Електричество

Какво е електрически ток

Електричество — насочено движение на електрически заредени частици под въздействие електрическо поле… Такива частици могат да бъдат: в проводници — електрони, в електролити — йони (катиони и аниони), в полупроводници — електрони и т.нар «дупки» („проводимост на електронни дупки“). Има и «ток на пристрастие», чийто поток се дължи на процеса на зареждане на капацитета, тоест от промяна в потенциалната разлика между плочите. Между плочите не се получава движение на частици, но токът тече през кондензатора.

В теорията на електрическите вериги токът се счита за насочено движение на носители на заряд в проводима среда под действието на електрическо поле.

Токът на проводимост (само ток) в теорията на електрическите вериги е количеството електричество, протичащо за единица време през напречното сечение на проводник: i = q /T, където i — текущ. А; q = 1,6·109 — електронен заряд, С; t — време, s.

Този израз е валиден за DC вериги. За вериги с променлив ток се използва т. Нар. Моментна стойност на тока, равна на скоростта на промяна на заряда във времето: i (t) = dq /dt.

Първото условие за дългосрочното съществуване на електрически ток от разглеждания тип е наличието на източник или генератор, който поддържа разликата в потенциала между носителите на заряд. Второто условие е затвореността на пътя. По -специално, за съществуването на постоянен ток е необходимо да има затворен път, по който зарядите могат да се движат във веригата, без да променят стойността си.

Както знаете, в съответствие със закона за запазване на електрическите заряди, те не могат да бъдат създадени или изчезнали. Следователно, ако всеки обем от пространството, където протичат електрически токове, е заобиколен от затворена повърхност, токът, протичащ в този обем, трябва да бъде равен на тока, изтичащ от него.

Повече за това: Условия за съществуване на електрически ток

Затвореният път, през който протича електрически ток, се нарича електрическа верига или електрическа верига. Електрическа верига — разделена на две части: вътрешната част, в която електрически заредените частици се движат срещу посоката на електростатичните сили, и външната част, в която тези частици се движат по посока на електростатичните сили. Краищата на електродите, към които е свързана външната верига, се наричат ​​скоби.

И така, електрически ток възниква, когато електрическо поле се появи на участък от електрическа верига, или потенциална разлика между две точки на проводник. Потенциална разлика между две точки електрическа верига са наречени напрежение или спад на напрежението в този участък от веригата.

Вместо термина «ток» («текуща величина») често се използва терминът «сила на тока». Последното обаче не може да се нарече успешно, тъй като силата на тока не е никаква сила в буквалния смисъл на думата, а само интензивността на движение на електрически заряди в проводника, количеството електричество, преминаващо за единица време през кръста- площ на напречното сечение на проводника.
Характеризира се течението сила на тока, който в системата SI се измерва в ампери (A), и плътност на тока, който в системата SI се измерва в ампера на квадратен метър.

Един ампер съответства на движението през напречното сечение на проводника за една секунда (и) на заряд от електричество в размер на един кулон (С):

1A = 1C / s.

В общия случай, обозначавайки тока с буквата i и заряда q, получаваме:

i = dq / dt.

Единицата за ток се нарича ампер (А).

Ампер (А) — силата на постоянен ток, който при преминаване през два паралелни праволинейни проводника с безкрайна дължина и незначително сечение, разположени във вакуум на разстояние 1 м един от друг, създава между тези проводници 2·10-7 H за всеки метър дължина.

Токът в проводника е 1 А, ако електрически заряд, равен на 1 кулон, премине през напречното сечение на проводника за 1 сек.

Ориз. 1. Насочено движение на електрони в проводник

Ако напрежение действа по проводника, тогава вътре в проводника възниква електрическо поле. С напрегнатост на поле E, сила f = Ee действа върху електрони със заряд e. Количествата е и E са векторни. По време на свободния път електроните придобиват насочено движение заедно с хаотично. Всеки електрон има отрицателен заряд и получава компонента на скоростта, противоположна на вектора E (фиг. 1). Подреденото движение, характеризиращо се с определена средна скорост на електроните vcp, определя потока на електрически ток.

Електроните могат да имат насочено движение в разредени газове. В електролити и йонизирани газове, токът се дължи главно на движението на йони. В съответствие с факта, че положително заредените йони се движат от положителния полюс към отрицателния в електролитите, исторически посоката на тока се приема за противоположна на посоката на движение на електроните.

Посоката на тока се приема като посоката, в която се движат положително заредените частици, т.е. посока, противоположна на движението на електроните.
В теорията на електрическите вериги посоката на тока в пасивна верига (извън източниците на енергия) се приема като посока на движение на положително заредени частици от по -висок потенциал към по -нисък. Тази посока е взета в самото начало на развитието на електротехниката и противоречи на истинската посока на движение на носители на заряд — електрони, движещи се в проводящи среди от минус към плюс.

Посоката на електрическия ток в електролита и свободните електрони в проводника

Количеството, равно на отношението на тока към площта на напречното сечение S, се нарича плътност на тока: I / S

В този случай се приема, че токът е равномерно разпределен по напречното сечение на проводника. Плътността на тока в проводниците обикновено се измерва в A / mm2.

По вида на носителите на електрически заряди и средата на тяхното движение те се разграничават проводими токове и изместващи токове… Проводимостта е разделена на електронна и йонна. За стационарни режими се разграничават два типа токове: директен и променлив.

Прехвърляне на токов удар се нарича феномен на прехвърляне на електрически заряди от заредени частици или тела, движещи се в свободното пространство. Основният вид електрически ток на пренасяне е движението в кухината на елементарни частици с заряд (движението на свободни електрони в електронни тръби), движението на свободни йони в газоразрядни устройства.

Ток на изместване (ток на поляризация) наречено подредено движение на свързани носители на електрически заряди. Този тип ток може да се наблюдава при диелектрици.

Пълен електрически ток — скаларна стойност, равна на сумата от тока на електрическа проводимост, електрически ток на прехвърляне и електрически ток на изместване през разглежданата повърхност.

Постоянен се нарича ток, който може да се променя по величина, но не променя знака си за произволно дълго време. Прочетете повече за това тук: DC

Ток на намагнитване — постоянен микроскопичен (ампер) ток, който е причина за съществуването на присъщо магнитно поле на намагнетизираните вещества.

Променливи наричан ток, който периодично се променя както по величина, така и по знак. Величината, характеризираща променливия ток, е честотата (в системата SI се измерва в херци), в случай, че силата му се променя периодично.

Високочестотен променлив ток се измества върху повърхността на проводника. Високочестотните токове се използват в машиностроенето за термична обработка на повърхности на части и заваряване, в металургията за топене на метали. Променливите токове са разделени на синусоидален и несинусоидален… Синусоидален ток е ток, който се променя според хармоничен закон:

i = грех wt,

където съм, — пикова (най -висока) текуща стойност, А,

Скоростта на промяна на променливия ток се характеризира със своята честота, определен като броя на пълните повтарящи се трептения за единица време. Честотата се обозначава с буквата f и се измерва в херци (Hz). Така че честотата на тока в мрежата 50 Hz съответства на 50 пълни трептения в секунда. Ъгловата честота w е скоростта на промяна на тока в радиани в секунда и е свързана с честотата чрез проста връзка:

w = 2pi f

Стационарни (фиксирани) стойности на постоянни и променливи токове означават с главна буква I нестационарни (мигновени) стойности- с буквата i. Обикновено положителната посока на тока е посоката на движение на положителни заряди.

Променлив ток Това е ток, който се променя според синусоидалния закон с течение на времето.

Променлив ток също означава ток в конвенционални еднофазни и трифазни мрежи. В този случай параметрите на променливия ток се променят според хармоничния закон.

Тъй като променливият ток се променя с течение на времето, прости решения, подходящи за вериги с постоянен ток, не са пряко приложими тук. При много високи честоти зарядите могат да се колебаят — да текат от едно място във веригата на друго и обратно. В този случай, за разлика от DC веригите, токовете в последователно свързани проводници могат да бъдат неравни.

Капацитетите, присъстващи в променливотоковите вериги, подобряват този ефект. Освен това, когато токът се променя, се усещат ефектите на самоиндукция, които стават значими дори при ниски честоти, ако се използват бобини с висока индуктивност.

При относително ниски честоти AC веригата все още може да бъде изчислена с помощта Правилата на Кирхофкоито обаче трябва да бъдат съответно изменени.

Верига, съдържаща различни резистори, индуктори и кондензатори, може да се разглежда като обобщен резистор, кондензатор и индуктор, свързани последователно.

Помислете за свойствата на такава верига, свързана към синусоидален генератор на променлив ток. За да формулирате правилата за изчисляване на променливи вериги, трябва да намерите връзката между спада на напрежението и тока за всеки от компонентите на такава верига.

Кондензатор играе напълно различни роли в AC и DC вериги. Ако например към веригата е свързана електрохимична клетка, тогава кондензаторът ще започне да се зареждадокато напрежението в него стане равно на ЕРС на елемента. Тогава зареждането ще спре и токът ще падне до нула.

Ако веригата е свързана към алтернатор, тогава в един полупериод, електроните ще изтичат от лявата плоча на кондензатора и ще се натрупват отдясно, а в другата — обратно.

Тези движещи се електрони представляват променлив ток, чиято сила е еднаква от двете страни на кондензатора. Докато AC честотата не е много висока, токът през резистора и индуктора също е един и същ.

В устройства, консумиращи променлив ток, променливият ток често се коригира токоизправители за получаване на постоянен ток.

Проводници за електрически ток

Електрическият ток във всичките му форми е кинетично явление, аналогично на потока на течности в затворени хидравлични системи. По аналогия процесът на движение на ток се нарича «поток» (текущи потоци).

Материалът, в който протича токът, се нарича проводник… Някои материали преминават в свръхпроводимост при ниски температури. В това състояние те не показват почти никакво съпротивление на тока, съпротивлението им се стреми към нула.

Във всички останали случаи проводникът се съпротивлява на потока на тока и в резултат на това част от енергията на електрическите частици се превръща в топлина. Силата на тока може да бъде изчислена чрез Законът на Ом за сечението на веригата и закона на Ом за цялата верига.

Скоростта на движение на частиците в проводниците зависи от материала на проводника, масата и заряда на частицата, температурата на околната среда, приложената потенциална разлика и е много по -малка от скоростта на светлината. Въпреки това скоростта на разпространение на самия електрически ток е равна на скоростта на светлината в дадена среда, тоест скоростта на разпространение на фронта на електромагнитна вълна.

Как токът влияе върху човешкото тяло

Ток, преминал през човешко или животинско тяло, може да причини електрически изгаряния, фибрилация или смърт. От друга страна, електрическият ток се използва в интензивното лечение, за лечение на психични заболявания, особено депресия, електрическата стимулация на определени области на мозъка се използва за лечение на заболявания като болестта на Паркинсон и епилепсията, пейсмейкър, който стимулира сърдечен мускул с импулсен ток се използва за брадикардия. При хора и животни токът се използва за предаване на нервни импулси.

От съображения за безопасност минималният възприемчив ток за човек е 1 mA. Токът става опасен за живота на човек, започвайки от сила около 0,01 А. Токът става смъртоносен за човек, започващ от сила от около 0,1 А. Напрежение по -малко от 42 V се счита за безопасно.