Электрический ток ⭐️: что это такое, определение, действие в различных средах, единицы измерения, формула

Электрический ток имеет такие характеристики, как сила, плотность, мощность и частота.

Виды электрического тока и его характеристики

Электрический ток используется во многих современных технологиях. Чтобы понять, что это такое, можно представить себе ток воды, текущий по трубам с определенной скоростью. В этом случае вода получает электрический заряд, скорость – силу заряда, а труба является проводником – средой, веществом или материалом, способным проводить электричество.

Простейшим проявлением электрического тока является:

  • способность янтаря притягивать мелкие предметы при натирании шелком;
  • блестящая шерсть кошки, когда ее расчесывают гребнем.

Эти единицы измерения Международной системы (СИ) не всегда удобны. На практике используются производные (миллиампер, килоом и т.д.). При расчете необходимо учитывать размеры всех величин, присутствующих в формуле. Например, если в законе Ома умножить ампер на килоом, то напряжение будет выражено совсем не в вольтах.

Классификация

Если в макроскопическом теле относительно среды движутся заряженные частицы, то такой ток называется током электропроводности. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называется конвекционным. Различают переменный ток (AC), постоянный ток (DC), пульсирующий ток и различные их комбинации. Слово “электрический” в этих терминах часто опускается. Постоянный ток – это ток, направление и величина которого мало изменяются с течением времени.

Переменный ток – это ток, величина и направление которого изменяются с течением времени. В широком смысле переменный ток – это любой ток, который не является постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоиде.

Ток течет по проводам высоковольтной линии, ток включает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы – это тоже электрический ток.

Электрические разряды

В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется относительно потенциала другого конца проводника попеременно от положительного к отрицательному и наоборот, проходя через все промежуточные потенциалы (включая нулевой).

В результате ток постоянно меняет направление: двигаясь в одном направлении, он увеличивается, достигая максимума, называемого амплитудным значением, затем уменьшается, некоторое время проходит через ноль, затем снова увеличивается, но уже в другом направлении и также достигает максимума, уменьшается, затем снова проходит через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Электрический ток и единицы его измерения

Квазистационарный ток

Это “относительно медленно меняющийся переменный ток, для которого мгновенные значения законов постоянного тока выполняются с разумной точностью”. (BSE). Этими законами являются закон Ома, принципы Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, как и постоянный ток, имеет одинаковый ток во всех сечениях неразветвленной цепи. При расчете квазистационарных токовых цепей емкости и индуктивности рассматриваются как сосредоточенные параметры из-за присутствующей индукции. Квазистационарные токи – это обычные промышленные токи, за исключением линий передачи на большие расстояния, где условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

Что такое электрический ток, его виды и условия

Пульсирующий ток

Ток, для которого изменяется только величина, а направление остается постоянным.

Вихревые токи (токи Фуко)

Ограниченные электрические токи в твердом проводнике, которые возникают при изменении магнитного потока, пронизывающего его”, и, следовательно, вихревые токи – это индукционные токи. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определенным путям в проводниках, а образуют вихревые петли в проводнике.

Вихревой ток

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, т.е. переменный электрический ток и магнитный поток распределяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев проводников вихревыми токами приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока.

Для уменьшения потерь энергии вихревых токов сердечники переменного тока разделяют на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры путей этих токов и значительно уменьшает их размеры.

Что такое электрический ток, его виды и условия

Объемная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.

Ток биаса

Иногда для простоты вводится термин ток смещения. Из определения следует, что плотность тока смещения u2002 – векторная величина, равная скорости изменения электрического поля vec<E><meta itemprop= – векторная величина, равная скорости изменения электрического поля ” width=”” height=””> со временем:

I_D

Дело в том, что при изменении электрического поля изменяется ток, и возникает магнитное поле, что делает эти два процесса похожими. Более того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, когда конденсатор заряжается и разряжается, хотя между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, через него протекает ток смещения, несущий определенную энергию и замыкающий электрическую цепь своеобразным образом. Ток смещения в конденсаторе задается формулой

I_D = frac<<<<rm d>Q><<rm d>t> = -Cfrac<<<<rm d>U><<rm d>t>” width=”” height=””>,</p><p>где <img decoding= – разность потенциалов между электродами, C – разность потенциалов между электродами, – емкость конденсатора.

Ток смещения не является электрическим током, потому что он не связан с перемещением электрического заряда.

Проводники электрического тока

Электрический ток

Электрический токЭлектрический ток – это направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля. Этими частицами могут быть электроны в проводниках, ионы (катионы и анионы) в электролитах, а также электроны и так называемые “дырки”. (“электронно-дырочная проводимость”) в полупроводниках. Существует также “ток смещения”, протекание которого вызвано процессом зарядки емкости, т.е. изменением разности потенциалов между клеммами. Движения частиц между катушками не происходит, но через конденсатор течет ток.

В теории электрических цепей ток рассматривается как направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.

Ток проводимости (просто ток) в теории электрических цепей – это количество электрической энергии, протекающей в единицу времени через поперечное сечение проводника: i=q/ t , где i – сила тока. A; q = 1,6 – 10 9 – заряд электрона, Кл; t – время, с.

Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. В цепях переменного тока используется так называемое мгновенное значение тока, которое равно скорости изменения заряда во времени: i(t)= dq/ dt .

Ток течет в замкнутой цепи

Первым условием длительного существования рассматриваемого электрического тока является наличие источника, или генератора, который поддерживает разность потенциалов между носителями заряда. Вторым условием является замкнутость пути. В частности, чтобы существовал постоянный ток, должен существовать замкнутый путь, по которому заряды могут перемещаться в цепи без изменения их величины.

Известно, что согласно закону сохранения электрических зарядов, они не могут ни возникать, ни исчезать. Поэтому, если любой объем пространства, в котором течет электрический ток, окружен замкнутой поверхностью, то ток, входящий в этот объем, должен быть равен току, вытекающему из него.

Замкнутый путь, по которому течет электрический ток, называется цепью электрического тока или электрической цепью. Электрическая цепь – делится на две части: внутреннюю, в которой электрически заряженные частицы движутся в направлении, противоположном направлению электростатических сил, и внешнюю, в которой эти частицы движутся в направлении электростатических сил. Концы электродов, к которым подключается внешняя цепь, называются зажимами.

Электрический ток возникает, когда электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника, появляется в части электрической цепи. Разность потенциалов между двумя точками в электрической цепи называется напряжением или падением напряжения в этой части цепи.

Электрический ток и напряжение

Амперметр постоянного тока

Один ампер соответствует протеканию одного кулона (Cl) электрического тока через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с):

В общем случае, обозначая ток через i, а заряд через q, получаем:

Единицей измерения тока является ампер (A).

Ампер (A) – это сила неизменного тока, который, протекая по двум параллельным прямым проводникам бесконечной длины и пренебрежимо малого сечения, помещенным в вакуум на расстоянии 1 м друг от друга, производит 2 – 10 -7 Н на каждый метр длины между проводниками.

Сила тока в проводнике равна 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 с протекает электрический заряд, равный 1 кулону.

Направленное движение электронов в проводнике

Рис. 1 Направленное движение электронов в проводнике

Если к проводнику приложено напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля E на электроны с зарядом e действует сила f = E. Значения f и E являются векторными. Во время свободного перемещения электроны совершают направленное и хаотичное движение. Каждый электрон имеет отрицательный заряд и приобретает компонент скорости, направленный в сторону, противоположную вектору E (рис. 1). Это упорядоченное движение, характеризующееся определенной средней скоростью электронов vcp, определяет течение электрического тока.

В разбавленных газах электроны также могут иметь направленное движение. В электролитах и ионизированных газах ток протекает в основном за счет движения ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически предполагалось, что направление тока противоположно направлению движения электронов.

За направление тока принимается направление, в котором движутся положительно заряженные частицы, т.е. направление, противоположное направлению движения электронов.
В теории электрических цепей направление тока в пассивной цепи (за исключением источников энергии) принимается как направление движения положительно заряженных частиц от более высокого потенциала к более низкому. Это направление было принято в самом начале развития электротехники и противоречит истинному направлению движения носителей заряда – электронов, движущихся в проводниках от минуса к плюсу.

Направленный ток в электролите и свободные электроны в проводнике

Направление электрического тока в электролите и свободных электронов в проводнике

Величина, равная отношению силы тока к площади поперечного сечения S, называется плотностью тока: I / S

Предполагается, что ток равномерно распределен по поперечному сечению проводника. Плотность тока в проводниках обычно измеряется в А/мм2.

В зависимости от типа носителя заряда и его транспортной среды различают токи проводимости и реактивные токи. Проводимость подразделяется на электронную и ионную проводимость. При установившемся режиме различают два вида токов: постоянные и переменные.

Передача электрического тока – это явление, связанное с переносом электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом протекания электрического тока является движение в пустом пространстве заряженных элементарных частиц (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в разрядных устройствах.

Электрический ток (ток поляризации) – это упорядоченное движение связанных носителей электрического заряда. Этот тип тока можно наблюдать в диэлектриках.

Полный электрический ток – это скалярная величина, равная сумме тока проводимости, тока передачи и тока смещения через данную поверхность.

Постоянный ток – это ток, который может менять свою величину, но не меняет своего знака в течение любого промежутка времени. Подробнее об этой теме вы можете прочитать здесь: Постоянный ток

Ток намагничивания – Постоянный микроскопический (амперный) ток, который является причиной существования внутреннего магнитного поля намагниченных веществ.

Переменный ток – это ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Переменный ток характеризуется частотой (измеряется в Герцах в системе СИ), а его сила периодически изменяется.

Высокочастотный переменный ток нагнетается на поверхность проводника. Высокочастотные токи используются в машиностроении для термообработки поверхностей деталей и сварки, а в металлургии – для плавки металлов. Переменные токи делятся на синусоидальные и несинусоидальные. Синусоидальный ток – это ток, который изменяется по гармоническому закону:

Скорость изменения переменного тока определяется его частотой, которая определяется как число полных, повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). Например, частота сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям в секунду. Угловая частота w – это скорость изменения тока в радианах в секунду и связана с частотой простым соотношением:

Стационарные (постоянные) значения постоянного и переменного токов обозначаются заглавной буквой I, переходные (мгновенные) – буквой i. Положительным направлением тока считается направление положительных зарядов.

Измерение переменного тока с помощью клещей

Переменный ток – это ток, который изменяется по закону синусоиды во времени.

Переменный ток также относится к току в обычных однофазных и трехфазных сетях. В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону.

Поскольку переменный ток изменяется во времени, простые решения, подходящие для цепей постоянного тока, здесь не применимы напрямую. На очень высоких частотах заряды могут двигаться колебательно – перетекать из одного места цепи в другое и обратно. В этом случае, в отличие от цепей постоянного тока, токи в последовательно соединенных проводниках могут быть неравными.

Конденсаты, присутствующие в цепях переменного тока, усиливают этот эффект. Кроме того, на изменение тока влияют эффекты самоиндукции, которые становятся значительными даже на низких частотах, если используются катушки с высокой индуктивностью.

При относительно низких частотах цепи переменного тока все еще могут быть рассчитаны с использованием правил Кирхгофа, которые, однако, должны быть соответствующим образом изменены.

Цепь, состоящую из различных резисторов, индукторов и конденсаторов, можно рассматривать так, как если бы она состояла из обобщенных резистора, конденсатора и индуктора, соединенных последовательно.

Рассмотрим свойства такой цепи, подключенной к синусоидальному генератору переменного тока. Чтобы сформулировать правила расчета цепей переменного тока, необходимо найти зависимость между падением напряжения и падением тока для каждого из элементов такой цепи.

Переменный ток

Конденсатор играет совершенно разные роли в цепях переменного и постоянного тока. Если, например, к цепи подключен электрохимический элемент, конденсатор начнет заряжаться до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не сравняется с ЭДС элемента. Затем зарядка прекратится, и ток упадет до нуля.

Если цепь подключена к генератору переменного тока, то в один полупериод электроны будут вылетать с левой обкладки конденсатора и накапливаться на правой, а в другой полупериод – наоборот.

Эти движущиеся электроны создают переменный ток, сила которого одинакова с обеих сторон конденсатора. Пока частота переменного тока не очень высока, ток через резистор и индуктор также одинаков.

В бытовых приборах переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.

Проводники электрического тока

Электрический ток во всех его проявлениях – это кинетическое явление, подобное потоку жидкости в закрытых гидравлических системах. По аналогии, процесс движения тока называется “ток”. (текущие потоки).

Материал, в котором течет ток, называется проводником. Некоторые материалы переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах. В этом состоянии они практически не оказывают сопротивления току, их сопротивление стремится к нулю.

Во всех остальных случаях проводник сопротивляется протеканию тока, в результате чего часть энергии электрических частиц преобразуется в тепло. Ток может быть рассчитан по закону Ома для участка цепи и по закону Ома для всей цепи.

Проводники электрического тока

Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частицы, температуры окружающей среды, приложенной разности потенциалов и намного медленнее скорости света. Тем не менее, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, т.е. скорости распространения электромагнитного волнового фронта.

Как электричество влияет на организм человека

Ток, проходящий через тело человека или животного, может вызвать электрические ожоги, фибрилляцию желудочков или смерть. С другой стороны, электрический ток используется в интенсивной терапии для лечения психических расстройств, особенно депрессии; электростимуляция определенных участков мозга применяется для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия; кардиостимулятор, который стимулирует сердечную мышцу импульсным током, используется при брадикардии. У людей и животных ток используется для передачи нервных импульсов.

В целях безопасности минимальный ток, который может ощущаться человеком, составляет 1 мА. Опасный для жизни ток начинается примерно при 0,01 А. Ток прибл. 0,1 А смертелен для человека. Напряжение менее 42 вольт считается безопасным.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в своих социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Сила тока

Источник тока

Вода в шланге поступает из водопроводной трубы, из водяного ключа в земле – в общем, она не берется из ниоткуда. Электричество также имеет свой источник.

Источником может быть, например, гальванический элемент (знакомая всем нам батарейка). Аккумулятор работает благодаря химическим реакциям, происходящим в нем. В результате этих реакций выделяется энергия, которая затем снова поступает в электрическую цепь.

Каждый источник имеет положительный и отрицательный полюс. Полюса – это его крайние положения. По сути, это клеммы, к которым подключается электрическая цепь. Фактически, ток течет от “+” к “-“.

А через электронагреватель или электрочайник протекает ток до 10 ампер.

Как создать непрерывный ток и что для этого необходимо?

Положительный заряд – это недостаток электронов, а отрицательный заряд – избыток электронов. Когда тела соединены проводником, отрицательные электроны устремляются к положительно заряженному телу.

И наконец, ток прекратился, потому что заряды тел сравнялись и тела стали электрически нейтральными. Мы знаем, что нейтральные тела не создают электрического поля.

Таким образом, ток существует до тех пор, пока существует электрическое поле. Поэтому мы должны каким-то образом поддерживать электрическое поле. Чтобы это произошло, одно из тел должно иметь избыток отрицательного заряда. То есть на одном из тел должен поддерживаться отрицательный заряд, а на другом – положительный. До тех пор, пока заряды на телах сохраняются, будет существовать ток.

Чтобы сохранить этот заряд на теле с положительным зарядом, электроны должны быть удалены из тела и отправлены обратно в отрицательно заряженное тело.

Такая схема напоминает фонтан, в котором насос поддерживает разницу давлений. Давление в нагнетательной трубе больше, чем в трубе, по которой вода поступает обратно в насос.

Именно эта разница заставляет воду течь вверх из одной трубы, а собранную в чаше воду возвращаться в насос. В то же время циркулирует такое же количество воды, т.е. водяной контур замкнут. Поток воды в этом контуре поддерживается специальным устройством – насосом. Он работает против силы тяжести.

Внешние силы – что они собой представляют

Источник тока устроен подобно насосу. Внутри источника действуют внешние силы. Они возвращают электроны к контакту “-“.

В электрическом поле на заряды будет действовать сила. Эта сила называется кулоновской и является электрической по своей природе. Электроны будут притягиваться к телу, имеющему положительный заряд.

Кулоновская сила будет препятствовать возвращению электронов к отрицательному телу. Так же как и сила гравитации, которая не позволяет воде в фонтане двигаться вверх.

Чтобы вернуть электроны на отрицательно (“-“) заряженное тело, необходимо совершить работу против кулоновской силы. Поэтому должна существовать какая-то внешняя сила, которая возвращает электроны к отрицательно (“-“) заряженному телу. Эта сила неэлектрическая по своей природе и называется внешней силой.

Теперь мы можем ответить на вопрос: что такое источник тока?

Источник тока – это устройство, внутри которого внешние силы перемещают заряды против кулоновской силы. Кулоновская сила – это сила, с которой электростатическое поле действует на заряд.

Во время существования электрического тока сами электроны не расходуются. Они, как вода в фонтане, циркулируют по замкнутому пути.

Условие 3: Чтобы ток существовал постоянно, электрическое поле должно сохраняться в течение длительного времени.

Чтобы ток существовал постоянно, между противоположно заряженными телами должно постоянно существовать электрическое поле.

Примечание: Контакты источника тока можно рассматривать как противоположно заряженные тела.

Для этого электроны должны проходить через замкнутый контур, т.е. непрерывную электрическую цепь. Поэтому еще одним условием существования постоянного тока является замкнутая электрическая цепь. Как только цепь замыкается, все заряженные частицы в цепи начинают двигаться направленно.

Условие 4: Чтобы существовал ток, электрическая цепь должна быть замкнута.

В такой цепи заряды циркулируют по замкнутому пути. Это означает, что заряд, покинувший источник и совершивший полный оборот, потечет обратно в источник тока. Там он будет подхвачен силами извне источника и вернется в цепь через противоположный выход источника тока. Затем он пройдет дальше и сделает еще один круг. Поэтому при протекании электрического тока сами заряды не расходуются.

При протекании электрического тока сами заряды не расходуются. То есть в замкнутом контуре движутся одни и те же заряды. После кругового движения они входят в источник и, выходя из противоположного выхода источника, возвращаются в контур.

Мы знаем, что если на заряд действует сила и под действием этой силы заряд движется, то сила совершает работу.

Это означает, что внешние силы в источнике выполняют работу. Подробнее о действии внешних сил (ссылка).

Читайте далее:
Сохранить статью?