X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Электричество, форма энергии, существующая в виде статических или подвижных электрических зарядов. Заряды могут быть положительными или отрицательными. Одинаковые заряды отталкиваются, противоположные притягиваются. Силы взаимодействия между зарядами описаны законом Кулона. Когда заряды движутся в магнитном поле, они испытывают воздействие магнитной силы и в свою очередь создают противоположно направленное магнитное поле (законы Фарадея). Электричество и магнетизм представляют собою различные аспекты одного и того же явления, электромагнетизма. Поток зарядов образует электрический ток, который в проводнике представляет собою поток отрицательно заряженных электронов. Для того, чтобы в проводнике возник электрический ток, необходима электродвижущая сила или разность потенциалов между концами проводника. Ток, который движется только в одном направлении, называется постоянным. Такой ток создается, когда источником разности потенциалов является батарейка. Ток, меняющий направление дважды за цикл, называется переменным. Источником такого тока являются центральные сети. Единицей измерения тока служит ампер, единицей заряда – кулон, ом – это единица сопротивления, а вольт – единица электродвижущей силы. Основными средствами для вычисления параметров электрической цепи являются закон Ома и законы Кирхгофа (о суммировании величин напряжения и тока в цепи).

Электрическую энергию можно получить при помощи индукции в генераторе; напряжение в первичной обмотке создаёт переменный ток во внешней цепи. Наличие индуктивности или ёмкости (либо того и другого вместе) приводит к смещению фазы между напряжением V и током I. Ёмкость вызывает смещение фазы на 90°, в результате чего средняя величина мощности равна 0, хотя кривая мощности по-прежнему имеет вид синусоиды. Понижение мощности Р, вызванное смещением фаз, называют коэффициентом мощности. Если три фазы переменного тока смещены между собою, каждая на 120°, то сумма их величин тока или напряжения всегда будет равна нулю. Такие трехфазные токи используют в короткозамкнутых асинхронных электродвигателях с ротором. В этой конструкции имеется три электромагнита, вращающихся в созданном магнитном поле. Переменный ток производится также в замкнутых и открытых колебательных контурах. Высокочастотные электромагнитные волны, используемые в некоторых системах коммуникации, производятся такими цепями.

Электрический ток – направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках – электроны, в электролитах – ионы (катионы и анионы), в полупроводниках – электроны и, так называемые, «дырки» («электронно-дырочная проводимость»). Также существует «ток смещения», протекание которого обусловлено процессом заряда ёмкости, т.е. изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор протекает.

В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.

Током проводимости (просто током) в теории электрических цепей называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника: i=q/t,

где i – ток. А;

q = 1,6·10⁹ – заряд электрона, Кл;

t – время, с.

Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени: i(t)= dq/dt.

Электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника. Разность потенциалов между двумя точками электрической цепи называют напряжением или падением напряжения на этом участке цепи.

Вместо термина «ток» («величина тока») часто применяется термин «сила тока». Однако последний нельзя назвать удачным, так как сила тока не есть какая-либо сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника.

Ток характеризуется силой тока, которая в СИ измеряется в амперах (А), и плотностью тока, которая в СИ измеряется в амперах на квадратный метр.

Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):

1 А = 1 Кл/с.

В общем случае, обозначив ток буквой i, а заряд q, получим:

i = dq/dt.

Единица тока называется ампер (А). Ток в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 сек проходит электрический заряд, равный 1 кулон.

Если вдоль проводника действует напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля Е на электроны с зарядом е действует сила f = Ее. Величины f и Е векторные. В течение времени свободного пробега электроны приобретают направленное движение наряду с хаотическим. Каждый электрон имеет отрицательный заряд и получает составляющую скорости, направленную противоположно вектору Е (рис. 1). Упорядоченное движение, характеризуемое некоторой средней скоростью электронов v_cp, определяет протекание электрического тока.

Рис. 1 – Направленное движение электронов в проводнике

Электроны могут иметь направленное движение и в разреженных газах. В электролитах и ионизированных газах протекание тока в основном обусловлено движением ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически направление тока было принято обратным направлению движения электронов.

За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительно заряженные частицы, т.е. направление, противоположное перемещению электронов.

В теории электрических цепей за направление тока в пассивной цепи (вне источников энергии) взято направление движения положительно заряженных частиц от более высокого потенциала к более низкому. Такое направление было принято в самом начале развития электротехники и противоречит истинному направлению движения носителей заряда – электронов, движущихся в проводящих средах от минуса к плюсу (рис. 2).

Рис. 2 – Направление электрического тока в электролите и свободных электронов в проводнике

Величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения S, называются плотностью тока (обозначается δ): δ= I/S

При этом предполагается, что ток равномерно распределён по сечению проводника. Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм².

По типу носителей электрических зарядов и среды их перемещения различают токи проводимости и токи смещения. Проводимость делят на электронную и ионную. Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный.

Электрическим током переноса называют явление переноса электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом электрического тока переноса является движение в пустоте элементарных частиц, обладающих зарядом (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в газоразрядных приборах.

Электрическим током смещения (током поляризации) называют упорядоченное движение связанных носителей электрических зарядов. Этот вид тока можно наблюдать в диэлектриках.

Полный электрический ток – скалярная величина, равная сумме электрического тока проводимости, электрического тока переноса и электрического тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность.

Постоянным называют ток, который может изменяться по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время.

Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Величиной, характеризующей переменный ток, является частота (в СИ измеряется в герцах), в том случае, когда его сила изменяется периодически. Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника. Токи высокой частоты применяется в машиностроении для термообработки поверхностей деталей и сварки, в металлургии для плавки металлов. Переменные токи подразделяют на синусоидальные и несинусоидальные. Синусоидальным называют ток, изменяющийся по гармоническому закону:

i = I_m sin ωt,

где I_m – амплитудное (наибольшее) значение тока, А.

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

ω = 2πf

Установившиеся (фиксированные) значения постоянного и переменного токов обозначают прописной буквой I, неустановившиеся (мгновенные) значения – буквой i. Условно положительным направлением тока считают направление движения положительных зарядов.

Переменный ток – это ток, который изменяется по закону синуса с течением времени.

Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону.

Поскольку переменный ток изменяется во времени, простые способы решения задач, пригодные для цепей постоянного тока, здесь непосредственно неприменимы. При очень высоких частотах заряды могут совершать колебательное движение – перетекать из одних мест цепи в другие и обратно. При этом, в отличие от цепей постоянного тока, токи в последовательно соединённых проводниках могут оказаться неодинаковыми. Ёмкости, присутствующие в цепях переменного тока, усиливают этот эффект. Кроме того, при изменении тока сказываются эффекты самоиндукции, которые становятся существенными даже при низких частотах, если используются катушки с большой индуктивностью. При сравнительно низких частотах цепи переменного тока можно по-прежнему рассчитывать с помощью правил Кирхгофа, которые, однако, необходимо соответствующим образом модифицировать.

Цепь, в которую входят разные резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, можно рассматривать, как если бы она состояла из обобщённых резистора, конденсатора и катушки индуктивности, соединённых последовательно.

Рассмотрим свойства такой цепи, подключённой к генератору синусоидального переменного тока. Чтобы сформулировать правила, позволяющие рассчитывать цепи переменного тока, нужно найти соотношение между падением напряжения и током для каждого из компонентов такой цепи.

Конденсатор играет совершенно разные роли в цепях переменного и постоянного токов. Если, например, к цепи подключить электрохимический элемент, то конденсатор начнёт заряжаться, пока напряжение на нём не станет равным ЭДС элемента. Затем зарядка прекратится и ток упадёт до нуля. Если же цепь подключена к генератору переменного тока, то в один полупериод электроны будут вытекать из левой обкладки конденсатора и накапливаться на правой, а в другой – наоборот. Эти перемещающиеся электроны и представляют собой переменный ток, сила которого одинакова по обе стороны конденсатора. Пока частота переменного тока не очень велика, ток через резистор и катушку индуктивности также одинаков.

В устройствах-потребителях переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.

Проводники электрического тока

Материал, в котором течёт ток, называется проводником. Некоторые материалы при низких температурах переходят в состояние сверхпроводимости. В таком состоянии они не оказывают почти никакого сопротивления току, их сопротивление стремится к нулю. Во всех остальных случаях проводник оказывает сопротивление течению тока и в результате часть энергии электрических частиц превращается в тепло. Силу тока можно рассчитать по закону Ома для участка цепи и закону Ома для полной цепи.

Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частицы, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.

Как ток влияет на организм человека

Ток, пропущенный через организм человека или животного, может вызвать электрические ожоги, фибрилляцию или смерть. С другой стороны, электрический ток используют в реанимации, для лечения психических заболеваний, особенно депрессии, электростимуляцию определённых областей головного мозга применяют для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии. В организме человека и животных ток используется для передачи нервных импульсов.

По технике безопасности, минимально ощутимый человеком ток составляет 1 мА. Опасным для жизни человека ток становится начиная с силы примерно 0,01 А. Смертельным для человека ток становится начиная с силы примерно 0,1 А. Безопасным считается напряжение менее 42 В.

Список использованных источников

1. Влияние электрического тока на человека [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://pue8.ru/podstantsii/561-vliyanie-elektricheskogo-toka-na-cheloveka.html.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Пособие для вузов. – 7-е изд. – М.: Высш. шк., 2002. – 542 с.

3. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие / Е.Н. Френкель. – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с.

4. Электрический ток // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA.

Код для цитирования: Скопировать