Что такое электрический ток?

Электрический ток окружает нас на каждом шагу. Он встречается дома и на работе, в школе и на отдыхе. Все современные движущиеся средства передвижения, так или иначе, связаны с электричеством. Несмотря на обширность использования, электричество не для всех хорошо знакомо. Что оно собой представляет, откуда берется, как действует, и другие вопросы будут рассмотрены ниже.

Что такое электрический ток?

Начнем с первого вопроса: что такое электрический ток? Электроэнергия есть в домашней сети, аккумуляторах. Большой мощностью обладают молнии. Есть электростатическая энергия, биотоки. Но не все это является привычным электрическим током. Рассмотрим его формулировку.

Определение

Чтобы существовал электрический ток, необходимо выполнить ряд условий:

  • нужен проводник;
  • обязательно должен быть источник питания;
  • не обойтись без носителей заряда.

Под проводником подразумевается материал или среда, имеющая в своем составе носитель заряда. Этот проводник должен быть подключен к источнику питания, в котором вырабатывается электродвижущая сила – э. д. с. Под действием этой э. д. с, находящиеся в проводнике заряды начинают упорядочено двигаться.

Другими словами, для возникновения электричества необходима замкнутая система, подпитываемая источником питания. Существование электричества может проявляться нагревом материала, химическим изменением вещества, созданием электромагнитного поля. Последнее является неотъемлемой частью движения зарядов. Какими бывают эти источники?

Источники питания

Их можно разделить на следующие группы:

  • гальванические;
  • аккумуляторы;
  • топливные;
  • фотоэлектрические;
  • термоэлектрические;
  • электромеханические;
  • МГД-генераторы;
  • радиоизотопные.

К гальваническим относят батареи различного напряжения. Аккумуляторы, в отличие от батарей, способны восстанавливать свою емкость. К топливным относят устройства, в которые по мере необходимости добавляют химический элемент. Они работают как аккумулятор и не нуждаются в подзарядке. Высокий КПД до 60–80%.

Фотоэлектрические, или больше известные как солнечные батареи, преобразуют фотоны света в электроэнергию. Термоэлектрические преобразуют разницу температур в энергию. Электромеханические – динамо-машина, сейчас практически не используются, водяные, ветряные, приливные электростанции. Их КПД составляет 35–53%.

МГД-генераторы используют:

  • электролит;
  • жидкий металл;
  • плазму.

Эти вещества, проходя через мощное магнитное поле, разделяют свои ионы на два канала – положительный и отрицательный. Попадая на соответствующие электроды, они входят в цепь, создавая потенциал. Под плазмой подразумевают ионизированный газ. Последнее – радиоизотопные генераторы или атомные электростанции. Благодаря распаду радиоактивных веществ, выделяется тепло, оно нагревает воду до парообразного состояния. Этот пар крутит турбины генераторов.

Характеристики

На заре электротехники было принято считать, что носителями заряда являются положительно заряженные частицы. Поэтому если зарядами являются отрицательно заряженные электроны, то направление тока противоположно направлению зарядов. Скорость движения зарядов небольшая и зависит от нескольких факторов:

  • материала проводника;
  • приложенного напряжения;
  • температуры;
  • массы зарядов.

В металлах эта скорость составляет около десятой доли миллиметра. Но благодаря электромагнитной волне электроэнергия распространяется со скоростью света. Для определения характеристик используют разные составляющие.

Сила и плотность тока

В основном используется понятие сила тока. Определяется количеством заряда, проходящего через поперечное сечение за единицу времени. Допустим, за 1 секунду через сечение прошло 600 000 зарядов, это и определит силу тока. Измеряется в амперах или кулон в секунду. Один кулон равен 6 241 509 074 460 762 607,776 электронов. Плотностью называется количество зарядов, находящихся в разрезе. Если ток не меняется во времени, то плотность остается неизменной и равна силе.

Мощность

Под этим термином понимается работа, производимая электричеством. Измеряется в ваттах. Для сравнения 1 ватт ≈ 1,36 лошадиных сил (л. с.).

Частота

Это понятие относится только к переменному току, в котором происходит изменение направления или силы за период времени. Удобнее всего рассмотреть синусоидальное напряжение. Напряжение начинает подниматься с нуля до максимальной точки в положительном или отрицательном значении, затем снижается до нуля и снова поднимает до максимальной точки, но уже с обратным знаком.

После чего снижается до нуля. На этом заканчивается один период, который называется частотой. Измеряется в герцах за секунду. Один герц – один период. Сколько периодов совершается в секунду, такой частотой обладает напряжение.

Ток смещения

При изменении направления движения зарядов по своей инерции они не сразу меняют свое движение. Так, в катушках ток опаздывает от изменившегося напряжения, а в конденсаторах опережает его. Вводимое понятие не является физической величиной, а лишь помогает производить вычисления.

Классификация тока

Речь уже зашла о том, что ток может быть постоянным и переменным. Постоянным называется не меняющийся во времени по силе и направлению ток. Все остальные относятся к переменному:

  • синусоидальный;
  • пульсирующий;
  • высокочастотный.

Выше мы рассматривали синусоидальное напряжение, при котором происходит изменение направления движения зарядов. Пульсирующий относится к однонаправленному току. Высокочастотные относятся к особой группе, поскольку не поддаются вычислению обычным образом через закон Ома. Причем чем выше частота, тем больше идут расхождения.

Квазистационарный

Произвольно меняющимся называют ток, не являющийся периодическим. Он может меняться, сохраняя один знак полярности либо плавно переходить из одного в другое значение. Такие изменения наступают вследствие влияния внешних факторов, таких как магнитное поле, изменение температуры, поверхности материала, например, из-за дождя. В большинстве случаев на небольших участках удается применить закон Ома.

Пульсирующий

Его потенциал всегда либо выше нуля, либо ниже, но напряжение периодически равномерно меняется. Примером служит выпрямленное переменное напряжение. Синусоида на выходе выпрямителя имеет положительный характер. Для ее вычисления берут среднее значение либо применяют сглаживающие фильтры.

Вихревые

Это паразитные проявления, возникающие в сильном магнитном потоке. Для примера можно взять трансформатор. Магнитный поток сильно нагревает находящиеся в его поле металлические материалы, создавая в проводнике дополнительное сопротивление. Для борьбы используют разборные пластины корпуса трансформатора. Иногда вместо ферромагнетиков используют магнитодиэлектрики. Они значительно ослабляют такое поле, снижая его влияние.

Электроток в различных средах

Как уже говорилось выше, электричество может существовать в различных средах. Его характеристики и проявление будут зависеть от этого обстоятельства, кроме того, в таких средах, как газ и вакуум закон Ома не действует. Это же относится и к полупроводникам. Почему такое происходит, разберем дальше.

В металлах

В металлах передача энергии осуществляется с помощью электронов. Эти материалы на своих внешних орбиталях атомов имеют электроны, которые имеют слабую связь с ядром. Без подключения питания наблюдается множество электронов, беспорядочно перемещающихся в материале. Когда на концах провода появляется потенциал, они устремляются в одном направлении. Напомним, что электроны имеют отрицательный заряд, поэтому они перемещаются в обратном направлении, чем течет ток.

На малых частотах характеристики электроэнергии хорошо поддаются вычислению через закон Ома, вне зависимости от того, какой ток применяется: постоянный или переменный. При увеличении температуры сопротивление проводника увеличивается, после достижения точки плавления сопротивление резко падает, что приводит к еще более быстрому разогреву металла и его испарению.

Тугоплавкие металлы и сплавы, такие как вольфрам и нихром могут длительное время работать при высоких температурах. При этом электромагнитные волны превращаются в инфракрасные, отдающие тепло, или видимые, как в лампе накаливания.

В полупроводниках

Это особые материалы, стоящие между проводниками и диэлектриками или изоляторами. Для них повышение температуры является благоприятным условием, так как их сопротивление уменьшается. Однако чрезмерный разогрев может привести к пробою и вывести их из строя. Есть некоторые полупроводниковые приборы, которые работают в режиме пробоя, например, стабилитрон. Но и в этом случае он ограничен тепловым режимом.

Другой особенностью является передача заряда. Для этого также могут быть использованы электроны или дырки. Дырками называют незаполненные орбитали атомов из-за нехватки электронов. Хотя сами атомы остаются на месте, дырки могут перемещаться путем поочередного заполнения электронами.

В вакууме и газе

Перенос энергии в этих двух средах несколько отличается. В вакууме, где между электродами нет промежуточной среды, для переноса используются электроны. Для этого массивный катод разогревается напрямую током подогрева или косвенно через нить накаливания. Металл катода разогревается и начинает испускать электроны, которые притягиваются анодом.

Для преодоления расстояния приходится применять сравнительно высокое напряжение. В газе электроды выполнены в виде вольфрамовых нитей. Частично энергия переносится испускаемыми электронами, а частично ионами газа, которые могут быть как положительными, так и отрицательными.

В жидкостях

В основном это электролит. Поэтому электроны не участвуют в работе, их заменяют ионы. Под действием химической реакции они перемещаются к электроду и оседают на нем, передавая энергию в цепь. В аккумуляторах возможен обратный процесс, когда под действием приложенного обратно напряжения большинство осевших частиц снова уходят в жидкость.

Проводники электрической энергии

Подведем итог. Электричество могут проводить:

  • металлы;
  • полупроводники;
  • жидкости;
  • газы;
  • вакуум;
  • плазма.

Остановимся на последнем пункте. Под плазмой подразумевается ионизированный газ. Примером может служить электросварка. Возникающий разряд при приближении электрода к металлу вызывает ионизацию воздуха. Это дает возможность отводить электрод на некоторое расстояние.

Применение

Благодаря тому, что электроэнергию можно получить разными способами, упорядочить ее и направить в нужном направлении, она получила широкое распространение. Рассмотрим лишь два направления использования.

Использование электротока как носителя энергии

Вот лишь несколько направлений использования электричества:

  • Производство механической работы с помощью электродвигателей.
  • Получение тепла в электрокотлах, плитах.
  • Используется для производства светильников, причем могут быть использованы как тугоплавкие материалы, так и полупроводники.
  • Радио, телевидение, сотовые телефоны применяют радиоволны.
  • В динамиках используются катушки индуктивности, создающие звуковые волны.
  • Электромагнитами можно загрузить металл, привести в движение транспорт, использовать в научных целях для разгона электронов. Используются в электронно-лучевых пушках.

Использование электрической энергии в медицине

В медицине, кроме созданных приборов и аппаратов, позволяющих исследовать головной мозг, сердце, желудок и скелетные мышцы, само электричество применяется для лечения головного мозга и реанимации человека.

Электробезопасность

Несмотря на пользу, электроэнергия несет в себе и большую опасность. Человек является неплохим проводником. Если тело сухое и не имеет повреждений, оно обладает сопротивлением 3–100 кОм. Поэтому при большом напряжении или длительном воздействии в неблагоприятных условиях, например, сырое помещение электроток может вызвать повреждения:

  • термические;
  • электролитические;
  • биологические;
  • механические.

Из этого делаем вывод: электроэнергия дает много пользы, но пренебрежение элементарными нормами безопасности может привести к травме или даже смерти человека.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 1960)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты