Что такое электроток в физике: определение простыми словами и условия возникновения

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог сравнительно недавно. Удар молнии казался неестественным, необъяснимым. Странным показалось, что некоторые предметы скрипели при трении. Гребень, который светился в темноте после расчесывания шерсти животных (например, кошек), вызвал некоторое недоумение, но подогрел интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Еще древние греки знали свойство янтаря, нанесенного на шерсть, притягивать к себе какие-то мелкие предметы. Кстати, название «электричество» происходит от греческого названия янтаря — «электрон».

Когда физики столкнулись с изучением электризации тел, они стали понимать природу таких явлений. А первый рукотворный кратковременный электрический ток появился при соединении проводником двух наэлектризованных объектов (см рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уилер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но они не могли дать определение электрическому току, хотя и понимали, что заряды переходят от одного тела к другому по проводнику.

Рис. 1. Опыт работы с загруженными кузовами

Об электрическом токе как о физическом явлении стали говорить только после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрел первый в мире источник электричества — гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное движение заряженных частиц по замкнутому контуру.

Наиболее значимые открытия и изобретения

• 1633 г. — немецкий инженер Отто фон Герике изобретает первую в мире электростатическую машину, позволившую наблюдать различные виды взаимодействия электрических зарядов: их отталкивание и притяжение;
• 1729 г. — английский ученый Стивен Грей в результате своих исследований и экспериментов по передаче электричества на большие расстояния обнаружил, что материалы с разной электропроводностью проходят через него неравномерно по его толщине;
• 1745 г. – ученый из Нидерландов Петер ван Мушенбрук изобретает первое в мире устройство для накопления электрического заряда (простейший конденсатор) – лейденскую банку;
• 1800 г. — итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел первый источник тока — гальванический элемент, состоящий из круглых пластин цинка и серебра, поочередно сложенных в столбик и разделенных бумагой, смоченной в солевом растворе;
• 1820 г. — датский физик Ганс Эрстед открыл электромагнитное взаимодействие между электрическими зарядами разных знаков и заряженными частицами;
• 1831 г. – Майкл Фарадей открывает явление электромагнитной индукции ;
• 1880: француз Пьер Кюри обнаруживает эффект генерации электрического заряда на кристалле, когда он сжимается или иным образом изменяется.

Никола Тесла

В конце 19 и 20 веках Никола Тесла был одним из самых известных и загадочных ученых, изучавших, что такое электричество, и создавших множество изобретений. Раскрыта сущность электричества.

Никола Тесла – выдающийся ученый, внесший большой вклад в изучение этого явления. На его счету более 1000 различных изобретений, из которых он запатентовал около 800. Наиболее значительными и важными изобретениями великого ученого являются:

1. Генератор высокой частоты;
2. Асинхронный асинхронный электродвигатель; трансформатор высокой частоты;
3. Мачта антенны для передачи и приема радиосигналов.

А Тесла первым разработал и внедрил правила безопасности при работе с электрическим током различной частоты и мощности.

Определение

В современной интерпретации электрическим током называют направленное движение заряженных частиц силами электрического поля. Носителями заряда металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки».

Для существования электрического тока необходимо постоянно поддерживать электрическое поле. Должна существовать разность потенциалов, которая поддерживает наличие первых двух условий. Пока эти условия соблюдены, заряды будут двигаться упорядоченно по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электроэнергии.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, они будут заряжены противоположными зарядами. На щетках, прилегающих к дискам, появится разность потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Рисунок 2. Электрофорная машина

Из чего состоит электрический ток

Электрический ток – это направленное или упорядоченное движение заряженных частиц (электронов, ионов). Эти частицы называются носителями заряда. Для возникновения движения в веществе должны быть свободные заряженные частицы. Способность заряженных частиц двигаться в веществе определяет проводимость этого вещества. По проводимости вещества различают на проводники, полупроводники, диэлектрики и изоляторы.

В металлах заряд переносится электронами. При этом само вещество никуда не утекает — ионы металлов надежно закреплены в узлах конструкции и лишь слегка колеблются.

В жидкостях заряд переносят ионы: положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. Частицы устремляются к электродам с противоположным зарядом, где нейтрализуются и оседают.

Плазма образуется в газах под действием сил с различным потенциалом. Заряд переносится свободными электронами и ионами с обоих полюсов.

В полупроводниках заряд переносится электронами, переходящими от атома к атому и оставляющими разрывы, которые считаются положительно заряженными.

При каких условиях возможно получение электрического тока

Электрический ток возникает, если выполняются следующие условия:

• Есть источник энергии: генераторная турбина, солнечная или аккумуляторная батарея;
• Наличие в проводнике достаточного количества свободных заряженных частиц;
• Если электрическое поле создается источником питания, выполняющим функцию упорядочивания в цепи и проводниках движения зарядов;
• Если образуется замкнутая цепь с концами, подключенными к полюсам используемого источника питания.

Именно наличие всех вышеперечисленных условий гарантирует длительное протекание электрического тока в установленной цепи и стабильное питание подключенных к ней потребителей (бытовых или промышленных электроприборов).

Откуда берется электрический ток

Электроэнергия, поступающая по кабелям к домам, вырабатывается электрогенератором на нескольких электростанциях. В них генератор соединен с постоянно вращающейся турбиной.

В конструкции генератора есть ротор, катушка, которая расположена между полюсами магнита. Когда турбина вращает этот ротор в магнитном поле, по законам физики возникает или индуцируется электрический ток. Таким образом, назначение генератора — преобразовать кинетическую силу вращения в электричество.

Есть много способов раскрутить турбину, используя различные источники энергии. Они делятся на три вида:

• Возобновляемая – энергия, получаемая из неисчерпаемых ресурсов: проточной воды, солнечного света, ветра, геотермальных источников и биотоплива;
• Невозобновляемая — энергия, получаемая из ресурсов, возникающих очень медленно, непропорционально скорости потребления: уголь, нефть, торф, природный газ;
• Ядерная — энергия, получаемая в процессе деления ядерной клетки.

Чаще всего электроэнергия вырабатывается за счет работы:

• Гидроэлектростанции (ГЭС) — построены на реках и используют энергию водного потока;
• Тепловые электростанции (ТЭС): работают на тепловой энергии от сжигания топлива;
• Атомные электростанции (АЭС): работают на тепловой энергии, полученной в результате процесса ядерной реакции.

Преобразованная энергия подается по кабелям к трансформаторным подстанциям и выключателям и только потом доходит до конечного потребителя.

Сейчас активно развиваются так называемые альтернативные виды энергии. К ним относятся ветряные турбины, солнечные батареи, использование геотермальных источников и любые другие способы получения электроэнергии посредством необычных явлений. Альтернативная энергетика значительно уступает по производительности и рекуперации традиционным источникам, но в определенных ситуациях позволяет сэкономить деньги и снизить нагрузку на магистральные электрические сети.

Существует также миф о существовании БТГ — генераторов без топлива. В Интернете есть видеоролики, демонстрирующие их работу и предлагаемые к продаже. Но есть много споров о достоверности этой информации.

Как проявляется электрический ток в зависимости от разных сред?

Электрический ток в различных веществах представляет собой совокупность движущихся частиц:

• в металле — электроны;
• в газах — ионы + электроны;
• в пустом пространстве — электроны;
• в полупроводниках — дырки, обеспечивающие электронно-дырочную проводимость;
• в электроплитах — ионы.

Ток может выглядеть следующим образом:

• проводники нагреваются (не относится к сверхпроводникам);
• в проводниках изменяется химический состав и структура молекул;
• возникает магнитное поле (относится ко всем типам проводников).

В металлах

Структура металлов напоминает кристаллическую решетку. В его «узлах» находятся положительные ионы, в пространстве между ними — свободные электроны. Электрическое поле, создаваемое в металле, заставляет свободные электроны двигаться упорядоченно. Поэтому принято говорить, что ток в металлах есть упорядоченное движение свободных электронов.

Путь электронов нельзя назвать прямолинейным. Он сложный, он зависит от его взаимодействия с другими частицами.

В электролитах

Электролиты — это растворы щелочей, кислот или солей, которые могут проводить электричество.

В процессе растворения в воде молекулы этих веществ разделяются на отрицательные и положительные ионы. Явление распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы называется электролитической диссоциацией.

В отсутствие электрического поля все ионы движутся хаотично. Если они присутствуют, положительные будут тяготеть к отрицательному полюсу источника тока отрицательное к положительному. Поэтому физики говорят, что ток в электролитах — это движение ионов разного заряда в противоположных направлениях.

В вакууме и газе

Вакуум – это среда с полным отсутствием (идеальный случай) газов или с минимальным их количеством (фактически). Поскольку в вакууме нет материи, нет и источника носителей заряда. Однако протекание тока в вакууме положило начало электронике и целой эре электроники: электронным лампам. Они применялись в первой половине прошлого века, а в 50-х годах стали постепенно уступать место транзисторам (в зависимости от конкретной области электроники).

Допустим, у нас есть емкость, из которой выкачали весь газ, то есть она совершенно пуста. В контейнер помещаются два электрода, назовем их анодом и катодом. Если мы подключим отрицательный потенциал источника ЭДС к катоду, а положительный к аноду, то ничего не произойдет и ток не пойдет. Но если мы начнем нагревать катод, потечет ток. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией: испускание электронов с нагретой поверхности электрона.

В вакуумных лампах катод нагревается соседней нитью на рисунке (H), как в осветительной лампе.

В то же время, если поменять полярность питания, подать на анод минус, а на катод подать плюс, то ток не пойдет. Это докажет, что ток в вакууме течет за счет движения электронов от КАТОДА к АНОДУ.

Газ, как и любое вещество, состоит из молекул и атомов, а значит, если газ находится под действием электрического поля, то при определенной силе (напряжении ионизации) из атома выйдут электроны, тогда оба условия друг для друга . будет выполнять поток электрического тока: поле и свободные среды.

Как уже упоминалось, этот процесс называется ионизацией. Оно может возникать не только от приложенного напряжения, но и при нагреве газа, рентгеновских лучей, под воздействием ультрафиолетовых лучей и прочего.

Ток будет течь по воздуху, даже если между электродами установлена ​​горелка.

Протекание тока в инертных газах сопровождается газовой люминесценцией, это явление активно используется в люминесцентных лампах. Протекание электрического тока в газовой среде называется газовым разрядом.

В жидкости

В жидкостях с электропроводностью (электролитах) основными носителями заряда являются ионы, образующиеся при электролитической диссоциации солей.

Классификация

Постоянный и переменный ток

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно определенной среды, этот ток называется электрическим «проводящим током». Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называется «конвекцией».

Токи делятся на постоянные и переменные. Также существует несколько видов переменного тока. При определении видов тока слово «электрический» опускают.

• Постоянный ток – это ток, направление и величина которого не меняются со временем. Он может быть пульсирующим, как выпрямленная переменная, которая является однонаправленной.
• Переменный ток — это электрический ток, который изменяется во времени. Переменный ток — это любой ток, который не является постоянным.
• Периодический ток — электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные промежутки времени в последовательности без изменений.
• Синусоидальный ток представляет собой периодический электрический ток, который является синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. Любой несинусоидальный периодический ток можно представить как совокупность синусоидальных гармонических составляющих (гармоник) с соответствующими амплитудами, частотами и начальными фазами. При этом электростатический потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя через все промежуточные потенциалы (в том числе нулевой потенциал). В результате возникает ток, который непрерывно меняет направление: при движении в одном направлении он увеличивается, достигая максимума, называемого амплитудным значением, затем уменьшается.
• Квазистационарный ток — это относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов. Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, как и постоянный, имеет одинаковую силу тока на всех участках неразветвленной цепи. При расчете цепей квазистационарного тока за счет возникающих ЭД индукции емкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарные токи — это обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальней передачи, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.
• Ток высокой частоты — переменный ток, (с частотой примерно в десятки кГц), для которого становятся важными такие явления, которые либо полезны, определяя их применение, либо вредны, против которых принимаются необходимые меры, например электромагнитная волна лучевое и кожное воздействие. Также, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, нарушается условие квазистационарности, что требует специальных подходов к расчету и проектированию таких цепей.
• Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.
• Однонаправленный ток – это электрический ток, который не меняет своего направления.

Квазистационарный ток

Это «относительно медленно меняющийся переменный ток, мгновенные значения которого с достаточной точностью подчиняются законам постоянного тока» (ТСБ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, как и постоянный, имеет одинаковую силу тока на всех участках неразветвленной цепи. При расчете цепей квазистационарного тока за счет возникающих ЭД индукции емкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарные токи — это обычные промышленные токи, за исключением токов в линиях дальней передачи, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

Высокочастотный переменный ток — это ток, в котором уже не выполняется условие квазистационарности, ток проходит по поверхности проводника, обтекая его со всех сторон. Этот эффект называется скин-эффектом.

Пульсирующий ток

Ток, при котором изменяется только величина, но направление остается постоянным.

Вихревые токи

Вихревой ток вихревой ток

Вихревые токи (или вихревые токи) — это замкнутые электрические токи в массивном проводнике, возникающие при изменении пронизывающего его магнитного потока, поэтому вихревые токи — это индукционные токи. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определенным путям в проводах, а, замыкаясь в проводнике, образуют контуры в виде вихря.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, т е к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются преимущественно в поверхностном слое проводника. Нагрев проводников вихревыми токами приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют разделение магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и значительно уменьшает величину этих токов. На очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых.

Постоянный и переменный ток

Следующий вопрос, который мы решили понять, заключается в следующем: что такое переменный ток и постоянный ток? Ведь многие не правильно понимают эти понятия.

Постоянный ток

Постоянный ток – это ток, который не меняет своей величины и направления во времени. Очень часто пульсирующий ток называют еще и постоянным, но обо всем по порядку.

• Постоянный ток характеризуется тем, что постоянно сменяется одно и то же количество электрических зарядов в одном и том же направлении. Направление от одного полюса к другому.
• Получается, что проводник всегда имеет положительный или отрицательный заряд. И со временем не меняется.

Примечание! При определении направления постоянного тока могут быть несоответствия. Если ток образуется движением положительно заряженных частиц, то его направление соответствует движению частиц. Если ток образуется движением отрицательно заряженных частиц, то его направление считается противоположным движению частиц.

• Но под понятием постоянного тока его часто называют пульсирующим током. Она отличается от постоянной только тем, что ее значение меняется во времени, но при этом не меняется ее знак.
• Допустим, у нас есть ток 5А. Для постоянного тока это значение останется неизменным в течение всего периода времени. Для пульсирующего тока в один период времени будет 5, в другой 4 и в третий 4,5. Но при этом она ни в коем случае не уменьшается ниже нуля и ее знак не меняется.

• Этот пульсирующий ток очень распространен при преобразовании переменного тока в постоянный. Именно этот пульсирующий ток вырабатывает ваш инвертор или диодный мост в электронике.
• Одним из основных преимуществ постоянного тока является то, что его можно накапливать. Сделать это можно своими руками, используя батарейки или конденсаторы.

Переменный ток

Чтобы понять, что такое переменный ток, нам нужно представить себе синусоиду. Именно эта плоская кривая лучше всего характеризует изменение постоянного тока и является эталоном.

Синусоида переменного тока	Подобно синусоиде, переменный ток меняет свою полярность с постоянной частотой. В один период времени он положительный, а в другой период времени отрицательный.
Основные параметры синусоиды	Поэтому непосредственно на проводнике движения нет носителей заряда, как таковых. Чтобы понять это, представьте себе волну, разбивающуюся о берег. Он движется в одном направлении, а затем в противоположном направлении. В результате кажется, что вода движется, но остается на месте.
Частота переменного тока	Исходя из этого, для переменного тока очень важным фактором становится скорость его смены полярности. Этот фактор называется частотой. Чем выше эта частота, тем чаще меняется полярность переменного тока в секунду. В нашей стране существует эталон этого значения – это 50Гц. То есть переменный ток меняет свое значение с положительного конца на отрицательный 50 раз в секунду.
Формула частоты переменного тока	Но есть не только переменный ток частотой 50 Гц, многие устройства работают с переменным током разной частоты. Ведь изменяя частоту переменного тока, можно изменить скорость вращения двигателей. Вы также можете получить более высокую скорость обработки данных, как на чипсетах вашего компьютера, и многое другое.

Примечание! Наглядно посмотреть, что такое переменный и постоянный ток, можно на примере обычной лампочки. Особенно это проявляется в некачественных диодных лампах, но если присмотреться, то можно увидеть и в обычной лампе накаливания. При работе от постоянного тока они горят постоянным светом, а при работе от переменного тока слегка мерцают.

Характеристики

Исторически принято, что «направление тока» совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.

Дрейфовая скорость электронов

Дрейфовая скорость направленного движения частиц в проводниках, вызванная внешним полем, зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, температуры окружающей среды, приложенной разности потенциалов и много меньше скорости дрейфа свет. За 1 секунду электроны в проводнике совершают упорядоченное движение менее 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения реального электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть место, где электроны меняют свою скорость движения после изменения напряжения, движется со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Сила и плотность тока

Электричество

Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярная — сила тока и векторная — плотность тока.

Сила тока – это физическая величина, равная отношению количества заряда

, что продолжается некоторое время

по сечению проводника, на величину этого интервала времени.

Сила тока в СИ измеряется в амперах (международное и российское обозначение: А).

По закону Ома сила тока

на участке цепи прямо пропорциональна электрическому напряжению

приложенный к этому участку цепи, и обратно пропорционален его сопротивлению

.

Если электрический ток на участке цепи непостоянен, то напряжение и сила тока постоянно изменяются, тогда как для обычного переменного тока средние значения напряжения и силы тока равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого тепла при этом не равна нулю.

Поэтому используются следующие термины:

• мгновенные напряжение и ток, то есть действующие в данный момент.
• пиковое напряжение и ток, т.е максимальные абсолютные значения
• действующее (действующее) напряжение и сила тока определяются тепловым действием тока, т е имеют те же значения, что и для постоянного тока с тем же тепловым действием.

Плотность тока – это вектор, абсолютное значение которого равно отношению тока, протекающего через определенный участок проводника, перпендикулярный направлению тока, к площади этого участка и направлению вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, составляющих ток.

Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока в среде

пропорциональна напряженности электрического поля

и проводимость среды

.

Мощность

При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Электрическое сопротивление любого проводника состоит из двух составляющих:

• активное сопротивление — сопротивление тепловыделению;
• реактивное сопротивление — сопротивление за счет передачи энергии электрическому или магнитному полю (и наоборот).

Как правило, большая часть работы, совершаемой электрическим током, выделяется в виде тепла. Мощность тепловых потерь – это величина, равная количеству теплоты, выделяемой в единицу времени. По закону Джоуля-Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах.

В сплошной среде объемные потери мощности

определяется скалярным произведением вектора плотности тока

и вектор силы электрического поля

в этом пункте:

Объемная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.

Радиационное сопротивление обусловлено образованием вокруг проводника электромагнитных волн. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины волны излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде течет ток одного направления и силы, и длина которого L много меньше длины излучаемой им электромагнитной волны

, зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:

Наиболее широко используемый электрический ток со стандартной частотой 50 Гц соответствует длине волны около 6 тысяч километров, поэтому мощность излучения обычно пренебрежимо мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако с увеличением частоты тока уменьшается длина излучаемой длины волны и, следовательно, увеличивается мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной.

Частота

Частота относится к переменному току, который периодически меняет силу и/или направление. Это также включает в себя наиболее используемый ток, который изменяется по синусоидальному закону.

Период переменного тока — это кратчайший период времени (выраженный в секундах), после которого повторяются изменения тока (и напряжения). Число периодов, совершаемых током в единицу времени, называется частотой. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Ток смещения

Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. В уравнениях Максвелла ток смещения присутствует наравне с током, вызванным движущимися зарядами. Сила магнитного поля зависит от полного электрического тока, который равен сумме тока возбуждения и тока смещения. По определению плотность тока смещения

— векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля

вовремя:

Дело в том, что при изменении электрического поля, а также при протекании тока генерируется магнитное поле, что делает эти два процесса похожими друг на друга. Также изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, при зарядке и разрядке конденсатора, несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, несущего некоторую энергию и своеобразно замыкающего электрическую цепь.

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

Как работает электричество, электризация

Положительный и отрицательный ионы

Как уже отмечалось, по умолчанию атом электрически нейтрален: положительные и отрицательные заряды равны. Они компенсируют друг друга. Но если вы вдруг представите, что хотя бы один электрон покидает свое место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов превысит отрицательный заряд всех остальных электронов. Поэтому такой атом в целом обладает свойствами положительного заряда и называется положительным ионом.

Атом, получивший лишний электрон, будет иметь преимущественно отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательным ионом.

Следует отметить, что положительный или отрицательный заряд будет иметь не только атом, но и молекула, и, соответственно, вещество, которое этот атом содержит.

Электризация

Электрификация – это процесс получения дополнительного электрона, или наоборот, его потеря, если в теле имеется избыток или недостаток электронов, то есть ярко выраженный заряд любого знака, то говорят, что тело наэлектризовано.

Экспериментально установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а заряды разных знаков притягиваются. Подобный эксперимент можно повторить следующим очень известным способом: подвесить на нить два металлических шарика, изначально имеющих нейтральный заряд. Затем дайте одному шарику положительный заряд, а второму — отрицательный. В результате шарики будут притягиваться друг к другу. Если двум шарам придать заряд одного знака, они отталкиваются друг от друга.

Но, при трении стеклянной палочки о шелк, все происходит наоборот. Электроны из поверхностного слоя стекла покидают стержень. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет избыточного суммарного заряда протона.

Электризация металла

Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например, кусок металла, то при трении о диэлектрик заряд, образовавшийся на поверхности металла, мгновенно уйдет на землю через наше тело и другие предметы. Так как, в отличие от рассмотренных диэлектриков, наше тело имеет относительно хорошую проводимость и относительно легко по нему перемещаются заряды.

Опыт электризации трением не может быть оценен, даже если мы возьмем два металлических предмета, даже с хорошо изолированными ручками. При взаимном трении металла о металл, как и в предыдущих опытах, будут возникать свободные электроны. Однако из-за неизбежной шероховатости поверхности одновременно разделить оба металлических предмета по всей поверхности не получится. Так, в последней точке соприкосновения двух поверхностей электроны будут течь по так называемому «мостику» до тех пор, пока их количество снова не станет таким же, как до трения.

Статическое электричество

Итак, теперь мы знаем, что при трении рассматриваемых предметов некоторые электроны получают избыточную энергию. Затем они покидают атомы тела, которое заряжено положительно. Эти электроны занимают места на орбитах атомов другого вещества. Который, в свою очередь, приобретает свойства отрицательного заряда. При этом одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Силы, создаваемые зарядами, называются электрическими. А сам факт наличия электрических зарядов и их взаимодействия называется электричеством.

В обсуждаемых примерах возникает так называемое статическое электричество.

Электрическая сила

В процессе электризации бумажки сами будут притягиваться к заряженному пластиковому стержню. Почему это происходит?

Попробуем раскрыть тайну физического процесса. Это происходит следующим образом. При поднесении заряженного тела к незаряженному телу под действием электрических сил электроны движутся к одному из краев тела. И этот край тела из-за избытка электронов становится отрицательно заряженным. А противоположный край, соответственно, заряжен положительно. Средняя часть тела будет иметь нейтральный заряд. Таким образом, заряды движутся по краям данного тела.

Ближе к заряженному заряженному телу будут стремиться заряды противоположного знака. Например, если палка заряжена положительно, бумага будет притягиваться к ней. Поверхность, на которой накапливаются отрицательные заряды. Наоборот.

Простые факты, как вырабатывается электричество

Чтобы получить электричество от магнита динамика, вокруг него намотаны два медных провода. И два конца припаиваются, к оставшимся подключается маленькая лампочка, светодиодная лента. Чтобы сделать блок питания для лампы накаливания 220 В, нужно использовать более мощные и крупные магниты, толстые медные провода с большим сечением. Древнейшей батареей считается найденное при раскопках в Египте устройство, представляющее собой медную емкость с вставленным в нее железным стержнем, не касающимся стенок.

Интересный эксперимент был проведен при дворе короля Людовика. Чтобы показать, как генерируется и течет электричество, они соединили лейденскую банку и построение солдат. При этом держащиеся за руки солдаты образовывали не что иное, как первую в мире живую электрическую цепь; Из-за большого количества смертей от даров молнии в Италии в 18 веке во многих европейских странах появилась очень странная мода на шляпы и зонтики с молниеотводами; В скандинавских странах основным источником электроэнергии, иногда единственным, являются гидроэлектростанции. Благодаря этим типам станций в этих штатах очень низкий уровень загрязнения воздуха.

Никогда не помешает узнать, как работает знакомое всем нам электричество. Во-первых, это очень познавательно, а во-вторых, важно не только для расширения кругозора, но и для обеспечения собственной безопасности в современном мире, где практически на каждом шагу встречается достаточно опасное электричество.

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков проводники содержат свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, обычно разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольт-амперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) — важнейшая характеристика проводника. Для металлических проводников и электролитов он имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы: здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые обычно рассматриваются как электронный газ, ясно демонстрирующий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма – это ионизированный газ. Электрический заряд несут ионы (положительные и отрицательные) и свободные электроны, образующиеся под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и др.) и (или) нагревания.

Электролиты — жидкие или твердые вещества и системы, в которых ионы присутствуют в сколь угодно заметной концентрации, обуславливающей прохождение электрического тока. Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов уменьшается из-за увеличения числа молекул, распавшихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы приближаются к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделяющегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Электрический ток в проводниках

В проводниках имеются свободные носители заряда, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.
В металлических проводниках носителями заряда являются свободные электроны.
При повышении температуры хаотическое тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и увеличивает сопротивление проводника.
По мере охлаждения и приближения температуры к абсолютному нулю, когда тепловое движение прекращается, сопротивление металла приближается к нулю.

Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), образующихся в процессе электролитической диссоциации.
Ионы движутся к электродам противоположного им знака и нейтрализуются, оседая на них. — Электролиз.
Анионы – это положительные ионы. Они движутся к отрицательному электроду, катоду.
Катионы – это отрицательные ионы. Они движутся к положительному электроду, аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделяющегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения количества молекул, распавшихся на ионы.

Электрический ток в газах — плазма. Электрический заряд переносят положительные или отрицательные ионы и свободные электроны, образующиеся под действием излучения.

В вакууме существует электрический ток, подобный потоку электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах — лампах.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по удельному сопротивлению.
Существенным отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
При понижении температуры сопротивление металлов уменьшается, а полупроводников, наоборот, увеличивается.
Когда температура приближается к абсолютному нулю, металлы становятся сверхпроводниками, а полупроводники — изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами в кристаллической решетке и в идеале свободных электронов не будет.
При повышении температуры часть валентных электронов может получить достаточную энергию для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва будут образовываться вакансии, которые называются дырками.
Вакантное место может быть заполнено валентным электроном из соседней пары, и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой электронная связь между атомами полупроводника восстанавливается и происходит обратный процесс: рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут возникать и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическом поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике представляет собой сумму тока электронов In и тока дырок Ip.

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

Электрические токи в природе

Вспышка молнии

Атмосферное электричество — это электричество, находящееся в воздухе. Бенджамин Франклин впервые продемонстрировал наличие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии.

Позднее было обнаружено, что электричество накапливается при конденсации паров в верхних слоях атмосферы, и были указаны следующие законы, которым подчиняется атмосферное электричество:

• при ясном небе, как и при облачном небе, электричество атмосферы всегда положительно, если на некотором расстоянии от пункта наблюдения нет дождя, града или снега;
• напряжение электричества от облаков становится достаточно сильным, чтобы выделяться из окружающей среды только при конденсации облачных паров в капли дождя, о чем свидетельствует отсутствие разряда молнии без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая ответный удар молния;
• атмосферное электричество увеличивается с увеличением влажности и достигает максимума при выпадении дождя, града и снега;
• место, где идет дождь, является резервуаром положительного электричества, окруженным поясом отрицательного электричества, который, в свою очередь, заключен в пояс положительного электричества. На границах этих поясов напряжения равны нулю.

Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной приблизительно (2÷3)·10−12 А/м².

Суммарный ток, протекающий по всей поверхности Земли, составляет около 1800 А.

Молния – это естественный искровой электрический разряд. Была установлена ​​электрическая природа полярных сияний. Пожары Сан-Тельмо — это естественный коронный электрический разряд.

Биотоки: Движение ионов и электронов играет очень важную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и в отдельных частях тела и органах. Передача нервных импульсов происходит с помощью электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические молнии, электрические угри) могут накапливать потенциал в несколько сотен вольт и использовать его для самообороны.

Металлы — проводники электричества

Проводниками для этих самых электронов (заряженных частиц) служат металлы. Они легко перетекают по проводнику из одного участка в другой. По мере движения электронов происходят параллельные физические явления. Например, когда многие электроны упорядоченно движутся по тонкому проводнику, они сталкиваются с атомами, неподвижными на своих местах в кристаллической решетке вещества. В результате таких столкновений энергия движения электронов превращается в тепловую энергию атома, с которым произошло столкновение. То есть энергия движения электронов частично переходила в тепловую энергию, нагревая данное вещество.

Электромагнитные поля

Есть еще один пример, в котором проявляется сущность электричества. Это взаимодействие электромагнитных полей. Помните, что вокруг неподвижных заряженных частиц существует электрическое поле, а вокруг движущихся электрических частиц также возникает магнитное поле. В результате при движении вокруг них заряженных частиц образуется общее электромагнитное поле, влияющее на другие поля других заряженных частиц. Так работает электродвигатель. Проще говоря, магнитные поля заставляют электродвигатель вращаться, при этом электрические заряды перетекают от одного полюса к другому по его обмоткам.

Применение

При изучении электрического тока были открыты многие его свойства, позволившие найти практическое применение в различных областях человеческой деятельности и даже создать новые поля, которые были бы невозможны без существования электрического тока. После того, как электрический ток нашел практическое применение и поскольку электрический ток можно получить различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие: электроэнергетика.

Электрический ток используется как носитель сигналов различной сложности и типа в различных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и т д).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, такие как вихревые токи или токи короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

• получение механической энергии в различных электродвигателях,
• получение тепловой энергии в отопительных приборах, электропечах, при электросварке,
• получение световой энергии в устройствах освещения и сигнализации,
• возбуждение высокочастотных, ультравысокочастотных электромагнитных колебаний и радиоволн,
• получить звук,
• получение различных веществ электролизом, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия преобразуется в химическую энергию,
• создание магнитного поля (в электромагнитах).

Использование электрического тока в медицине

Электрофорез

• диагностика – биотоки здоровых и больных органов различны, при этом можно определить заболевание, его причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме, называется электрофизиологией.
  • Электроэнцефалография — метод исследования функционального состояния головного мозга.
  • Электрокардиография – это методика регистрации и изучения электрических полей при работе сердца.
  • Электрогастрография – метод исследования моторной активности желудка.
  • Электромиография — метод изучения биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.
• Лечение и реанимация: электростимуляция отдельных областей головного мозга; лечение болезни Паркинсона и эпилепсии, также для электрофореза. Кардиостимулятор, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, применяется при брадикардии и других сердечных аритмиях.

Электробезопасность

Предупреждение об электробезопасности

Он включает правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и другие мероприятия. Нормы электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основных понятий электробезопасности обязательно для обслуживающего персонала электроустановок и электрооборудования. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека с сухой неповрежденной кожей колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, проходящий через тело человека или животного, производит следующие действия:

• термические (ожоги, нагревание и повреждение сосудов);
• электролитические (распад крови, нарушение физико-химического состава);
• биологические (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги)
• механический (разрыв сосудов под действием давления пара, получаемого при нагревании с током крови)

Основным фактором, определяющим исход поражения электрическим током, является величина тока, проходящего через тело человека. По мерам безопасности электрический ток классифицируют следующим образом:

• «безопасным» считается ток, длительное прохождение которого через тело человека не наносит ему вреда и не вызывает ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
• «минимально обнаруживаемый» переменный ток составляет приблизительно 0,6–1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5–7 мА постоянного тока;
• порог «не оставляй» — это минимальный ток такой силы, при котором человек усилием воли уже не может отделить руки от токоведущей части. Для переменного тока около 10-15 мА, для постоянного — 50-80 мА;
• «порог фибрилляции» представляет собой переменный ток (50 Гц) силой приблизительно 100 мА и 300 мА постоянного тока, который с вероятностью более 0,5 с может вызвать фибрилляцию сердечной мышцы. Этот порог одновременно считается условно летальным для человека.

В России согласно Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей (Приказ Минэнерго РФ от 13 января 2003 г. № 6 «Об утверждении Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей») и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок (Приказ Минэнерго РФ от 27 декабря 2000 г. N 163 «Об утверждении Межотраслевых правил по охране труда (Правил безопасности) при эксплуатации электроустановок »), по электробезопасности установлено 5 квалификационных групп в зависимости от квалификации и трудового стажа рабочего и напряжения электроустановок.

Действие электрического тока, некоторые факты об электричестве

Как правило, электрический переменный ток, наиболее распространенный в быту, оказывает негативное воздействие на организм человека. Степень которого зависит от значения такой характеристики, как сила тока:

• При силе тока 5-7 миллиампер наблюдаются судороги мышц рук;
• Токи силой от 8 до 25 миллиампер провоцируют появление болей, нарушение дыхания;
• Ток силой от 50 до 80 мА вызывает паралич дыхания и сердечную недостаточность;
• Ток силой более 80 миллиампер вызывает остановку сердца и паралич дыхания.
• Токи малой силы (до 1,5 миллиампер) вызывают легкую дрожь в пальцах и не вызывают боли.

Единица измерения электрического тока

Электрический ток представлен как количество заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади поперечного сечения материала. Ампер признан единицей измерения, и в качестве обозначения используется латинская буква I, происходящая от французского выражения intensité de courant. Этот символ использовался для Ампера, что дало название единице измерения, хотя частные журналы продолжали использовать C до 1896 года. В физике существует другое определение ампера: «Это сила тока, который между двумя параллельных проводников, расположенных на расстоянии одного метра друг от друга в вакууме, сила взаимодействия на отрезке длиной 1 метр составляет 0,2 мкм».

Толкование связано с тем, что протекающий ток создает вокруг проводника магнитное поле, которое успешно взаимодействует с остальными. Процесс нормируется законом Ампера, выведенным в 1820 г. Первоначально в формулу входила магнитная индукция, но позже была установлена ​​необязательная величина. Это зависит от величины тока, расстояния до исследуемой точки и магнитной постоянной (физической постоянной).

Теории и законы электричества

Законов, управляющих электричеством, немного, но они полностью описывают явление:

• Закон сохранения энергии — это фундаментальный закон, которому подчиняются и электрические явления;
• Закон Ома является основным законом электрического тока;
• Закон электромагнитной индукции — об электромагнитных и магнитных полях;
• Закон Ампера: о взаимодействии двух проводников с током;
• Закон Джоуля-Ленца — о тепловом действии электричества;
• Закон Кулона — по электростатике;
• Правила правой и левой руки: определить направления силовых линий магнитного поля и силу Ампера, действующую на проводник в магнитном поле;
• Правило Ленца: определение направления индукционного тока;
• Законы Фарадея относятся к электролизу.

Как найти направление тока, формула, правило буравчика

Магнитное поле, возникающее при протекании электрического тока по проводнику, характеризуется магнитной индукцией B→.

Величина индукции, возникшей под действием постоянного электрического тока, определяется законом Био-Савара-Лапласа. Формула в векторной форме для элемента ∆l проводника с током I:

Формула 4

ΔB→=µ04π I Δl→×r→r3,

где ΔB→ — индукция, созданная в некоторой точке, Тл;

r→ – радиус-вектор, проведенный из элемента ∆l в точку, где необходимо найти индукцию, м;

µ0 – магнитная постоянная, равная 4π·10-7Гн/м.

Запись закона в скалярной форме будет зависеть от формы проводника (прямой кабель, соленоид и т д).

Направления компонентов векторного произведения можно определить с помощью правила буравчика.

Правило 1

Правило Гимлета для проводящего элемента. Направление вектора B в данной точке совпадет с поступательным движением рукоятки шнека, если шнек повернуть в направлении наименьшего угла от вектора ∆l→ к вектору r→.

Из правила Гимлета можно сделать вывод, что вектор В всегда лежит в плоскости, перпендикулярной направлению тока.

Когда по проводнику течет ток, линии индукции В охватывают проводник, сформулируем правило оже и правило правой руки для этого случая.

Правило 2

Правило Гимлета для проводника с током. Направьте долото так, чтобы при вращении направление вращения совпадало с направлением силовых линий магнитного поля. Направление тока в этом случае будет совпадать с поступательным движением удила.

Правило 3

Правило правой руки. Ладонь правой руки накрывает проводник так, чтобы четыре пальца совпадали с силовыми линиями магнитного поля. Согнутый большой палец укажет направление движения грузов.

Источник: i2.wp.com

В соленоиде направление силовых линий магнитного поля и тока также определяется правилом Гимлета: если ток в витках направлен по часовой стрелке, то вектор В направлен вниз, если против часовой стрелки – вверх.

Явления, связанные с электрическим током

Магнитные поля

Уже было замечено, что электрический ток, протекающий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. На этом принципе основана работа устройств, среди упомянутых электрозамки считаются самыми простыми. Создавая катушки из проволоки, можно добавить эффект поля, возникающего от каждого витка. Что и используется на практике, образуя небольшой замок якоря с силой притяжения тока в несколько сотых долей при смехотворной десятиваттной номинальной мощности. Так работает большинство систем внутренней связи.

Магнитные поля

Точно так же эффект появления магнитного поля распространяется на:

1. Погрузка и разгрузка черного металла в пунктах приема и обработки.
2. Различные реле.
3. Мотор электрический всех модификаций.

Тепловой эффект

Ток, протекающий по проводнику, вызывает эффект нагрева. Явление описывается законом Джоуля-Ленца, который гласит, что тепловой эффект прямо пропорционален квадрату электрического тока и сопротивления проводника. На этом основано основное непонимание технологии новичками. При пониженном напряжении большинство устройств потребляют больше тока для поддержания той же мощности. Ярким примером будут лампочки накаливания, где при напряжении 27 В указанная выше интенсивность достигается исключительно десятикратным увеличением тока.

Это вызывает перегрев из-за удара кабеля питания. По эффекту Джоуля-Ленца получается, что мощность зависит от квадрата тока. А при увеличении последней в 10 раз тепловой эффект возрастает на два порядка (в 100 раз). Этим и объясняется столь высокий нагрев места сварочной дуги, хотя силовой кабель остается холодным. Передаваемая мощность остается прежней, но напряжение на электроде значительно ниже, чем на входе 220 В. Возникает эффект повышения температуры.

Тепловой эффект используется в обогревателях, где он считается побочным, но полезным. При использовании ламп накаливания большая часть энергии тратится впустую. Нить накала нагревается при протекании электрического тока, но мало энергии преобразуется в свет. Масса передается излучением в инфракрасном и невидимом спектре. Эта трудность решена в энергосберегающих лампочках, где ток образует дугу в газовой среде или излучает фотоны, проходя через специально сконструированный p-n переход.

В электронагревателях пытаются повысить КПД за счет создания направленных свойств с помощью зеркал и других отражателей.

Передача информации

Отмечено, что ток высокой частоты распространяется в основном по поверхности проводника, а не в толще. В результате металлический стержень активно излучает энергию в пространство. Обычные кабели используют экран, чтобы блокировать эффект, и если его намеренно удалить, вы получите антенну. Это используется в устройствах, которые передают информацию по воздуху. Никола Тесла планировал передавать энергию на расстояние с помощью описанного метода. Но расследование было засекречено ФБР, и было публично объявлено, что последняя работа ученого не может решить проблему.