы создали большое давление, а давление снаружи оказалось меньше. Поэтому-то щёчки и надулись.

С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания высокое давление, а на другом низкое. Поэтому, положительный щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп – черным или синим. Тут типа давление минимальное (нулевое).

В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше ” электрическое давление”, а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное “давление”, а на минусе – недостаточное.

Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием .

Итак, одна составляющая для зарождения электрического тока у нас уже есть – это напряжение.

Вернемся снова к гидравлике.

Давление мы создали, но электрического тока до сих пор нету. Что надо сделать? Правильно, убрать пробку из шланга и дать водичке спокойно вытекать. Пошла движуха, значит, пошел электрический ток!

От какого слова образуется слово “ток”. Я думаю, от слова поТОК. Поток воды, поток энергии, поток света и тд, а поток электронов в проводке называется просто “электрическим током”. Значит, заставляя течь электроны, мы тем самым создаем электрический ток;-)

Теперь снова надуйте свои пухленькие щечки и пытайтесь создать внутри полости рта очень высокое давление. Что у нас произойдет? Ваши губки не выдержат и поток воздуха устремится изо рта в окружающее пространство. То есть вы создали в полости рта высокое давление, которое устремилось в область низкого давления, то есть наружу. Почти схожим образом вы создаете “ветер” из пукана, напрягая свой животик:-).

Ладно, давайте обобщим, все что мы тут пописали. ЭДС создает движуху электронов по проводку. Для того, чтобы движуха была, электроны должны куда-то направляться, желательно обратно к ЭДС источнику. В идеале, должно быть как-то так:

Как вы видите, труба у нас выходит из насосной станции и входит в насосную станцию. То есть контур трубы получается замкнутым. Пока работает насосная станция, у нас есть движуха воды. Как только насосная станция сдохнет, движуха воды прекратится. Также немаловажно чтобы труба не была тонкая в диаметре, иначе ее порвет, если насосная станция будет большой мощности.

По аналогии с электроникой получаем все то же самое. Во-первых, нужно чтобы контур был замкнутым, во вторых – чтобы был источник ЭДС, и в-третьих, чтобы провод выдерживал поток электронов.

Сила тока

Также нас интересует еще один немаловажный фактор – это какой объем воды у нас выльется из шланга за какое-то время.

Как думаете, с каким напором воды мы быстрее наполним ведерко?

С таким

или с таким?

или вот с таким?

Понятное дело, что с последним. Почему так? Да потому что, ну пусть скажем за секунду, у нас вылитой из трубы воды будет больше, чем из шланга. А объем вылитой воды из зеленого шланга за секунду будет больше, чем из желтого, так как напор воды в желтом шланге очень слабый. И теперь еще один вопросик на посошок. Какой поток струи будет обладать бОльшей силой? Ясно дело, что струя, которая выходит из трубы. Такой струей можно и гидрогенераторы крутить.

Давайте допустим, что у нас есть большая труба, и к ней заварены две другие, но одна в два раза меньше диаметром, чем другая.

Из какой трубы объем воды будет выходить больше за секунду времени? Разумеется с той, которая толще в диаметре, потому что площадь поперечного сечения S2 большой трубы больше, чем площадь поперечного сечения S1 малой трубы. Следовательно, сила потока через большую трубу будет больше, чем через малую, так как объем воды, который протекает через поперечное сечение трубы S2, будет в два раза больше, чем через тонкую трубу.

Так… теперь давайте все что мы тут пописали про водичку, применим в электронике. Проводки – это шланги или трубы, в зависимости от размера. Тонкий проводок – это тонкий в диаметре шланг, толстый проводок – это толстый в диаметре шланг, можно сказать – труба. Молекулы воды – это электроны. Следовательно, толстый проводок при одинаковом напряжении можно протащить больше электронов, чем тонкий.

И еще, в какой трубе сила потока электронов будет больше? Разумеется, через толстый проводок, так как количество электронов через поперечное сечение проводка за единицу времени будет проходить больше, чем в тонком проводке;-) А количество электронов, которое проходит через поперечное сечение проводника за какой-то промежуток времени, называется силой тока . Я ведь говорил, что гидравлика и электроника очень взаимосвязаны;-).

Не забываем, что электроны обладают зарядом, поэтому официальная терминология силы тока звучит так: сила тока – это физическая величина, равная отношению количества заряда прошедшего через поверхность (читаем как через площадь поперечного сечения) за какое-то время . Измеряется как Кулон/секунда. Чтобы сэкономить время и по другим морально-эстетическим нормам, Кулон/секунду договорились называть Ампером, в честь французского ученого-физика.

Давайте еще раз глянем на шланг с водой и зададим себе вопросы. От чего зависит поток воды? Первое, что приходит в голову – это давление. Почему молекулы воды движутся в рисунке ниже слева-направо? Потому, что давление слева, больше чем справа. Чем больше давление, тем быстрее побежит водичка по шлангу – это элементарно.

Теперь такой вопрос: как можно увеличить количество электронов через площадь поперечного сечения? Первое, что приходит на ум – это увеличить давление. В этом случае скорость потока воды увеличится, но ее много не увеличишь, так как шланг порвется как грелка в пасти Тузика. Второе – это поставить шланг большим диаметром. В этом случае у нас количество молекул воды через поперечное сечение будет проходить больше, чем в тонком шланге:

Все те же самые умозаключения можно применить и к обыкновенному проводку. Чем он больше в диаметре, тем больше он сможет протащить через себя силу тока. Чем меньше в диаметре, то желательно меньше его нагружать, иначе его “порвет”, то есть он тупо сгорит. Именно этот принцип заложен в плавких предохранителях . Внутри такого предохранителя тонкий проводок. Его толщина зависит от того, на какую силу тока он рассчитан

Как только сила тока через проводок превысит силу тока, на которую рассчитан предохранитель, то плавкий проводок перегорает и размыкает цепь. Через перегоревший предохранитель ток уже течь не может, так как проводок в обрыве

Заключение

Электрический ток в основном характеризуется такими параметрами, как напряжение и сила тока. Провода служат именно теми самыми “трубами и шлангами” для того, чтобы передавать электрический ток на расстояния. Они выбираются в зависимости от того, какая сила тока будет течь через них.

Например, вот такие медные “проводочки” используются для передачи бешеной силы тока на заводах, крупных фабриках, электросетях и тд. Называют их медными шинами.

На последней картинке можно увидеть предохранитель, который соединяет шины. Его номинал 500 Ампер. Можно сказать, что через сечение такой медной шины за 1 секунду может пробежать очень большой заряд, а точнее 500 Кулон.

А что было бы, если мы туда поставили какой-нибудь медный тонкий проводок? Я думаю, произошло бы что-то типа этого

Резюме

Электрический ток – это движение в одном направлении свободных электронов.

Свободные электроны у нас имеются в проводках, которые в основном сделаны из меди и алюминия.

Электрический ток характеризуется двумя параметрами: напряжением и силой тока.

Чтобы в проводке возник электрический ток, надо чтобы в одном конце проводка было избыточное давление, а в другом – недостаточное.

Ток течет от плюса к минусу (хотя электроны бегут от минуса к плюсу)

Сила тока через проводок – это количество заряда, которое проходит через площадь “кружочка” (сечение проводка поперек) за одну секунду. Выражается в Амперах (Кулон/ Вольт).

Проводки, через которые будет проходить большая сила тока, делают толще, иначе тонкие провода нагреются и расплавятся, причинив вред окружающим предметам.

Потенциал это такая физическая величина, которая характеризует работу источника по перемещению заряда. Допустим, если соединить обе точки проводником, например куском медной проволоки, тогда избыточные электроны из точки уйдут в точку В, тем самым возникнет электрический ток в проводнике. Таким образом направленный поток электронов и есть на самом деле электрический ток. Таким образом напряжение это и есть сила, которая перемещает отрицательно заряженный частицы электроны в цепи.

Количественно ток можно попытаться описать как сумму зарядов электронов, прошедших через заданную точку. Но как известно из общего курса физики, электрон обладает очень маленьким заряд, поэтому для оценки заряда ученые ввели специальную электротехническую единицу – кулон (Кл).

Один кулон соответствует сумме зарядов 6,25*1018 или 6250000000000000000 электронов. Если какой-либо заряд в один кулон пройдет через какую-либо точку за одну секунду, то это говорит о том, что через эту точку в проводнике прошел электрический ток в один ампер (А).

Сила тока, одна из основных электротехнических величин измеряется в амперах. Точка А, в соответствии с нашим рисунком, благодаря избытку электронов обладает отрицательным потенциалом, а точка В соответственно положительный.

Поток электронов можно условно представить в виде воды, текущей из одной емкости в другую. Водопроводная труба между емкостями является условным эквивалентом электрического проводника, а разность уровней воды в емкостях, ничто иное как условный эквивалент разности потенциалов между двумя точками.

Хотя фактически электроны движутся от отрицательного полюса к положительному, в электротехнике и электронике принято считать, что электрический ток в проводнике идет от положительного полюса к отрицательному. Эта договоренность уходит в историю на несколько столетий назад, когда о природе электрического тока знали слишком мало.

Разность потенциалов, оно же напряжение, измеряется в вольтах и обозначается в формулах и на схемах латинской буквой U . Величина электрического тока, измеряется в амперах и обозначается латинским символом I .

Свободные носители заряда - электроны в проводнике, перемещаясь по электрической цепи, сталкиваются с атомами, которые оказывают некоторое препятствие движению электронов, тем самым существенно снижая номинал электрического тока. Это препятствие в электротехнике получило название сопротивление электрическому току, и обозначается латинским символом R . Абсолютно любой материал обладает сопротивлением или электрическую проводимость (физическая величина обратная сопротивлению). Сопротивление хорошо представить в том же движение воды из одной емкости бака в другой, но в отличии от предыдущего случая заменим участок трубы на более узкий, поэтому снизиться общий поток воды.

Любого материала зависит от различных физических свойств: температуры, размера, формы и др. Вещества, обладающие низким сопротивлением электрическому току называются проводниками. (имеют кучу свободных электронов, например: золото, медь, серебро, алюминий, платина). Материалы, обладающие большим сопротивлением току, называются диэлектриками. Они имеют низкое количество свободных электронов (пластмасса, резина, стекло, слюда). Физической величиной единицей измерения сопротивления считается Ом.

Один Ом сопротивление какого-либо вещества, которое при напряжения питания уровнем в один вольт, дает возможность протекать току равному один ампер.

Два одинаковых по знаку заряда, два протона или электрона сопротивляются сближению и пытаются встать подальше друг от друга. Этот процесс физики называют отталкиванием. Первый закон кулона описывающий взаимодействие электрических зарядов гласит: заряды с одноименным знаком отталкиваются друг от друга. Второй закон взаимодействия электрических зарядов звучит так: разноименные заряды с разным знаком притягиваются друг к другу.

Отрицательно заряженные элементарные частицы электроны притягиваются к положительно заряженным протонам в ядре . Почему тогда электрон остается на своей орбите и не падает на ядро? Это осуществляется в результате того, что сила притяжения электрона компенсируется центростремительной силой, появляющейся за счет вращения электрона по орбите вокруг своего ядра. Числовое значение номинала величины сил отталкивания и притяжения, существующих между двумя заряженными элементарными частицами, зависит от следующих составляющих: расстояния между частицами и их зарядами.

Заряд одного электрона крайне мал, поэтому в практике распространения не получил. Принятой в системе СИ единицей измерения заряда стал кулон (Кл). Он получил название в честь французского ученого Кулона, и в формулах обозначается латинской литерой Q . Один кулон равен 6,28*1018 зарядов электронов.

Электрические заряды возникающие за счет смещения электронов. Когда имеется сильный дефицит отрицательных частиц в одной точке и избыток их в другой создают разность потенциалов. Если две точки, между которыми имеется определенный уровень разности потенциалов, соединить проводником, то по нему побегут электроны. Вот этот поток электронов и называется электрическим током.

Электрический ток это направленно движение потока электронов в область положительного заряда из области отрицательного заряда. В качестве физической единицы измерения силы тока в системе СИ применяют ампер (А). Один ампер это такая сила тока, появляющаяся в проводнике при перемещении заряда величиной в один кулон за время в одну секунду.

где I сила тока в амперах, Q величина электрического заряда в кулонах, t время в секундах.

Рассмотрим физический процесс протекание тока по проводнику. Носителями заряда в электрической цепи являются отрицательные электроны. Условно считается, что ток это поток отрицательно заряженных электронов, но по факту электроны перемещаются от одного атома к другому, то образуют положительные заряды, названные дырками. Другими словами, дырка это след который оставляет выбитый с орбиты электрон.

Можно условно сказать, что дырки перемещаются в направлении противоположном потоку электронов.

Если электроны идут с одного конца проводника на другой его конец, то по проводнику будет идти ток. В результате направленного движения свободных электронов, они сталкиваются с атомами, выбивая с их орбиты другие электроны, которые в свою очередь становятся свободными. И уже эти получившие свободу электроны сталкиваются с другими атомами и так далее пока не дойдут до положительного заряженного конца проводника, так же сталкиваясь с другими атомами. Это перемещение, получило название дрейф, осуществляется в результате отталкивания зарядов. Кроме того, положительно заряженный конец проводника, с резким дефицитом электронов, притягивает отрицательно заряженные частицы. Поэтому из-за «работы» законов взаимодействия электрических зарядов идет медленный дрейф электронов.

Для лучшего понимания процесса возьмем полую трубу и заполним ее шариками:

Если добавим дополнительный еще один шарик в один конец трубки, то из второго конца шарик выскользнет.

Прибор, в который уходят электроны с положительно заряженного конца проводника и который отдает их в отрицательно заряженный конец проводника, называют источником напряжения или питания.

Электрический ток может быть представлен как направленное перемещение заряженных частиц, за которые традиционно принимаются носители отрицательного заряда или электроны. Это утверждение справедливо для твёрдых проводников, где постоянное присутствие свободных заряженных частиц считается нормой. Для жидких и газообразных сред такими носителями являются положительно заряженные ионы, посредством которых осуществляется перенос вещества.

Физическая сущность

Для чёткого понимания того, как течёт ток, сначала потребуется ознакомиться с основными физическими явлениями, приводящими к образованию упорядоченного потока. Согласно молекулярно-атомистической теории, все природные тела (независимо от их агрегатного состояния) состоят из молекул и атомов, в состав которых входят отрицательно заряженные электроны.

Для выяснения принципов образования потока заряженных частиц удобнее всего представить состав физических тел следующим образом:

• Входящие в состав молекул атомы условно представляются в виде находящегося в центре ядра и вращающихся вокруг него со скоростью света электронов;
• За счёт различной полярности этих двух составляющих их комбинация в нормальных условиях имеет нулевой заряд;

Дополнительная информация. В атомах любого химического элемента количество вращающихся на орбитах электронов равно суммарному заряду ядра, что обеспечивает их электрическую нейтральность.

• В атомах некоторых веществ на наружных оболочках имеется большое количество электронов, которые к тому же удалены от ядра на значительные по атомным меркам расстояния;
• В отдельные моменты времени некоторые из них срываются со своих орбит и начинают свободно «блуждать» между атомами, притягиваясь к соседним ядрам или отталкиваясь от их электронов.

Вследствие этих процессов в металлических предметах появляются свободные заряды, которые при приложении противоположных по знаку электрических потенциалов (напряжения) начинают упорядоченно перемещаться.

Направленное движение свободных носителей заряда в твёрдых телах (проводниках) и называется электрическим током.

В веществах с малым содержанием свободных электронов указанное перемещение или совсем невозможно (диэлектрики), или ограничивается небольшой величиной. Такие недостаточно насыщенные носителями электричества материалы называются полупроводниками.

Виды токов

Потоки электронов, имеющиеся в проводящих материалах, могут двигаться всё время в одну сторону либо постоянно менять своё направление. В первом случае они формируют переменный, а во втором – постоянный токи.

Переменные потоки образуются под воздействием меняющихся по своей величине и знаку напряжений, прикладываемых к концам проводника, а для получения постоянного токового сигнала используется разность потенциалов одной полярности.

Обратите внимание! Меняющиеся токи протекают по электропроводке любой квартиры, а примером второй разновидности может служить однонаправленное движение электронов в аккумуляторах или батарейках.

Исторически сложилось так, что в цепи постоянного потока за его направление принято считать движение от «плюса» источника питания к его «минусу». Хотя в действительности носители отрицательного заряда перемещаются в прямо противоположном направлении (от «минуса» к «плюсу»). Но принятое ранее условное направление настолько закрепилось в сознании людей, что его оставили неизменным, полагая абсолютно условным значение этого параметра.

Для того чтобы разобраться с тем, куда текут переменные токи, следует отталкиваться непосредственно от их определения. В этой ситуации под воздействием переменного потенциала (напряжения) они меняют своё направление с определённой периодичностью.

Важно! В российских бытовых сетях переменное напряжение имеет частоту 50 Герц. С соответствующей периодичностью меняет своё направление и текущий по электропроводке ток.

В зарубежных электрических сетях (в США и Японии, в частности) данная частота составляет 60 Герц, что несколько повышает эффективность с одновременным возрастанием потерь в питающих линиях.

Двунаправленное перемещение зарядов

В большинстве металлов одновременно с потоком электронов наблюдается обратное движение противоположных по знаку частиц, образованных положительно заряженными атомами. Их перемещение совпадает с исторически сложившимся определением (от «плюса» к «минусу»), так что при желании за истинное направление можно принимать движение этих составляющих вещества.

Добавим к сказанному, что в жидкостях и газах имеющие различные заряды атомные частицы (уже упоминавшиеся ионы и электроны) также движутся в противоположных направлениях. Такой способ формирования потока частиц в цепи называется электролизом, который широко применяется в различных отраслях промышленного производства.

В заключение отметим, что в отличие от теоретического взгляда, на практике условно выбранное направление перемещения электронов в конкретной электрической схеме имеет принципиальное значение. Любая цепочка из включённых в неё радиоэлементов исходно рассчитывается на определённую полярность подаваемого напряжения, а, следовательно, и на заданное направление формируемого токового сигнала.

Видео

В учебнике физики есть определение:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля. Частицами могут быть: электроны, протоны, ионы, дырки.

В академических учебниках определение описывается так:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК — это скорость изменения электрического заряда во времени.

• • Заряд электронов отрицателен.

• • протоны — частицы с положительным зарядом;

• нейтроны — с нейтральным зарядом.

СИЛА ТОКА – это количество заряженных частиц (электроны, протоны, ионы, дырки), протекающих через поперечное сечение проводника.

Все физические вещества, в том числе металлы состоят из молекул, состоящих из атомов, которые в свою очередь состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. Во время химических реакций электроны переходят от одних атомов к другим, поэтому, атомы одного вещества испытывают недостаток в электронах, а атомы другого вещества имеют их избыток. Это означает, что вещества имеют разноименные заряды. В случае их контакта, электроны будут стремиться перейти из одного вещества в другое. Именно это перемещение электронов и есть ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК . Ток, который будет течь, до тех пор, пока заряды этих двух веществ не уравняются. Взамен ушедшего электрона приходит другой. Откуда? От соседнего атома, к нему — от его соседа, так до крайнего, к крайнему — от отрицательного полюса источника тока (например — батарейки). С другого конца проводника электроны уходят на положительный полюс источника тока. Когда все электроны на отрицательном полюсе закончатся, ток прекратится (батарея «села»).

— это характеристика электрического поля и представляет собой разность потенциалов двух точек внутри электрического поля.

Вроде как то не понятно. Проводник – это в простейшем случае — проволока, сделанная из металла (чаще применяется медь и алюминий). Масса электрона равна 9,10938215(45)×10 -31 кг . Если электрон имеет массу, то это означает, что он материален. Но проводник сделан из металла, а металл то, твёрдый, как по нему текут какие то, электроны?

Число электронов в веществе, равное числу протонов лишь обеспечивает его нейтральность, а сам химический элемент определяется количеством протонов и нейтронов исходя из периодического закона Менделеева. Если чисто теоретически отнять от массы любого химического элемента все его электроны, он практически не приблизится к массе ближайшего химического элемента. Слишком большая разница между массами электрона и ядра (масса только 1-го протона примерно в 1836 больше массы электрона). А уменьшение или увеличение числа электронов должно приводить лишь к изменению общего заряда атома. Число электронов у отдельно взятого атома всегда переменно. Они, то покидают его, вследствие теплового движения, то возвращаются обратно, потеряв энергию.

Если электроны движутся направленно, значит, они «покидают» свой атом, а не будет теряться атомарная масса и как следствие, меняться и химический состав проводника? Нет. Химический элемент определяется не атомарной массой, а количеством ПРОТОНОВ в ядре атома , и ничем другим. При этом наличие или отсутствие электронов или нейтронов у атома роли не играет. Добавим — убавим электроны — получим ион, добавим — убавим нейтроны — получим изотоп. При этом химический элемент останется тем же.

С протонами другая история: один протон — это водород, два протона — это гелий, три протона — литий и.т.д (см. таблицу Менделеева). Поэтому, сколько ни пропускай ток через проводник, химический состав его не изменится.

Другое дело электролиты. Здесь как раз ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЕНЯЕТСЯ. Из раствора под действием тока выделяются элементы электролита. Когда все выделятся, ток прекратится. Всё потому, что носители заряда в электролитах — ионы.

Бывают химические элементы без электронов :

1. Атомарный космический водород.

2. Газы в верхних слоях атмосферы Земли и других планет с атмосферой.

2. Все вещества в состоянии плазмы.

3. В ускорителях, коллайдерах.

Под действием электрического тока химические вещества (проводники) могут «рассыпаться». Например, плавкий предохранитель. Движущиеся электроны на своем пути расталкивают атомы, если ток сильный — кристаллическая решетка проводника разрушается и проводник расплавляется.

Рассмотрим работу электровакуумных приборов.

Напомню, что во время действия электрического тока в обычном проводнике, электрон, покидая своё место, оставляет там «дырку», которая затем заполняется электроном от другого атома, где в свою очередь так же образуется дырка, в последствии заполняемая другим электроном. Весь процесс движения электронов происходит в одну сторону, а движение «дыр», в противоположную. То есть дырка – явление временное, она заполняется всё равно. Заполнение необходимо для сохранения равновесия заряда в атоме.

А теперь рассмотрим работу электровакуумного прибора. Для примера возьмём простейший диод – кенотрон. Электроны в диоде во время действия электрического тока испускаются катодом в направлении анода. Катод покрыт специальными окислами металлов, которые облегчают выход электронов из катода в вакуум (малая работа выхода). Никакого запаса электронов в этой тоненькой пленке нет. Для обеспечения выхода электронов катод сильно разогревают нитью накала. Со временем раскаленная пленка испаряется, оседает на стенках колбы, и эмиссионная способность катода уменьшается. И такой электронно-вакуумный прибор попросту выкидывают. А если прибор дорогой, его восстанавливают. Для его восстановления колбу распаивают, заменяют катод на новый, после чего колбу обратно запаивают.

Электроны в проводнике двигаются «перенося на себе» электрический ток, а катод пополняется электронами от проводника, подключенного к катоду. На замену электронам, покинувшим катод, приходят электроны от источника тока.

Понятие «скорость движения электрического тока» не существует. Со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с), по проводнику распространяется электрическое поле, под действием которого все электроны начинают движение с малой скоростью, которая приблизительно равна 0,007 мм/с, не забывая ещё и хаотически метаться в тепловом движении.

Давайте теперь разберёмся в основных характеристиках тока

Представим картину: У вас имеется стандартная картонная коробка с горячительным напитком на 12 бутылок. А вы пытаетесь засунуть туда ещё бутылку. Предположим вам это удалось, но коробка едва выдержала. Вы засовываете туда ещё одну, и вдруг коробка рвётся и бутылки вываливаются.

Коробку с бутылками можно сравнить с поперечным сечением проводника:

Чем шире коробка (толще провод), тем большее количество бутылок (СИЛУ ТОКА), она может в себя поместить (обеспечить).

В коробке (в проводнике) можно поместить от одной до 12 бутылок – она не развалится (проводник не сгорит), а большее число бутылок (большую силу тока) она не вмещает (представляет сопротивление).
Если сверху на коробку, мы поставим ещё одну коробку, то на одной единице площади (сечении проводника) мы разместим не 12, а 24 бутылки, ещё одну сверху — 36 бутылок. Одну из коробок (один этаж) можно принять за единицу аналогичную НАПРЯЖЕНИЮ электрического тока.

Чем шире коробка (меньше сопротивление), тем большее количество бутылок (СИЛУ ТОКА) она может обеспечить.

Увеличив высоту коробок (напряжение), мы можем увеличить общее количество бутылок (МОЩНОСТЬ) без разрушения коробок (проводника).

По нашей аналогии получилось:

Общее количество бутылок это — МОЩНОСТЬ

Количество бутылок в одной коробке (слое) это — СИЛА ТОКА

Количество ящиков в высоту (этажей) это — НАПРЯЖЕНИЕ

Ширина коробки (вместимость) это — СОПРОТИВЛЕНИЕ участка электрической цепи

Путём перечисленных аналогий, мы пришли к «ЗАКОНУ ОМА «, который ещё называется Законом Ома для участка цепи. Изобразим его в виде формулы:

где I – сила тока, U R – сопротивление.

По-простому, это звучит так: Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению .

Кроме того, мы пришли и к «ЗАКОНУ ВАТТА «. Так же изобразим его в виде формулы:

где I – сила тока, U – напряжение (разность потенциалов), Р – мощность.

По-простому, это звучит так: Мощность равна произведению силы тока на напряжение .

Сила электрического тока измеряется прибором называемым Амперметром. Как вы догадались, величина электрического тока (количество переносимого заряда) измеряется в амперах. Для увеличения диапазона обозначений единицы изменения существуют такие приставки кратности как микро — микроампер (мкА), мили – миллиампер (мА). Другие приставки в повседневном обиходе не используются. Например: Говорят и пишут «десять тысяч ампер», но никогда не говорят и не пишут 10 килоампер. Такие значения в обычной жизни не реальны. То же самое можно сказать про наноампер. Обычно говорят и пишут 1×10 -9 Ампер.

Электрическое напряжение (электрический потенциал) измеряется прибором называемым Вольтметром, как вы догадались, напряжение, т. е. разность потенциалов, которая заставляет течь ток, измеряется в Вольтах (В). Так же, как для тока, для увеличения диапазона обозначений, существуют кратные приставки: (микро — микровольт (мкВ), мили – милливольт (мВ), кило – киловольт (кВ), мега – мегавольт (МВ). Напряжение ещё называют ЭДС – электродвижущей силой.

Электрическое сопротивление измеряется прибором называемым Омметром, как вы догадались, единица измерения сопротивления – Ом (Ом). Так же, как для тока и напряжения, существуют приставки кратности: кило – килоом (кОм), мега – мегаом (МОм). Другие значения в обычной жизни не реальны.

Ранее, Вы узнали, что сопротивление проводника напрямую зависит от диаметра проводника. К этому можно добавить, что если к тонкому проводнику приложить большой электрический ток, то он будет не способен его пропустить, из-за чего будет сильно греться и, в конце концов, может расплавиться. На этом принципе основана работа плавких предохранителей.

Атомы любого вещества располагаются на некотором расстоянии друг от друга. В металлах расстояния между атомами настолько малы, что электронные оболочки практически соприкасаются. Это дает возможность электронам свободно блуждать от ядра к ядру, создавая при этом электрический ток, поэтому металлы, а также некоторые другие вещества являются ПРОВОДНИКАМИ электричества. Другие вещества – наоборот, имеют далеко расставленные атомы, электроны, прочно связанные с ядром, которые не могут свободно перемещаться. Такие вещества не являются проводниками и их принято называть ДИЭЛЕКТРИКАМИ, самым известным из которых является резина. Это и есть ответ на вопрос, почему электрические провода делают из металла.

О наличии электрического тока говорят следующие действия или явления, которые его сопровождают:

;1. Проводник, по которому течет ток, может нагреваться;

2. Электрический ток может изменять химический состав проводника;

3. Ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела.

При отделении электронов от ядер освобождается некоторое количество энергии, которое нагревает проводник. «Нагревательную» способность тока принято называть рассеиваемой мощностью и измерять в ваттах. Такой же единицей принято измерять и механическую энергию, преобразованную из электрической энергии.

Опасность электрического тока и другие опасные свойства электричества и техника безопасности

Электрический ток нагревает проводник, по которому течёт. Поэтому:

1. Если бытовая электрическая сеть испытывает перегрузку, изоляция постепенно обугливается и осыпается. Возникает возможность короткого замыкания, которое очень опасно.

2. Электрический ток, протекая по проводам и бытовым приборам, встречает сопротивление, поэтому «выбирает» путь с наименьшим сопротивлением.

3. Если происходит короткое замыкание, сила тока резко возрастает. При этом выделяется большое количество тепла, способное расплавить металл.

4. Короткое замыкание может произойти и из-за влаги. Если в случае с коротким замыканием происходит пожар, то в случае с воздействием влаги на электроприборы в первую очередь страдает человек.

5. Удар электричеством очень опасен, вероятен смертельный исход. При протекании электрического тока через организм человека, сопротивление тканей резко уменьшается. В организме происходят процессы нагревания тканей, разрушения клеток, отмирания нервных окончаний.

Как обезопасить себя от поражения электрическим током

Чтобы обезопасить себя от воздействия электрического тока, используют средства защиты от поражения электрическим током : работают в резиновых перчатках, используют резиновый коврик, разрядные штанги, устройства заземления аппаратуры, рабочих мест. Автоматические выключатели с тепловой защитой и защитой по току, так же являются не плохим средством защиты от поражения током, способным сохранить жизнь человека. Когда я не уверен в отсутствии опасности поражения электрическим током, при выполнении не сложных операций в электрощитовых, блоках аппаратуры, я как правило работаю одной рукой, а другую руку ложу в карман. Тем самым исключается возможность поражения током по пути рука-рука, в случае случайного прикосновения к корпусу щита, или другим массивным заземлённым предметам.

Для тушения пожара, возникшего на электрооборудовании используют только порошковые или углекислотные огнетушители. Порошковые тушат лучше, но после засыпания аппаратуры пылью из огнетушителя, эту аппаратуру не всегда возможно восстановить.