Электрический ток: что это такое и как он возникает

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.

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.

«Постоянный электрический ток. Действие электрического тока»

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток, необходимы два условия: 1) наличие свободных заряженных частиц, 2) электрическое поле, которое создаёт их направленное движение. Проходя по цепи, происходит действие электрического тока (тепловое, магнитное, химическое).

При существовании тока в разных средах: в металлах, жидкостях, газах — электрический заряд переносится разными частицами. В металлах этими частицами являются электроны, в жидкостях заряд переносится ионами, в газах — электронами, положительными и отрицательными ионами.

Дистиллированная вода не проводит электрический ток, поскольку она не содержит свободных зарядов. Если в воду добавить поваренную соль или медный купорос, то в ней появятся свободные заряды, и она станет проводником электрического тока.

Газы в обычных условиях тоже не проводят электрический ток, так как в них нет свободных зарядов. Однако если в воздушный промежуток между двумя металлическими пластинами, соединёнными с источником тока, внести зажжённую спичку или спиртовку, то газ станет проводником и гальванометр зафиксирует протекание тока по цепи.

Постоянный электрический ток

Постоянный электрический ток — это электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока (англ. direct current), т.е. тока, не изменяющий своего направления. Часто можно встретить сокращения DC от первых букв англ. слов, или символом по ГОСТ 2.721-74.

На рисунке красным цветом изображён график постоянного тока. По горизонтальной оси отложен масштаб времени t, а по вертикальной — масштаб тока I или электрического напряжения U. Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси времени).

При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов). Постоянный электрический ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Источник тока

Направленное движение зарядов обеспечивается электрическим полем. Электрическое поле в проводниках создаётся и поддерживается источником тока. В источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника образуется электрическое поле, под действием которого заряженные частицы начинают двигаться упорядоченно.

В источнике тока совершается работа при разделении заряженных частиц. При этом различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. В электрофорной машине в электрическую энергию превращается механическая энергия, в гальваническом элементе — химическая.

Действие электрического тока

Электрический ток, проходя по цепи, производит различные действия. Тепловое действие электрического тока заключается в том, что при его прохождении по проводнику в нём выделяется некоторое количество теплоты. Пример применения теплового действия тока — электронагревательные элементы чайников, электроплит, утюгов и пр. В ряде случаев температура проводника нагревается настолько сильно, что можно наблюдать его свечение. Это происходит в электрических лампочках накаливания.

Магнитное действие электрического тока проявляется в том, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое, действуя на магнитную стрелку, расположенную рядом с проводником, заставляет её поворачиваться. Благодаря магнитному действию тока можно превратить железный гвоздь в электромагнит, намотав на него провод, соединённый с источником тока. При пропускании по проводу электрического тока гвоздь будет притягивать железные предметы.

Химическое действие электрического тока проявляется в том, что при его прохождении в жидкости на электроде выделяется вещество. Если в стакан с раствором медного купороса поместить угольные электроды и присоединить их к источнику тока, то, вынув через некоторое время эти электроды из раствора, можно обнаружить на электроде, присоединённом к отрицательному полюсу источника (на катоде), слой чистой меди.

Некоторые источники утверждают, что существует также механическое действие (например, рамка, по которой течет ток, поворачивается, если её поместить между полюсами магнитов) и световое (светодиоды).

Конспект по по физике в 8 классе: «Постоянный электрический ток. Действие электрического тока».

Следующая тема: «Сила тока. Напряжение»

Внедрение

План ГОЭЛРО рассчитывали осуществить за 10-15 лет. Он предусматривал строительство десяти гидроэлектростанций (ГЭС) и двадцати тепловых электростанций (ТЭС). Общая мощность всех должна была составить 1,75 млн кВт. В их числе намечали построить такие тепловые электростанции, как Горьковская, Челябинская, Штеровская, Шатурская и Каширская, а также гидроэлектростанции — Волховскую, Днепровскую, Нижегородскую и др. Тогда же возник и лозунг: «Коммунизм – это советская власть плюс электрификация всей страны».

Этот проект предусматривал не только строительство электростанций, но и проведение экономического районирования, в ходе которого была обозначена транспортно-энергетическая основа территории нового государства. План должен был охватить восемь основных районов: Южный, Северный, Западно-Сибирский, Приволжский, Центрально-промышленный, Уральский, Туркестанский и Кавказский. Кроме того, параллельно производилось и формирование транспортной системы. Велось интенсивное строительство Волго-Донского канала, магистрализация старых, а также прокладывание новых ж/д линий.

Считается, что план ГОЭЛРО стал основой для индустриализации советской России. По ключевым пунктам он был перевыполнен уже к 1931 году. Планировалось, что количество электроэнергии увеличится в 4,5 раза, однако если сравнивать с 1913 годом, то она возросла почти что в 7 раз.

Из чего состоит ток (свойства)?

Движение заряженных частиц по цепи обуславливает проявление следующих электрических свойств:

Тепловых. При движении заряженных частиц по проводнику (полупроводнику), его температура повышается. Данное явление лежит в основе работы нагревательных приборов (плиты, обогреватели, чайники и др.). Количество образовавшейся тепловой энергии зависит от напряжения на данном участке цепи, времени протекания самого тока и подчиняется закону Джоуля-Ленца.
Химических. Электролиты, имеющие в своем составе положительные ионы, проходят через процесс электролиза. Он представляет собой процесс окислительно-восстановительного характера, происходящего на электродах в процессе движения заряженных частиц сквозь раствор или расплав. К положительно заряженному аноду, в результате электролиза, присоединяются анионы с отрицательным зарядом, к отрицательному катоду притягивается положительный катион. Таким образом, вещества, которые присутствуют в электролите после электролиза выделяются на электродах источника электричества.

Электролиз

Магнитных. При прохождении заряда сквозь проводник, вокруг него возникает пространство магнитного характера. Проводник характеризуется магнитными свойствами. Если вблизи от него находится, например, стрелка компаса, она примет положение перпендикулярное проводящему предмету. Первым ученым, наблюдавшим магнитные свойства, стал Эрстед в 1820 году, а цифровые закономерности этого процесса установил Ампер.

Магнитное поле проводника

Световых. Ярким примером проявления подобных свойств является лампа накаливания. Ее нагревательный элемент в виде спирали, в результате прохождения по ней тока, нагревается и начинает светиться белым светом. На долю световой энергии приходится 5% от общего количества электроэнергии, остальная превращается в тепло.
Механических. Любой проводник, после прохождения по нему заряженных частиц, отмечается наличием вокруг себя магнитного поля. Магнитные действия преобразовываются в движения. Явление нашло применение в реле, электродвигателях, магнитных подъемниках и других устройствах. Механические свойства объясняются законом Ампера, который был сформулирован еще в 1820 году.

Важно! Исходя из выше изложенной информации, можно сделать вывод, что ток может обеспечивать различного рода воздействия, которые проявляют себя как по отдельности, так и в комбинациях

Типы проводников

Процессы образования электротока в разных средах отличаются определенными особенностями:

В металлах заряд перемещается свободными отрицательными частицами — электронами. Само вещество не переносится — ионы металла останутся в узлах кристаллической решетки. В процессе нагрева хаотичные колебания ионов усилятся, что препятствует упорядоченному передвижению электронов.
В жидкостях заряд перемещают ионы, формирование которых вызывает электролитическая диссоциация. Упорядоченное передвижение в такой ситуации является их перемещением к противоположно заряженным электродам, где они будут нейтрализованы и осядут.
В газах под воздействием разницы потенциалов формируется плазма. Заряженные частицы — ионы, положительные и отрицательные, и свободные электроны, которые формируются под действием ионизатора.
В вакууме электроток присутствует как электроны, движущиеся от катода к аноду.
В полупроводниках будут участвовать электроны, которые перемещаются от 1 атома к 2, и формируются вакантные участки — дырки, считающиеся плюсовыми.

При невысокой температуре полупроводники приблизятся по качествам к изоляторам. В процессе повышения температурных показателей валентные электроны получат необходимую, чтобы разорвать связи, энергию и станут свободными. С увеличением температуры улучшается проводимость полупроводника.

Важно! Положительно заряженные ионы направляются к отрицательному электроду, отрицательные ионы — к плюсовому. Во время увеличения температурных показателей проводимость электролита возрастет, поскольку увеличивается количество разложившихся на ионы молекул

Проводники тока

Где применяется электрический ток

Сегодня нет ни одной области, где бы не применялся эл. ток в различных его проявлениях. В основном, широко используется именно переменный ток: электроснабжение, железнодорожное сообщение, освещение, различное сетевое оборудование и др. Постоянный ток применяют в электролизе, сварочных работах, бортовых системах автомобилей, медицине.

Ученые на протяжение нескольких столетий пытались найти ответ на вопрос, почему и как возникает электрический ток. Сегодня жизнь современного общества невозможно представить без него. Залогом успешного применения электричества станет соблюдение основных правил безопасности, связанных с его использованием, так как электричество вместе с пользой, способно нанести вред человеку и его здоровью.

Электрический ток

Как я уже сказал, этих пастухов с овцами в веществах миллиарды. Следовательно, овец, которые находятся очень далеко от пастуха, еще больше. И вот эти самые овцы гуляют подальше от пастухов и в любой момент могут дать дёру.

Теперь представьте такую ситуацию. Где-то недалеко от этих пастухов находится большое колхозное поле со свежей капустой. И как только свободные овцы это дело просекли (“а почему бы нам не сБЕ-БЕ-БЕжать и полакомиться капустой?”), сразу же всей толпой двинулись “покорять” это поле!

В результате возник поток овец, которые движутся в одну сторону.

Все те же самые процессы происходят и в металле. Как только все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении, возникнет электрический ток:

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

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

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

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

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

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

Что такое мощность и плотность тока?

Ну вот, мы выяснили, что такое ток постоянный, а что такое переменный. Но у вас наверняка осталось еще масса вопросов. Их-то мы и постараемся рассмотреть в этом разделе нашей статьи.

Из этого видео Вы подробнее сможете узнать о том, что же такое мощность.

И первым из этих вопросов будет: что такое напряжение электрического тока? Напряжением называется разность потенциалов между двумя точками.

Что является электрическим напряжением

Сразу возникает вопрос, а что такое потенциал? Сейчас меня вновь будут хаять профессионалы, но скажем так: это избыток заряженных частиц. То есть, имеется одна точка, в которой избыток заряженных частиц — и есть вторая точка, где этих заряженных частиц или больше, или меньше. Вот эта разница и называется напряжением. Измеряется она в вольтах (В).

Напряжение в розетке

В качестве примера возьмем обычную розетку. Все вы наверняка знаете, что ее напряжение составляет 220В. В розетке у нас имеется два провода, и напряжение в 220В обозначает, что потенциал одного провода больше чем потенциал второго провода как раз на эти 220В.
Понимание понятия напряжения нам необходимо для того, чтоб понять, что такое мощность электрического тока. Хотя с профессиональной точки зрения, это высказывание не совсем верное. Электрический ток не обладает мощностью, но является ее производной.

Плотность электрического тока в проводнике

Дабы понять этот момент, давайте вновь вернемся к нашей аналогии с водяной трубой. Как вы помните сечение этой трубы — это напряжение, а скорость потока в трубе — это ток. Так вот: мощность — это то количество воды, которое протекает через эту трубу.
Логично предположить, что при равных сечениях, то есть напряжениях — чем сильнее поток, то есть электрический ток, тем больший поток воды переместиться через трубу. Соответственно, тем большая мощность передастся потребителю.
Но если в аналогии с водой мы через трубу определенного сечения можем передать строго определенное количество воды, так как вода не сжимается, то с электрическим током все не так. Через любой проводник мы теоретически можем передать любой ток. Но практически, проводник небольшого сечения при высокой плотности тока просто перегорит.

Формула плотности тока

В связи с этим, нам необходимо разобраться с тем, что такое плотность тока. Грубо говоря — это то количество электронов, которое перемещается через определенное сечение проводника за единицу времени.
Это число должно быть оптимальным. Ведь если мы возьмем проводник большого сечения, и будем передавать через него небольшой ток, то цена такой электроустановки будет велика. В то же время, если мы возьмем проводник небольшого сечения, то из-за высокой плотности тока он будет перегреваться и быстро перегорит.
В связи с этим, в ПУЭ есть соответствующий раздел, который позволяет выбрать проводники исходя из экономической плотности тока.

Таблица выбора проводников по экономической плотности тока

Но вернемся к понятию, что такое мощность тока? Как мы поняли по нашей аналогии, при одинаковом сечении трубы передаваемая мощность зависит только от силы тока. Но если сечение нашей трубы увеличить, то есть увеличить напряжение, в этом случае, при одинаковых значениях скорости потока, будут передаваться совершенно разные объемы воды. То же самое и в электрике.

Передача мощностей через лини разных напряжений и видов электрического тока

Чем выше напряжение, тем меньший ток необходим для передачи одинаковой мощности. Именно поэтому, для передачи на большие расстояния больших мощностей используют высоковольтные линии электропередач.

Ведь линия сечением провода в 120 мм2 на напряжение в 330кВ, способна передать в разы большую мощность в сравнении с линией такого же сечения, но напряжением в 35кВ. Хотя то, что называется силой тока, в них будет одинаковой.

Битва титанов

Пальма первенства в бытовом применении электричества принадлежит американскому изобретателю Томасу Эдисону. О том, кому принадлежат авторские права на лампу накаливания с угольными стержнями можно спорить, но вот идея использовать электричество повсеместно – как раз его. Как и знаменитый резьбовой цоколь типоразмера Е, который мы до сих пор применяем.

Во второй половине XIX века человечеству было известно только об одном типе электрического тока – постоянном. Поэтому основанная Эдисоном компания Edison Machine Works производила электрические машины – генераторы и двигатели – постоянного тока, на нем же работали и дуговые лампы, используемые для освещения.

Опытным путем было определено, что этот прибор лучше всего работает при напряжении 45 вольт, а для устойчивого горения дуги в схему требуется включить еще и балластное напряжение, гасящее пусковой ток и рассеивающее еще 20 вольт. Итого, в питающей сети должно было быть 65 вольт, но одной лампы было совершенно недостаточно для эффективного освещения. Поэтому последовательно с ней включалась еще одна. Итого в линии должно оказаться (45х2+20) 110 вольт.

Однако постоянный ток имеет свойство сильно затухать на больших расстояниях от генератора. Для расширения количества абонентов электростанции номинал генерируемого напряжения увеличили до 220 вольт и создали трехпроводную воздушную линию, состоящую из двух фазных и одного нейтрального проводника.

В 1884 году в компанию Edison Machine Works был принят мало кому на тот момент известный изобретатель Никола Тесла, эмигрант из Европы. Вот он считал, что именно переменный ток сулит большие выгоды в деле распространения электричества, чем постоянный.

Дело в том, что его генерация была связана с меньшими трудностями, а главное в том, что он поддавался трансформации (увеличению и уменьшению силы) путем использования довольно нехитрого изобретения, состоящего из двух катушек индуктивности на одном металлическом сердечнике. Тесла с Эдисоном не сошлись, что называется, характерами. В частности потому, что неизвестный никому инженер сумел значительно улучшить характеристики машин постоянного тока и предложить свои 24 варианта.

Уволенный из компании Эдисона Тесла еще три года бедствовал и жил чуть ли не на улице. До тех пор, пока благодаря меценатам (инженер Браун) не основал в 1888 году свою бизнес-структуру Tesla Electric Company, занявшуюся тем же, что и его первый работодатель, но на основе переменного тока.

И оказался более успешным, поскольку изменяющий направление движения поток электронов оказался более дешевым в производстве и легким в управлении. Благодаря ему Никола Тесла воплотил в жизнь идею-фикс Томаса Эдисона о том, что электрическая лампочка должна быть в каждом доме и стоить не дороже 2,5 цента.

Проложенные Эдисоном линии электропередач можно было не менять, поскольку генераторы переменного тока были трехфазными. А для того чтобы номинал межфазного напряжения остался теми же 220 вольтами, в каждой из них было 127 вольт – 220, поделенное на √3. Для справки: в центральных районах Нью-Йорка, в зданиях начала XX века, до сих пор работают лифты, приводимые в действие электродвигателями Эдисона, питающиеся от постоянного тока напряжением 110 вольт.

Электробезопасность

Основная статья: Электробезопасность

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

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

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

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

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

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