Меню

Как появляется электрический ток в проводниках

Как в реальности протекает электрический ток?

Подписка на рассылку

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Существование современного мира невозможно представить без электрического тока. Он обеспечивает функционирование огромного множества устройств и электроприборов, а также целых систем. Понятие «электрический ток» помогает провести аналогию между этим явлением и протеканием жидкости, что придает данному термину некоторую наглядность.
Электрический ток протекает благодаря тому, что электромагнитное поле движется вдоль проводящей среды со скоростью, примерно равной скорости света. Данное движение идет в направлении от большего потенциала к меньшему, то есть от «+» к «-». Одновременно с этим носители зарядов перемещаются с чуть медленнее и в разных направлениях (в зависимости от материала).

Как заряды движутся

Какие бывают носители зарядов?

Существуют два вида носителей зарядов – отрицательные и положительные. Заряд со знаком «минус» может иметь ионы и электроны, а положительный заряд в основном имеют только ионы. Отрицательные заряды перемещаются в направлении большему потенциала, а положительные – наоборот. Это движение и приводит к появлению электрического тока.
Данная неопределенность устранена в общепринятом правиле, которое гласит, что ток всегда протекает от «+» к «-», вне зависимости от типа зарядов.

заряды движутся

Как заряды движутся в металлах?

Почти все металлы, применяемые в электротехнике, не содержат ионов, поскольку пребывают в твердом состоянии.
Для них свойственна проводимость электронного типа. Это означает, что свободные электроны, выступающие в роли носителей зарядов, движутся в направлении, обратном току.

Металлы обладают относительно низким электрическим сопротивлением. Если разность потенциалов отсутствует, электрическое поле срывает электроны со своих орбит. По этой причине при небольшой разности потенциалов возникает значимое количество носителей зарядов.

ионы

Как заряды движутся в полупроводниках?

Полупроводники имеют гораздо более низкую проводимость, чем металлы (в условиях комнатной температуры). Существуют полупроводники двух типов – n и p. Полупроводники первого типа содержат избыток электронов. Когда они переходят к p-типу, возникает их недостаток. Остальные электроны без особых трудностей перемещаются по своим возможным местам внутри атома. Это равноценно движению зарядов со знаком «+».
Поскольку в полупроводниках электроны слабо связаны с атомами, при повышении температуры изменяется количество несвязанных электронов, и проводимость полупроводника быстро возрастает.
Вывод: в полупроводниках заряды могут двигаться в направлении протекания тока или же в противоположном направлении (p- и n-тип соответственно).

Как заряды движутся в газах и жидкостях?

В жидкостях и газах носителями зарядов выступают ионы, которые бывают отрицательными (так называемые катионы) и положительными (анионы). Если количество катионов больше, они движутся обратно направлению тока. Если же преобладают анионы, их движение совпадает с направлением тока.

Источник

История открытия электричества

Электричество – обыденное и жизненно необходимое для большинства людей явление. И как любая привычная вещь, оно редко заметно. Мало кто задаётся вопросом откуда оно появляется, как работает, что с его помощью можно сделать. Однако, его исследованием занимались задолго до нашей эры и до сих пор некоторые загадки остаются без ответа.

История открытия электричества

Что понимают под электрическим током

Электричество – это комплекс явлений, связанный с существованием электрических зарядов. Под этим словом чаще всего подразумевается электрический ток и все процессы, которые он вызывает.

Электрический ток – это направленное движение частиц, несущих заряд, под воздействием электрического поля.

Кто придумал электричество — история

Частные проявления электричества изучались ещё задолго до нашей эры. Но соединить их в одну теорию, объясняющую вспышки молний в небе, притяжение предметов, способность вызывать пожары и онемение частей тела или даже смерть человека, оказалось непростой задачей.

История открытия электричества

Учёные издревле изучали три проявления электричества:

  • Рыбы, вырабатывающие электричество;
  • Статическое электричество;
  • Магнетизм.

В Древнем Египте целители знали о странных способностях нильского сома и пытались с его помощью лечить головную боль и другие заболевания. Древнеримские врачи использовали в сходных целях электрического ската. Древние греки подробно изучали странные способности ската и знали, что оглушить человека существо могло без прямого контакта через трезубец и рыболовные сети.

Несколько раньше было обнаружено, что если потереть янтарь о кусок шерсти, то он начнёт притягивать шерстинки и небольшие предметы. Позже был открыт и другой материал со сходными свойствами – турмалин.

Примерно в 500-х годах до н.э. индийские и арабские учёные знали о веществах, способных притягивать железо и активно использовали эту способность в разных областях. Около 100-го года до н.э. китайские учёные изобрели магнитный компас.

В 1600 году Уильям Гилберт, придворный врач Елизаветы I и Якова I, обнаружил, что вся планета – это один огромный компас и ввел понятие «электричество» (с греческого «янтарность»). В его трудах эксперименты с натиранием янтаря о шерсть и способность компаса указывать на север начали объединяться в одну теорию. На картине ниже он демонстрирует магнит Елизавете I.

История открытия электричества

В 1633 год инженер Отто фон Герике изобретает электростатическую машину, которая может не только притягивать, но и отталкивать предметы, а в 1745 году Питер ван Мушенбрук сооружает первый в мире накопитель электрического заряда.

В 1800 году итальянец Алессандро Вольта изобретает первый источник тока – электрическую батарею, вырабатывающую постоянный ток. Также он смог передать электрический ток на расстояние. Поэтому именно этот год многие считают годом изобретения электричества.

В 1831 году Майк Фарадей открывает явление электромагнитной индукции и открывает направление для изобретения различных устройств на основе электрического тока.

История открытия электричества

На рубеже XIX-XX веков совершается огромное количество открытий и достижений, благодаря деятельности Николы Тесла. Среди прочего, он изобрёл высокочастотный генератор и трансформатор, электродвигатель, антенну для радиосигналов.

Наука, изучающая электричество

Электричество – природное явление. Оно частично изучается в биологии, химии и физике. Наиболее полно электрические заряды рассматриваются в рамках электродинамики – одного из разделов физики.

Теории и законы электричества

Законов, которым подчиняется электричество немного, но они полностью описывают явление:

  • Закон сохранения энергии – фундаментальный закон, которому подчиняются и электрические явления;
  • Закон Ома – основной закон электрического тока;
  • Закон электромагнитной индукции – о электромагнитном и магнитном полях;
  • Закон Ампера – о взаимодействии двух проводников с токами;
  • Закон Джоуля-Ленца – о тепловом эффекте электричества;
  • Закон Кулон – об электростатике;
  • Правила правой и левой руки – определяющие направления силовых линий магнитного поля и силы Ампера, действующей на проводник в магнитном поле;
  • Правило Ленца – определяющее направление индукционного тока;
  • Законы Фарадея – об электролизе.

Первые опыты с электричеством

Первые опыты с электричеством носили, в основном, развлекательный характер. Их суть была в лёгких предметах, которые притягивались и отталкивались под действием плохо изученной силы. Другой занимательный опыт – передача электричества через цепочку людей, взявшихся за руки. Физиологическое действие электричества активно изучал Жан Нолле, заставивший пройти электрический заряд через 180 человек.

Из чего состоит электрический ток

Электрический ток – это направленное или упорядоченное движение заряженных частиц (электронов, ионов). Такие частицы называют носителями электрического заряда. Для того чтобы движение появилось, в веществе должны быть свободные заряженные частицы. Способность заряженных частиц перемещаться в веществе определяет проводимость этого вещества. По проводимости вещества различают на проводники, полупроводники, диэлектрики и изоляторы.

История открытия электричества

В металлах заряд перемещают электроны. Само вещество при этом никуда не утекает – ионы металла надёжно закреплены в узлах структуры и лишь слегка колеблются.

В жидкостях заряд переносят ионы: положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. Частицы устремляются к электродам с противоположным зарядом, где становятся нейтральными и оседают.

В газах под действием сил с разными потенциалами образуется плазма. Заряд переносится свободными электронами и ионами обоих полюсов.

В полупроводниках, заряд перемещают электроны, перемещаясь от атома к атому и оставляя после себя разрывы, считающиеся положительно заряженными.

История открытия электричества

Откуда берется электрический ток

Электричество, поступающее по проводам в дома, вырабатывается электрическим генератором на различных электростанциях. На них генератор соединён с постоянно вращающейся турбиной.

Читайте также:  Регулировка выходного напряжения по току

В конструкции генератора есть ротор – катушка, которая располагается между полюсами магнита. При вращении турбиной этого ротора в магнитном поле по законам физики появляется или наводится электрический ток. Таким образом назначение генератора – преобразовывать кинетическую силу вращения в электричество.

История открытия электричества

Заставить турбину крутиться можно многими способами, используя разнообразные источники энергии. Они разделяются на три вида:

  • Возобновляемые – энергия, получаемая из неисчерпаемых ресурсов: потоков воды, солнечного света, ветра, геотермальных источников и биотоплива;
  • Невозобновляемые – энергия, получаемая из ресурсов, которые возникают очень медленно, несоизмеримо с темпами расходования: уголь, нефть, торф, природный газ;
  • Ядерные – энергия, получаемая из процесса ядерного деления клеток.

Чаще всего электроэнергия возникает благодаря работе:

  • Гидроэлектростанций (ГЭС) – строятся на реках и используют силу водного потока;
  • Тепловых электростанций (ТЭС) – работают на тепловой энергии от сжигания топлива;
  • Атомные электростанции (АЭС) – работают на тепловой энергии, получаемой от процесса ядерной реакции.

Преобразованная энергия по проводам поступает в трансформаторные подстанции и распределительные устройства и уже потом доходит до конечного потребителя.

Сейчас активно развиваются так называемые альтернативные виды энергии. К ним относят ветрогенераторы, солнечные батареи, использование геотермальных источников и любые другие способы получить электроэнергию через необычные явления. Альтернативная энергетика сильно уступает по производительности и окупаемости традиционным источникам, но в определённых ситуациях помогают сэкономить и снизить нагрузку на основные электросети.

Также есть миф о существовании БТГ — бестопливных генераторов. В интернете есть ролики демонстрирующие их работу и предлагается их продажа. Но о достоверности этой информации идут большие споры.

Виды электричества в природе

Самый простой пример электричества, возникающего естественным путём – это молнии. Частицы воды в облаках постоянно сталкиваются друг с другом, приобретая положительный или отрицательный заряд. Более лёгкие, положительно заряженные частицы оказываются в верхней части облака, а тяжёлые отрицательные перемещаются вниз. Когда два подобных облака оказываются на достаточно близком расстоянии, но на разной высоте, положительные заряды одного начинают взаимно притягиваться отрицательными частицами другого. В этот момент и возникает молния. Также это явление возникает между облаками и самой земной поверхностью.

Другое проявление электричества в природе – это специальные органы у рыб, скатов и угрей. С их помощью они могут создавать электрические заряды, чтобы обороняться от хищников или оглушать своих жертв. Их потенциал – от совсем слабых разрядов, незаметных для человека, до смертельно опасных. Некоторые рыбы создают вокруг себя слабое электрическое поле, помогающее искать добычу и ориентироваться в мутной воде. Любой физический объект так или иначе искажает его, что помогает воссоздавать окружающее пространство и «видеть» без глаз.

Также электричество проявляется и в работе нервной системы живых организмов. Нервный импульс передаёт информацию от одной клетки к другой, позволяя реагировать на внешние и внутренние раздражители, мыслить и управлять своими движениями.

История открытия электричества

Что такое статическое электричество и как с ним бороться?

История открытия электричества

Определение направления вектора магнитной индукции с помощью правила буравчика и правила правой руки

История открытия электричества

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

История открытия электричества

Сила Лоренца и правило левой руки. Движение заряженных частиц в магнитном поле

Что такое анод и катод?

История открытия электричества

Закон Кулона, определение и формула — электрические точечные заряды и их взаимодействие

Источник

Что такое электрический ток и каковы условия его существования

  • Определение
  • Условия существования электрического тока
  • Электрический ток в разных средах
  • В металлах
  • В полупроводниках
  • В вакууме и газе
  • В жидкости
  • Заключение

Определение

Электрическим током является направленное движение носителей зарядов – это стандартная формулировка из учебника физики. В свою очередь носителями заряда называются определенные частицы вещества. Ими могут быть:

  • Электроны – отрицательные носители заряда.
  • Ионы – положительные носители заряда.

Направление движения частиц

Но откуда берутся носители заряда? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить базовые знания о строении вещества. Всё что нас окружает – вещество, оно состоит из молекул, мельчайших его частиц. Молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны на заданных орбитах. Молекулы также хаотично движутся. Движение и структура каждой из этих частиц зависят от самого вещества и влияния на него окружающей среды, например температуры, напряжения и прочего.

Частицы вещества

Ионом называют атом, у которого изменилось соотношение электронов и протонов. Если изначально атом нейтрален, то ионы в свою очередь делят на:

  • Анионы – положительный ион атома, потерявшего электроны.
  • Катионы – это атом с «лишними» электронами, присоединившиеся к атому.

Единица измерения тока – Ампер, согласно закону Ома он вычисляется по формуле:

I=U/R,

где U – напряжение, [В], а R – сопротивление, [Ом].

Или прямопропорционален количеству заряда, перенесенному за единицу времени:

I=Q/t,

где Q – заряд, [Кл], t – время, [с].

Условия существования электрического тока

Что такое электрический ток мы разобрались, теперь давайте поговорим о том, как обеспечить его протекание. Для протекания электрического тока необходимо выполнение двух условий:

  1. Наличие свободных носителей заряда.
  2. Электрическое поле.

Первое условие существования и протекания электричества зависит от вещества, в котором протекает (или не протекает) ток, а также его состояния. Второе условие также выполнимо: для существования электрического поля обязательно наличие разных потенциалов, между которыми находится среда, в которой будут протекать носители заряда.

Источник электричества

Напомним: Напряжение, ЭДС – это разность потенциалов. Отсюда следует, что для выполнения условий существования тока – наличия электрического поля и электрического тока, нужно напряжение. Это могут быть обкладки заряженного конденсатора, гальванический элемент, ЭДС возникшее под действием магнитного поля (генератор).

Как он возникает, мы разобрались, давайте поговорим о том, куда он направлен. Ток, в основном, в привычном для нас использовании, движется в проводниках (электропроводка в квартире, лампочки накаливания) или в полупроводниках (светодиоды, процессор вашего смартфона и другая электроника), реже в газах (люминесцентные лампы).

Так вот основными носителями заряда в большинстве случаев являются электроны, они движутся от минуса (точки с отрицательным потенциалом) к плюсу (точке с положительным потенциалом, подробнее об этом вы узнаете ниже).

Движение электронов

Но интересен тот факт, что за направление движения тока было принято движение положительных зарядов – от плюса к минусу. Хотя фактически всё происходит наоборот. Дело в том, что решение о направлении тока было принято до изучения его природы, а также до того, как было определено за счет чего протекает и существует ток.

Электрический ток в разных средах

Мы уже упоминали о том, что в различных средах электрический ток может различаться по типу носителей заряда. Среды можно разделить по характеру проводимости (по убыванию проводимости):

  1. Проводник (металлы).
  2. Полупроводник (кремний, германий, арсенид галия и пр).
  3. Диэлектрик (вакуум, воздух, дистиллированная вода).

В металлах

В металлах есть свободные носители зарядов, их иногда называют «электрическим газом». Откуда берутся свободные носители зарядов? Дело в том, что металл, как и любое вещество, состоит из атомов. Атомы, так или иначе движутся или колеблются. Чем выше температура металла, тем сильнее это движение. При этом сами атомы в общем виде остаются на своих местах, собственно и формируя структуру металла.

Движение электронов в металле

В электронных оболочках атома обычно есть несколько электронов, у которых связь с ядром достаточно слабая. Под воздействием температур, химических реакций и взаимодействия примесей, которые в любом случае находятся в металле, электроны отрываются от своих атомов, образуются положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся электроны называются свободными и двигаются хаотично.

Если на них будет воздействовать электрическое поле, например, если подключить к куску металла батарейку – хаотичное движение электронов станет упорядоченным. Электроны от точки, в которую подключен отрицательный потенциал (катод гальванического элемента, например), начнут двигаться к точке с положительным потенциалом.

В полупроводниках

Полупроводниками являются такие материалы, в которых в нормальном состоянии нет свободных носителей заряда. Они находятся в так называемой запрещенной зоне. Но если приложить внешние силы, такие как электрическое поле, тепло, различные излучения (световое, радиационное и пр.), они преодолевают запрещенную зону и переходят в свободную зону или зону проводимости. Электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными, образуя ионы – положительные носители зарядов.

Читайте также:  Какое действие тока используется в электросварке

Запрещенная зона

Положительные носители в полупроводниках называются дырками.

Если просто передать энергию полупроводнику, к примеру нагреть, начнется хаотичное движение носителей заряда. Но если речь идет о полупроводниковых элементах, типа диода или транзистора, то на противоположных концах кристалла (на них нанесен металлизированный слой и припаяны выводы) возникнет ЭДС, но это не относится к теме сегодняшней статьи.

Если приложить источник ЭДС к полупроводнику, то носители заряда также перейдут в зону проводимости, а также начнется их направленное движение – дырки пойдут в сторону с меньшим электрическим потенциалом, а электроны – в сторону с большим.

В вакууме и газе

Вакуумом называют среду с полным (идеальный случай) отсутствием газов или минимизированным (в реальности) его количеством. Так как в вакууме нет никакого вещества, то и носителям заряда браться не откуда. Однако протекание тока в вакууме положило начало электронике и целой эпохе электронных элементов – электровакуумных ламп. Их использовали в первой половине прошлого века, а в 50-х годах они начали постепенно уступать месту транзисторам (в зависимости от конкретной сферы электроники).

Вакуум

Допустим, что у нас есть сосуд, из которого откачали весь газ, т.е. в нём полный вакуум. В сосуд помещено два электрода, назовем их анод и катод. Если мы подключим к катоду отрицательный потенциал источника ЭДС, а к аноду положительный – ничего не произойдет и ток протекать не будет. Но если мы начнем нагревать катод – ток начнет протекать. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией – испускание электронов с нагретой поверхности электрона.

Протекание тока в сосуде

На рисунке изображен процесс протекания тока в вакуумной лампе. В вакуумных лампах катод нагревают расположенной рядом нитью накала на рис (Н), типа такой, как в осветительной лампе.

Движение тока в лампе

При этом, если изменить полярность питания – на анод подать минус, а на катод подать плюс – ток протекать не будет. Это докажет, что ток в вакууме протекает за счет движения электронов от КАТОДА к АНОДУ.

Газ также как и любое вещество состоит из молекул и атомов, это значит, что если газ будет находиться под воздействием электрического поля, то при определенной его силе (напряжение ионизации) электроны оторвутся от атома, тогда будут выполнены оба условия протекания электрического тока – поле и свободные носители.

Как уже было сказано, этот процесс называется ионизацией. Она может происходить не только от приложенного напряжения, но и при нагреве газа, рентгеновском излучении, под воздействием ультрафиолета и прочего.

Ток через воздух потечет, даже если между электродами установить горелку.

Протекание тока при нагреве

Протекание тока в инертных газах сопровождается люминесценцией газа, это явление активно используется в люминесцентных лампах. Протекание электрического тока в газовой среде называется газовым разрядом.

В жидкости

Допустим, что у нас есть сосуд с водой в который помещены два электрода, к которым подключен источник питания. Если вода дистиллированная, то есть чистая и не содержит примесей, то она является диэлектриком. Но если мы добавим в воду немного соли, серной кислоты или любого другого вещества, образуется электролит и через него начнет протекать ток.

Протекание электричества в жидкости

Электролит – вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы.

Если в воду добавить медный купорос, то на одном из электродов (катоде) осядет слой меди – это называется электролиз, что доказывает что электрический ток в жидкости осуществляется за счет движения ионов – положительных и отрицательных носителей заряда.

Электролиз

Электролиз – физико-химический процесс, который заключается в выделении на электродах компонентов составляющих электролит.

Таким образом происходит омеднение, золочения и покрытие другими металлами.

Заключение

Подведем итоги, для протекания электрического тока нужны свободные носители зарядов:

  • электроны в проводниках (металлы) и вакууме;
  • электроны и дырки в полупроводниках;
  • ионы (анионы и катионы) в жидкости и газах.

Для того, чтобы движение этих носителей стало упорядоченны, нужно электрическое поле. Простыми словами – приложить напряжение на концах тела или установить два электрода в среде, где предполагается протекание электрического тока.

Также стоит отметить, что ток определенным образом воздействует на вещество, различают три типа воздействия:

  • тепловое;
  • химическое;
  • физическое.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезно видео, в котором более подробно рассматриваются условия существования и протекания электрического тока:

Полезное по теме:

Источник



Что такое электрический ток?

Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.

В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.

Электрическую энергию можно доставить практически везде:

  • к производственному цеху;
  • квартире;
  • на поле;
  • в шахту, под воду и т. д.

Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Опыт с заряженными телами

Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Электрофорная машина

Рисунок 2. Электрофорная машина

Источники тока

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

Читайте также:  Доказательства наличия тока в проводнике

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Характеристики

Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.

Сила и плотность тока

Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).

Плотность тока – векторная величина. Вектор направлен в сторону движения положительных зарядов. Модуль этого вектора равен отношению силы тока на некотором перпендикулярном к направлению движения зарядов сечении проводника к площади этого сечения. В системе СИ измеряется в А/м 2 . Плотность более ёмко характеризует электричество, однако на практике чаще используется величина «сила тока».

Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома.

Мощность

Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).

Частота

Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.

Ток смещения

Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.

Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.

Виды тока

По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.

Классификация переменного тока

Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:

  1. Синусоидальный, подчиняющийся синусоидальной функции во времени.
  2. квазистационарный – переменный, медленно изменяющийся во времени. Обычные промышленные токи являются квазистационарными.
  3. Высокочастотный – частота которого превышает десятки кГц.
  4. Пульсирующий – импульс которого периодически изменяется.

Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.

Дрейфовая скорость электронов

Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.

Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.

Направление электрического тока

Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.

Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.

Электрический ток в различных средах

В металлах

Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.

Электрический ток в металлах

Рис. 3. Электрический ток в металлах

В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.

В полупроводниках

В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов. Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).

Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.

В вакууме и газе

Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).

Электрический ток в газах

Рис 4. Электрический ток в газах

В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.

Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.

В жидкостях

Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.

Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.

Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).

Рис. 6. Электрический ток в средах

Проводники электрического тока

Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Небольшое сопротивление имеют:

  • все благородные металлы;
  • медь;
  • алюминий;
  • олово;
  • свинец.

На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.

Электробезопасность

Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.

При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.

В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.

Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.

Источник