Передается электрический ток. Что такое электричество и что значит работа тока? Объясняем доступным языком

Электрический ток сейчас используют в каждом здании, зная характеристики тока в электросети дома, следует всегда помнить, что он опасен для жизни.

Электрический ток являет собой эффект направленного движения электрических зарядов (в газах - ионы и электроны, в металлах - электроны), под воздействием электрического поля.

Движение положительных зарядов по полю эквивалентно движению отрицательных зарядов против поля.

Обычно за направление электрического берут направление положительного заряда.

• мощность тока;
• напряжение тока;
• сила тока;
• сопротивление тока.

Мощность тока.

Мощностью электрического тока называют отношение произведенной током работы ко времени, в течение которого была выполнена это работа.

Мощность, которую развивает электрический ток на участке цепи, прямо пропорциональна величине тока и напряжению на данном участке. Мощ-ность (элек-три-че-ская и ме-ха-ни-че-ская) из-ме-ря-ет-ся в Ват-тах (Вт).

Мощ-ность тока не за-ви-сит от вре-ме-ни про-те-ка-ния элек-три-че-ско-го тока в цепи, а опре-де-ля-ет-ся как про-из-ве-де-ние на-пря-же-ния на силу тока.

Напряжение тока.

Напряжением электрического тока называется величина, которая показывает, какую работу совершило электрическое поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение при этом в различных участках цепи будет отличаться.

К примеру : напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет намного больше, и величина напряжения будет зависеть от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула: U=A/q, где

• U - напряжение,
• A - работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Сила тока.

Силой тока называют количество заряженных частиц которые протекают через поперечное сечение проводника.

По определению сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Сила электрического тока измеряется прибором, который называется Амперметром. 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. К примеру: говорят и пишут «десять тысяч ампер», но никогда не говорят и не пишут 10 килоампер. Такие значения в повседневной жизни не используются. То же самое можно сказать про наноампер. Обычно говорят и пишут 1×10-9 Ампер.

Сопротивление тока.

Электрическим сопротивлением называется физическая величина, которая характеризует свойства проводника, препятствующие прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

Сопротивление для цепей переменного тока и для переменных электромагнитных полей описывается понятиями импеданса и волнового сопротивления. Сопротивление тока (часто обозначается буквой R или r) считается сопротивление тока, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника. Под электрическим сопротивлением понимают отношение напряжения на концах проводника к силе тока, текущего по проводнику.

Условия возникновения электрического тока в проводящей среде:

1) присутствие свободных заряженных частиц;

2) если есть электрическое поле (присутствует разность потенциала между двумя точками проводника).

Виды воздействия электрического тока на проводящий материал.

1) химическое - изменение химического состава проводников (происходит в основном в электролитах);

2) тепловое - нагревается материал, по которому течет ток (в сверхпроводниках этот эффект отсутствует);

3) магнитное - появление магнитного поля (происходит у всех проводников).

Главные характеристики тока.

1. Сила тока обозначатся буквой I - она равна количеству электричества Q, проходящему через проводник за время t.

I=Q/t

Сила тока определяется амперметром.

Напряжение определяется вольтметром.

3. Сопротивление R проводящего материала.

Сопротивление зависит:

а) от сечения проводника S, от его длины l и материала (обозначается удельным сопротивлением проводника ρ);

R=pl/S

б) от температуры t°С (или Т): R = R0 (1 + αt),

• где R0 - сопротивление проводника при 0°С,
• α - температурный коэффициент сопротивления;

в) для получения различных эффектов, проводники могут соединяться как параллельно, так и последовательно.

Таблица характеристик тока.

Соединение	Последовательное	Параллельное
Сохраняющаяся величина	I 1 = I 2 = … = I n I = const	U 1 = U 2 = …U n U = const
Суммируемая величина	напряжение e=Aст/q Величина, равная затраченной работе совершаемой сторонними силами по перемещению положительного заряда вдоль всей цепи, включая и источник тока, к заряду, имеет название электродвижущая сила источника тока (ЭДС): e=Aст/q Характеристики тока обязательно надо знать при ремонте электрооборудования.

Условия появления тока

Современная наука создала теории, объясняющие природные процессы. В основе многих процессов лежит одна из моделей строения атома, так называемая планетарная модель. В соответствии с этой моделью атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного облака из электронов, окружающего ядро. Разные вещества, состоящие из атомов, в большинстве своём стабильны и неизменны по своим свойствам при неизменных условиях окружающей среды. Но в природе существуют процессы, которые могут изменять стабильное состояние веществ и вызывать в этих веществах явление, называемое электрическим током .

Таким основным для природы процессом является трение. Многие знают, что если волосы расчёсывать расчёской изготовленной из некоторых видов пластика, или носить одежду из некоторых видов ткани, возникает эффект прилипания. Волосы притягиваются и прилипают к расчёске, то же самое происходит и с одеждой. Объясняется этот эффект трением, которое нарушает стабильность материала расчёски или ткани. Электронное облако может смещаться относительно ядра или частично разрушаться. И в результате вещество приобретает электрический заряд, знак которого определяется строением этого вещества. Электрический заряд, возникающий в результате трения, называют электростатическим.

Получается пара из заряженных веществ. Каждое из веществ имеет определённый электрический потенциал. На пространство между двумя заряженными веществами действует электрическое, в данном случае электростатическое поле. Эффективность электростатического поля зависит от величин потенциалов и определяется как разность потенциалов или напряжение.

• Когда возникает напряжение, в пространстве между потенциалами появляется направленное движение заряженных частиц веществ – электрический ток.

Где течёт электрический ток?

При этом потенциалы будут уменьшаться, если трение прекратится. И, в конце концов, потенциалы исчезнут, а вещества вновь обретут стабильность.

Но если процесс формирования потенциалов и напряжения будет продолжаться в сторону их увеличения, ток также будет увеличиваться соответственно свойствам веществ, заполняющих пространство между потенциалами. Наиболее наглядной демонстрацией такого процесса является молния. Трение восходящего и нисходящего потоков воздуха друг о друга приводит к появлению огромного напряжения. В результате один потенциал формируется восходящими потоками в небе, а другой нисходящими потоками в земле. И, в конце концов, из-за свойств воздуха возникает электроток в виде молнии.

• Первой причиной появления электрического тока является напряжение.
• Второй причиной появления электротока является пространство, в котором действует напряжение – его размеры и чем оно заполнено.

Напряжение появляется не только от трения. Другие физические и химические процессы, которые нарушают уравновешенность атомов вещества, так же приводят к появлению напряжения. Напряжение возникает только как результат взаимодействия либо

• одного вещества с другим веществом;
• одного или нескольких веществ с полем или излучением.

Напряжение может появиться от:

• химической реакции, которая происходит в веществе, как например, во всех батареях и аккумуляторах, а также во всех живых существах;
• электромагнитного излучения, как например, в солнечных батареях и тепловых электрогенераторах;
• электромагнитного поля, как например, во всех динамо-машинах.

Электроток имеет природу соответствующую веществу, в котором он течёт. Поэтому различается:

• в металлах;

• в жидкостях и газах;

• в полупроводниках

В металлах электроток состоит только из электронов, в жидкостях и газах – из ионов, в полупроводниках – из электронов и «дырок».

Постоянный и переменный ток

Напряжение относительно своих потенциалов, знаки которых остаются неизменными, может изменяться только по величине.

• При этом появляется постоянный или импульсный электрический ток.

Электроток зависит от длительности этого изменения и свойств пространства, заполненного веществом между потенциалами.

• Но если знаки потенциалов изменяются и это приводит к изменению направления тока, он называется переменным , как и напряжение, его определяющее.

Жизнь и электрический ток

Для количественных и качественных оценок электрического тока в современной науке и технике используются определённые законы и величины. Основными законами являются:

• закон Кулона;
• закон Ома.

Шарль Кулон в 80-х годах 18 века определил появление напряжения, а Георг Ом в 20-х годах 19 века определил появление электротока.

В природе и человеческой цивилизации он используется в основном как переносчик энергии и информации, а тема его изучения и использования так же необъятна, как и сама жизнь. Например, исследования показали, что все живые организмы живут потому, что мышцы сердца сокращаются от воздействия импульсов электротока, вырабатываемого в организме. Все прочие мышцы работают аналогично. Клетка при делении использует информацию на основе электротока сверх высоких частот. Перечень подобных фактов с уточнениями можно продолжить в объёме книги.

Уже много сделано открытий, связанных с электрическим током, и ещё больше предстоит сделать. Поэтому, с появлением новых инструментов для исследований появляются новые законы, материалы и прочие результаты для практического использования данного явления.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле \(\overrightarrow{E} \), то на свободные заряды \(q\) в проводнике будет действовать сила \(\overrightarrow{F} = q\overrightarrow{E}\) В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю.

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда.

Направленное движение заряженных частиц называется электрическим током.

За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока \(I\) - скалярная физическая величина, равная отношению заряда \(\Delta q\), переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени \(\Delta t\), к этому интервалу времени:

$$I = \frac{\Delta q}{\Delta t} $$

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным .

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в Амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током.

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи , в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения . Такие устройства называются источниками постоянного тока . Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы \(A_{ст}\) сторонних сил при перемещении заряда \(q\) от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

$$ЭДС=\varepsilon=\frac{A_{ст}}{q}. $$

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в Вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными . Участки, включающие источники тока, называются неоднородными .

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов \(\Delta \phi_{12} = \phi_{1} - \phi_{2}\) между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе \(\mathcal{E}\), действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна

$$U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2} + \mathcal{E}$$

Величину U 12 принято называть напряжением на участке цепи 1-2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

$$U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2}$$

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока \(I\), текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению \(U\) на концах проводника:

$$I = \frac{1}{R} U; \: U = IR$$

где \(R\) = const.

Величину R принято называть электрическим сопротивлением . Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором . Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит Ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными . Графическая зависимость силы тока \(I\) от напряжения \(U\) (такие графики называются вольт-амперными характеристиками , сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:

$$IR = U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2} + \mathcal{E} = \Delta \phi_{12} + \mathcal{E}$$
$$\color{blue}{I = \frac{U}{R}}$$

Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи .

На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd ) является однородным.

Рисунок 1.8.2. Цепь постоянного тока

По закону Ома

$$IR = \Delta\phi_{cd}$$

Участок (ab ) содержит источник тока с ЭДС, равной \(\mathcal{E}\).

По закону Ома для неоднородного участка,

$$Ir = \Delta \phi_{ab} + \mathcal{E}$$

Сложив оба равенства, получим:

$$I(R+r) = \Delta\phi_{cd} + \Delta \phi_{ab} + \mathcal{E}$$

Но \(\Delta\phi_{cd} = \Delta \phi_{ba} = -\Delta \phi_{ab}\).

$$\color{blue}{I=\frac{\mathcal{E}}{R + r}}$$

Эта формула выражает закон Ома для полной цепи : сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи (внутреннего сопротивления источника).

Сопротивление r неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока . В этом случае участок (ab ) на рис. 1.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (\(R\ \ll r\)), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

$$I_{кз}=\frac{\mathcal{E}}{r}$$

Сила тока короткого замыкания - максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой \(\mathcal{E}\) и внутренним сопротивлением \(r\). У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление r равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.

Если внешняя цепь разомкнута, то \(\Delta \phi_{ba} = -\Delta \phi_{ab} = \mathcal{E}\), т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.

Если внешнее нагрузочное сопротивление R включено и через батарею протекает ток I , разность потенциалов на ее полюсах становится равной

$$\Delta \phi_{ba} = \mathcal{E} - Ir$$

На рис. 1.8.3 дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной \(\mathcal{E}\) и внутренним сопротивлением r в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность \(\overrightarrow{E}\) электрического поля внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды:\(\overrightarrow{F}_{э}\) - электрическая сила и \(\overrightarrow{F}_{ст}\) - сторонняя сила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы - вольтметры и амперметры .

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением \(R_{В}\). Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:

$$R_{В} \gg R_{1}$$

Это условие означает, что ток \(I_{В} = \Delta \phi_{cd} / R_{В}\), протекающий через вольтметр, много меньше тока \(I = \Delta \phi_{cd} / R_{1}\), который протекает по тестируемому участку цепи.

Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением \(R_{А}\). В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию

$$R_{А} \ll (r + R_{1} + R{2})$$

чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.

Измерительные приборы - вольтметры и амперметры - бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.

Заряд в движении. Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как, например, молния. Или это может быть контролируемый процесс в генераторах, батареях, солнечных или топливных элементах. Сегодня мы рассмотрим само понятие "электрический ток" и условия существования электрического тока.

Электрическая энергия

Большая часть электроэнергии, которую мы используем, поступает в виде переменного тока из электрической сети. Он создается генераторами, работающими по закону индукции Фарадея, благодаря которому изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике.

Генераторы имеют вращающиеся катушки провода, которые проходят через магнитные поля по мере их вращения. Когда катушки вращаются, они открываются и закрываются относительно магнитного поля и создают электрический ток, меняющий направление на каждом повороте. Ток проходит через полный цикл вперед и назад 60 раз в секунду.

Генераторы могут питаться от паровых турбин, нагретых углем, природным газом, нефтью или ядерным реактором. Из генератора ток проходит через ряд трансформаторов, где растет его напряжение. Диаметр проводов определяет величину и силу тока, которую они могут переносить без перегрева и потери энергии, а напряжение ограничено только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли.

Интересно отметить, что ток переносится только одним проводом, а не двумя. Две его стороны обозначаются как положительная и отрицательная. Однако, поскольку полярность переменного тока изменяется 60 раз в секунду, они имеют и другие названия - горячие (магистральные линии электропередач) и заземленные (проходящие под землей для замыкания цепи).

Зачем нужен электрический ток?

Существует масса возможностей применения электротока: он может осветить ваш дом, вымыть и высушить одежду, поднять дверь вашего гаража, заставить вскипеть воду в чайнике и дать возможность работать другим бытовым предметам, которые значительно облегчают нам жизнь. Тем не менее все более важным становится способность тока передавать информацию.

При подключении к Интернету компьютером используется лишь небольшая часть электрического тока, но это то, без чего современный человек не представляет своей жизни.

Понятие об электрическом токе

Подобно речному течению, потоку молекул воды, электрический ток - это поток заряженных частиц. Что это такое, что его вызывает, и почему он не всегда идет в одном направлении? Когда вы слышите слово «течет», о чем вы думаете? Возможно, это будет река. Это хорошая ассоциация, потому что именно по этой причине электрический ток получил свое название. Он очень похож на поток воды, только вместо молекул воды, движущихся по руслу, заряженные частицы движутся по проводнику.

Среди условий, необходимых для существования электрического тока, есть пункт, предусматривающий наличие электронов. Атомы в проводящем материале имеют много этих свободных заряженных частиц, которые плавают вокруг и между атомами. Их движение является случайным, поэтому поток в каком-либо заданном направлении отсутствует. Что же нужно, чтобы существовал электрический ток?

Условия существования электрического тока включают в себя наличие напряжения. Когда оно применяется к проводнику, все свободные электроны будут двигаться в одном направлении, создавая ток.

Любопытно об электрическом токе

Интересно то, что когда электрическая энергия передается через проводник со скоростью света, сами электроны движутся намного медленнее. На самом деле, если бы вы не спеша прошли рядом с токопроводящей проволокой, ваша скорость была бы в 100 раз быстрее, чем двигаются электроны. Это обусловлено тем, что им не нужно преодолевать огромные расстояния, чтобы передавать энергию друг другу.

Прямой и переменный ток

Сегодня широко используются два разных типа тока - постоянный и переменный. В первом электроны движутся в одном направлении, с «отрицательной» стороны на «положительную». Переменный ток толкает электроны назад и вперед, изменяя направление потока несколько раз в секунду.

Генераторы, используемые на электростанциях для производства электроэнергии, предназначены для производства переменного тока. Вы, наверное, никогда не обращали внимание на то, что свет в вашем доме на самом деле мерцает, поскольку текущее направление меняется, но это происходит слишком быстро, чтобы глаза смогли это распознать.

Каковы условия существования постоянного электрического тока? Зачем нам нужны оба типа и какой из них лучше? Это хорошие вопросы. Тот факт, что мы все еще используем оба типа тока, говорит о том, что они оба служат определенным целям. Еще в XIX веке было понятно, что эффективная передача мощности на большие расстояния между электростанцией и домом была возможна лишь при очень высоком напряжении. Но проблема заключалась в том, что отправка действительно высокого напряжения была чрезвычайно опасной для людей.

Решение этой проблемы состояло в том, чтобы уменьшить напряжение вне дома, прежде чем отправлять его внутрь. И по сей день постоянный электрический ток используется для передачи на большие расстояния, в основном из-за его способности легко преобразовываться в другие напряжения.

Как работает электрический ток

Условия существования электрического тока включают в себя наличие заряженных частиц, проводника и напряжения. Многие ученые изучали электричество и обнаружили, что существует два его типа: статическое и текущее.

Именно второе играет огромную роль в повседневной жизни любого человека, так как представляет собой электрический ток, который проходит через цепь. Мы ежедневно используем его для питания наших домов и многого другого.

Что такое электрический ток?

Когда в цепи циркулируют электрические заряды из одного места в другое, возникает электрический ток. Условия существования электрического тока включают в себя, помимо заряженных частиц, наличие проводника. Чаще всего это провод. Схема его представляет собой замкнутый контур, в котором ток проходит от источника питания. Когда же цепь разомкнута, он не может закончить путь. Например, когда свет в вашей комнате выключен, цепь разомкнута, но когда цепь замкнута, свет горит.

Мощность тока

На условия существования электрического тока в проводнике большое влияние оказывает такая характеристика напряжения, как мощность. Это показатель того, сколько энергии используется в течение определенного периода времени.

Существует много разных единиц, которые могут использоваться для выражения данной характеристики. Однако электрическая мощность почти измеряется в ваттах. Один ватт равен одному джоулю в секунду.

Электрический заряд в движении

Каковы условия существования электрического тока? Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как молния или искра от трения с шерстяной тканью. Однако чаще, когда мы говорим об электрическом токе, мы имеем в виду более контролируемую форму электричества, благодаря которой горит свет и работают приборы. Большая часть электрического заряда переносится отрицательными электронами и положительными протонами внутри атома. Однако вторые в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому работа по переносу заряда из одного места в другое проделывается электронами.

Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени свободны для перехода от одного атома к другому вдоль их зон проводимости, которые являются высшими электронными орбитами. Достаточная электродвижущая сила или напряжение создает дисбаланс заряда, который может вызвать движение электронов через проводник в виде электрического тока.

Если провести аналогию с водой, то возьмем, к примеру, трубу. Когда мы открываем клапан на одном конце, чтобы вода попала в трубу, то нам не нужно ждать, пока эта вода проложит весь путь до ее конца. Мы получаем воду на другом конце почти мгновенно, потому что входящая вода толкает воду, которая уже находится в трубе. Это то, что происходит в случае электрического тока в проводе.

Электрический ток: условия существования электрического тока

Электрический ток обычно рассматривается как поток электронов. Когда два конца батареи соединены друг с другом с помощью металлической проволоки, эта заряженная масса через провод попадает из одного конца (электрода или полюса) батареи на противоположный. Итак, назовем условия существования электрического тока:

1. Заряженные частицы.
2. Проводник.
3. Источник напряжения.

Однако не все так просто. Какие условия необходимы для существования электрического тока? На этот вопрос можно ответить более подробно, рассмотрев следующие характеристики:

• Разность потенциалов (напряжение). Это одно из обязательных условий. Между 2 точками должна быть разница потенциалов, означающая, что отталкивающая сила, которая создается заряженными частицами в одном месте, должна быть больше, чем их сила в другой точке. Источники напряжения, как правило, не встречаются в природе, и электроны распределяются в окружающей среде достаточно равномерно. Все же ученым удалось изобрести определенные типы приборов, где эти заряженные частицы могут накапливаться, тем самым создавая то самое необходимое напряжение (например, в батарейках).
• Электрическое сопротивление (проводник). Это второе важное условие, которое необходимо для существования электротока. Это путь, по которому перемещаются заряженные частицы. В качестве проводников выступают только те материалы, которые дают возможность электронам свободно перемещаться. Те же, у которых этой способности нет, называются изоляторами. Например, проволока из металла будет отличным проводником, в то время как ее резиновая оболочка будет превосходным изолятором.

Тщательно изучив условия возникновения и существования электрического тока, люди смогли приручить эту мощную и опасную стихию и направить ее на благо человечества.

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 .