Электрический ток. Сила тока. Сопротивление. Электричество, ток, напряжение, сопротивление и мощность

Когда человек научился создавать и использовать электрический ток, качество его жизни резко возросло. Сейчас значение электроэнергии продолжает увеличиваться с каждым годом. Для того чтобы научиться разбираться в более сложных вопросах, связанных с электричеством, надо сначала понять, что такое электрический ток.

Что представляет собой ток

Определение электрического тока – это представление его в виде направленного потока движущихся носителей-частиц, заряженных положительно или отрицательно. Носителями заряда могут быть:

заряженные со знаком «минус» электроны, движущиеся в металлах;
ионы в жидкостях или газах;
положительно заряженные дырки от перемещающихся электронов в полупроводниках.

Что такое ток, определяется еще наличием электрического поля. Без него направленный поток заряженных частиц не возникнет.

Понятие об электрическом токе было бы неполным без перечисления его проявлений:

Любому электротоку сопутствует магнитное поле;
Проводники нагреваются при его прохождении;
Электролиты изменяют химический состав.

Проводники и полупроводники

Электроток может существовать только в проводящей среде, но природа его протекания различна:

В металлических проводниках присутствуют свободные электроны, которые начинают двигаться под воздействием электрического поля. Когда температура возрастает, повышается и сопротивление проводников, так как от тепла усиливается движение атомов в хаотичном порядке, что создает помехи свободным электронам;
В жидкой среде, образованной электролитами, возникающее электрическое поле вызывает процесс диссоциации – формирования катионов и анионов, которые перемещаются в сторону положительных и отрицательных полюсов (электродов) в зависимости от знака заряда. Нагрев электролита приводит к уменьшению сопротивления из-за более активного разложения молекул;

Важно! Электролит может быть твердым, но природа протекания тока в нем идентична жидким.

Газообразная среда также характеризуется наличием ионов, приходящих в движение. Образуется плазма. От излучения возникают и свободные электроны, участвующие в направленном движении;
При создании электротока в вакууме электроны, высвобождающиеся на отрицательном электроде, движутся к положительному;
В полупроводниках существуют свободные электроны, разрывающие связи от нагревания. На их местах остаются дырки, имеющие заряд со знаком «плюс». Дырки и электроны способны создавать направленное движение.

Нетокопроводящие среды называются диэлектрическими.

Важно! Направление тока соответствует направлению движения частиц-носителей заряда со знаком «плюс».

Род тока

Постоянный. Для него характерны неизменное количественное значение тока и направление;
Переменный. С течением времени периодически меняет свои характеристики. Подразделяется на несколько разновидностей, зависящих от изменяемого параметра. Преимущественно количественное значение тока и его направленность варьируются по синусоиде;
Вихревые токи. Возникают, когда магнитный поток подвергается изменениям. Формируют закрытые контуры, не перемещаясь между полюсами. От вихревых токов вызывается интенсивное тепловыделение, как следствие, возрастают потери. В сердечниках электромагнитных катушек их ограничивают, применяя конструкцию из отдельных изолированных пластин вместо цельной.

Характеристики электроцепи

Сила тока. Это количественное измерение заряда, проходящего во временную единицу по сечению проводников. Заряды измеряются в кулонах (Кл), временная единица – секунда. Сила тока – это Кл/с. Полученное соотношение назвали ампером (А), в чем измеряется количественное значение тока. Измеряющий прибор – амперметр, последовательно подключаемый в цепь электрических соединений;
Мощность. Электроток в проводнике должен преодолеть сопротивление среды. Затраченная работа по его преодолению в течение определенного временного промежутка будет мощностью. При этом происходит превращение электроэнергии в другие виды энергии – совершается работа. Мощность зависит от силы тока, напряжения. Их произведение определит активную мощность. При умножении еще на время получается расход электроэнергии – то, что показывает счетчик. Измеряться мощность может в вольтамперах (ВА, кВА, мВА) или в ваттах (Вт, кВт, мВт);
Напряжение. Одна их трех важнейших характеристик. Для протекания тока необходимо создать разность потенциалов двух точек замкнутой цепи электрических соединений. Напряжение характеризуется работой, производимой электрическим полем при передвижении единичного носителя заряда. Согласно формуле, единицей измерения напряжения является Дж/Кл, что соответствует вольту (В). Измеряющий прибор – вольтметр, подключается параллельно;
Сопротивление. Характеризует способность проводников пропускать электроток. Определяется материалом проводника, длиной и площадью его сечения. Измерение – в омах (Ом).

Законы для электротока

Электрические цепи рассчитывают с помощью трех главных законов:

Закон Ома. Исследовался и был сформулирован ученым-физиком из Германии в начале 19-го века для постоянного тока, затем его применили также для переменного. Он устанавливает соотношение между силой тока, напряжением и сопротивлением. На основе закона Ома рассчитывается практически любая электроцепь. Основная формула: I = U/R, или сила тока находится в прямой пропорциональной зависимости с напряжением и в обратной – с сопротивлением;

Закон Фарадея. Относится к электромагнитной индукции. Появление индуктивных токов в проводниках обуславливается воздействием магнитного потока, меняющегося во времени из-за наведения в закрытом контуре ЭДС (электродвижущей силы). Модуль наведенной ЭДС, измеряемой в вольтах, пропорционален скорости, с которой изменяется магнитный поток. Благодаря закону индукции работают генераторы, вырабатывающие электроэнергию;
Закон Джоуля-Ленца. Имеет важное значение при расчете нагрева проводников, что используется для проектирования и изготовления нагревательных, осветительных приборов, другого электрооборудования. Закон позволяет определить количество теплоты, выделяющееся при прохождении электрического тока:

где I – сила протекающего тока, R – сопротивление, t – время.

Электричество в атмосфере

В атмосфере может существовать электрическое поле, происходят ионизационные процессы. Хотя природа их возникновения до конца не ясна, существуют разные объясняющие гипотезы. Самая популярная – конденсатор, как аналог для представления электричества в атмосфере. Его пластинами можно обозначить земную поверхность и ионосферу, между которыми циркулирует диэлектрик – воздух.

Виды атмосферного электричества:

Грозовые разряды. Молнии с видимым свечением и громовыми раскатами. Напряжение молний достигает сотен миллионов вольт при силе тока 500 000 А;

Огни Святого Эльма. Коронный разряд электричества, образующийся вокруг проводов, мачт;
Шаровая молния. Разряд в форме шара, перемещающийся по воздуху;
Полярное сияние. Многоцветное свечение земной ионосферы под воздействием заряженных частиц, проникающих из космоса.

Человеком используются полезные свойства электрического тока во всех областях жизни:

освещение;
передача сигнала: телефон, радио, телевидение, телеграф;
электротранспорт: поезда, электромобили, трамваи, троллейбусы;
создание комфортного микроклимата: отопление и кондиционирование воздуха;
медицинская техника;
бытовое применение: электроприборы;
компьютеры и мобильные устройства;
промышленность: станки и оборудование;
электролиз: получение алюминия, цинка, магния и других веществ.

Опасность электрического тока

Прямой контакт с электрическим током без средств защиты смертельно опасен для человека. Возможны несколько видов воздействий:

термический ожог;
электролитическое расщепление крови и лимфы с изменением ее состава;
судорожные мышечные сокращения могут спровоцировать фибрилляцию сердца вплоть до полной его остановки, нарушить работу дыхательной системы.

Важно! Ток, ощущаемый человеком, начинается со значения 1 мА, если величина тока 25 мА, возможны серьезные негативные изменения в организме.

Самая главная характеристика электрического тока – он может совершать полезную работу для человека: осветить дом, постирать и высушить одежду, приготовить обед, обогреть жилище. Сейчас значимое место занимает его использование в передаче информации, хотя это не требует большого расхода электроэнергии.

Видео

Электрический ток это заряженные частицы, способные упорядоченно передвигаться в каком-либо проводнике. Это движение происходит под воздействием электрического поля. Возникновение электрических зарядов происходит, практически, постоянно. Особенно ярко это проявляется, когда различные вещества контактируют между собой.

Если возможно полное свободное перемещение зарядов относительно друг друга, то эти вещества являются проводниками. Когда такое передвижение невозможно, данная категория веществ считается изоляторами. К проводникам относятся все металлы с различной степенью проводимости, а также соляные и кислотные растворы. Изоляторами могут быть природные вещества в виде эбонита, янтаря, различных газов и кварцев. Они могут иметь искусственное происхождение, например, ПВХ, полиэтилен и прочие.

Величины электрического тока

Как физическая величина, ток может измеряться по своим основным параметрам. По результатам измерений, определяется возможность использования электричества в той или иной области.

Существует два вида электрического тока - постоянный и переменный. Первый, всегда остается неизменным во времени и направлении, а во втором случае, происходят изменения по этим параметрам за определенный промежуток времени.

Первые открытия, связанные с работой электричества, начались в VII веке до нашей эры. Философ Древней Греции Фалес Милетский выявил, что при трении янтаря о шерсть она впоследствии способна притягивать легковесные предметы. С греческого «электричество» переводится как «янтарность». В 1820 г. Андре-Мари Ампером был установлен закон постоянного тока. В дальнейшем величину силы тока или то, в чём измеряется электрический ток, стали обозначать в амперах.

Значение термина

Понятие электрического тока можно найти в любом учебнике по физике. Электроток - это упорядоченное движение электрозаряженных частиц по направлению. Чтобы понять простому обывателю, что представляет собой электрический ток, следует воспользоваться словарём электрика. В нём термин расшифровывается как движение электронов по проводнику или ионов по электролиту.

В зависимости от движения электронов или ионов внутри проводника различают следующие виды токов:

постоянный;
переменный;
периодический или пульсирующий.

Основные величины измерения

Сила электрического тока - основной показатель, которым пользуются электрики в своей работе. От величины заряда, который протекает по электрической цепочке за установленный промежуток времени, зависит сила действия электрического течения. Чем большее количество электронов перетекло от одного начала источника к концу, тем больше будет перенесённый электронами заряд.

Величина, которая измеряется отношением электрического заряда, протекающего сквозь поперечное сечение частиц в проводнике, ко времени его прохождения. Заряд замеряется в кулонах, время - в секундах, а одна единица силы течения электричества определяется отношением заряда ко времени (кулона к секунде) или в амперах. Определение электрического тока (его силы) происходит путём последовательного включения двух клемм в электроцепь.

При работе электротока движение заряженных частиц совершается с помощью электрического поля и зависит от силы движения электронов. Величина, от которой зависит работа электротока, называется напряжением и определяется отношением работы тока в конкретной части цепи и заряда, проходящего по этой же части. Единица измерения вольт замеряется вольтметром, когда две клеммы прибора подключаются к цепи параллельно.

Величина электрического сопротивления имеет прямую зависимость от типа используемого проводника, его длины и поперечного сечения. Она измеряется в омах.

Мощность определяется отношением работы движения токов ко времени, когда происходила эта работа. Замеряют мощность в ваттах.

Такая физическая величина, как ёмкость, определяется отношением заряда одного проводника к разнице потенциалов между этим же проводником и соседним. Чем меньше напряжение при получении электрозаряда проводниками, тем больше их ёмкость. Измеряют её в фарадах.

Величина работы электричества на определённом промежутке цепочки находится с помощью произведения силы тока, напряжения и временного отрезка, при котором осуществлялась работа. Последняя замеряется в джоулях. Определение работы электротока происходит с помощью счётчика, который соединяет показания всех величин, а именно напряжения, силы и времени.

Техника электробезопасности

Знание правил электробезопасности поможет предупредить аварийную ситуацию и уберечь здоровье и жизнь человека. Так как электричество имеет свойство нагревать проводник, то всегда существует возможность возникновения опасной для здоровья и жизни ситуации. Для обеспечения безопасности в быту необходимо придерживаться следующих простых, но важных правил:

Изоляция сети всегда должна быть исправной, чтобы избежать перегрузок или возможности возникновения коротких замыканий.
Влага не должна попадать на электроприборы, провода, щитки и т. д. Также влажная среда провоцирует появление коротких замыканий.
Обязательно следует делать заземление для всех электроустройств.
Необходимо избегать перегрузки электропроводки, так как существует риск воспламенения проводов.

Техника безопасности при работе с электричеством предполагает использование прорезиненых перчаток, рукавиц, ковриков, разрядных устройств, приборов заземления рабочих участков, выключателей-автоматов или предохранителей с тепловой и токовой защитой.

Опытные электрики при возникновении вероятности поражения электричеством работают одной рукой, а вторая находится в кармане. Таким образом прерывается цепь «рука-рука» в случае непроизвольного прикосновения к щитку или другому заземлённому оборудованию. При воспламенении оборудования, подключённого к сети, ликвидируют огонь исключительно порошковыми или углекислотными тушителями.

Применение электрического тока

У электрического тока множество свойств, которые позволяют применять его почти во всех сферах человеческой деятельности. Способы использования электротока:

Электричество сегодня является наиболее экологически чистым видом энергии. В условиях современной экономики развитие электроэнергетики имеет планетарное значение. В будущем при возникновении сырьевого дефицита электричество займёт лидирующие позиции в качестве неисчерпаемого источника энергии.

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.

Направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).

Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. - Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. - Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.

В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.

В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест - дырок.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.

На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE , которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.

На рисунке показано, что вектор силы F - = -qE , действующей на отрицательный заряд -q , направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.

Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:

I = Q/t .

Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m 2:

Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ 1 и φ 2 между этими точками из расчёта:

U = A/Q = φ 1 - φ 2

Электрический ток может быть постоянным или переменным.

Постоянный ток - электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток - электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.

Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R :

Электрический ток в проводниках

В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.

В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.

Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. - Электролиз.
Анионы - положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду - катоду.
Катионы - отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду - аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.

Электрический ток в газах - плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.

Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах - лампах.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники - изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов.

К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!