Что такое электрический ток определение характеристики виды

Основные определения

Существует 2 основных определения данного явления: классическое и приводимое в академических учебниках. Суть каждого из них следующая:

• Классическое определение электрического тока гласит, что он представляет собой направленное строго упорядоченное движение частиц, обладающих зарядом;
• В академических учебных пособиях указывается, что электрический ток – это скорость, с которой заряд изменяется с течением определенного времени.

Из двух данных определений первое наиболее часто применяемое, второе – используется реже, так как не описывает сути природы электротока.

Что такое электрический ток и напряжение

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда). Носителями электрического тока являются электроны (в металлах и газах), катионы и анионы (в электролитах), дырки при электронно-дырочной проводимости. Данное явление проявляется созданием магнитного поля, изменением химического состава или нагреванием проводников. Основными характеристиками тока являются:

• сила тока, определяемая по закону Ома и измеряемая в Амперах (А), в формулах обозначается буквой I;
• мощность, согласно закону Джоуля-Ленца, измеряемая в ваттах (Вт), обозначается буквой P;
• частота, измеряемая в герцах (Гц).

Электрический ток, как носитель энергии используют для получения механической энергии с помощью электродвигателей, для получения тепловой энергии в отопительных приборах, электросварке и нагревателях, возбуждения электромагнитных волн различной частоты, создания магнитного поля в электромагнитах и для получения световой энергии в осветительных приборах и различного рода лампах.

Напряжение – это работа, совершаемая электрическим полем для перемещения заряда в 1 кулон (Кл) из одной точки проводника в другую. Исходя из данного определения, все-таки сложно осознать, что же такое напряжение.

Чтобы заряженные частицы перемещались от одного полюса к другому, необходимо создать между этими полюсами разность потенциалов (именно она и именуется напряжением). Единицей измерения напряжения является вольт (В).

Для окончательного понимания определения электрического тока и напряжения, можно привести интересную аналогию: представьте, что электрический заряд – это вода, тогда давление воды в столбе – это и есть напряжение, а скорость потока воды в трубе – это сила электрического тока. Чем выше напряжение, тем больше сила электрического тока.

Если менять полярность потенциалов, то направление протекания электрического тока меняется. Именно такой ток и называется переменным. Количество изменений направления за определенный промежуток времени называется частотой и измеряется, как уже было сказано выше, в герцах (Гц). Например, в стандартной электрической сети в нашей стране частота равна 50 Гц, то есть направление движения тока за секунду меняется 50 раз.

Когда упорядоченное движение заряженных частиц имеет всегда только одно направление, то такой ток именуется постоянным. Постоянный ток возникает в сети постоянного напряжения, когда полярность зарядов с одной и другой стороны постоянна во времени. Его очень часто используют в различных электронных устройствах и технике, когда не требуется передача энергии на большое расстояние.

Источники электрического тока

Источником электрического тока обычно называется прибор или устройство, с помощью которого в цепи можно создать электрический ток. Такие устройства могут создавать как переменный ток, так и постоянный. По способу создания электрического тока они подразделяются на механические, световые, тепловые и химические.

Механические источники электрического тока преобразуют механическую энергию в электрическую. Таким оборудованием являются различного рода генераторы, которые за счет вращения электромагнита вокруг катушки асинхронных двигателей вырабатывают переменный электрический ток.

Световые источники преобразуют энергию фотонов (энергию света) в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников при воздействии на них светового потока выдавать напряжение. К такому оборудованию можно отнести солнечные батареи.

Тепловые – преобразуют энергию тепла в электричество за счет разности температур двух пар контактирующих полупроводников – термопар. Величина тока в таких устройствах напрямую связана с разностью температур: чем больше разница – тем больше сила тока. Такие источники применяются, например, в геотермальных электростанциях.

Химический источник тока производит электричество в результате химических реакций. Например, к таким устройствам можно отнести различного рода гальванические батареи и аккумуляторы. Источники тока на основе гальванических элементов обычно применяются в автономных устройствах, автомобилях, технике и являются источниками постоянного тока.

Где применяется электрический ток

Данное явление нашло широкое применение в таких областях человеческой цивилизации, как:

• Промышленность;
• Сельское хозяйство;
• Коммунальное хозяйство;
• Банковская сфера;
• Транспорт;
• Информационные технологии.

Кроме данных областей, электричество является основой быта любого современного человека – без него невозможно функционирование бытовых приборов, аудио,- и видеотехники, внутреннего и наружного освещения, отопительных котлов, охранного оборудования и других потребителей электроэнергии.

Преобразование переменного тока в постоянный

Электрические устройства в мире используют постоянный и переменный ток. Поэтому возникает потребность в том, чтобы преобразовывать один ток в другой или наоборот.

Из переменного тока можно получить постоянный ток с помощью диодного моста или, как его еще называют, «выпрямителя». Основной частью выпрямителя является полупроводниковый диод, который проводит электрический ток только в одном направлении. После этого диода ток не изменяет своего направления, но появляются пульсации, которые устраняют при помощи конденсаторов и других фильтров.  Выпрямители бывают в механическом, электровакуумном или полупроводниковом исполнении.

В зависимости от качества изготовления такого устройства, пульсации тока на выходе будут иметь разное значение, как правило, чем дороже и качественнее сделан прибор – тем меньше пульсаций и чище ток. Примером таких устройств являются блоки питания различных приборов и зарядные устройства, выпрямители электросиловых установок в различных видах транспорта, сварочные аппараты постоянного тока и другие.

Для того, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный используются инверторы. Такие приборы генерируют переменное напряжение с синусоидой. Существует несколько видов таких аппаратов: инверторы с электродвигателями, релейные и электронные. Все они отличаются друг от друга по качеству выдаваемого переменного тока, стоимости и размерам.

Условия, необходимые для получения электротока

Основными условиями образования электрического тока являются следующие:

• Наличия источника – соединенного с турбиной генератора, аккумуляторной или солнечной батареей.
• Достаточное количество свободных заряженных частиц в проводнике;
• Электрическое поле, создаваемое источником питания и являющееся той сторонней силой, которая упорядочивает движение зарядов в проводнике и цепи;
• Замкнутая цепь, концы которой подключены к полюсам источника питания.

Только наличие всех данных условий гарантирует, что такое явление, как электрический ток, будет длительно протекать в той или иной цепи, запитывая различных потребителей.

Где используется и в чём преимущества переменного и постоянного тока

Для выполнения различных задач может потребоваться использование как переменного тока, так и постоянного. У каждого вида тока есть свои недостатки и достоинства.

Переменный ток чаще всего используется тогда, когда присутствует необходимость передачи тока на большие расстояния. Такой ток передавать целесообразнее с точки зрения возможных потерь и стоимости оборудования. Именно поэтому в большинстве электроприборов и механизмов используется только этот вид тока.

Жилые дома и предприятия, инфраструктурные и транспортные объекты находятся на расстоянии от электростанций, поэтому все электрические сети – переменного тока. Такие сети питают все бытовые приборы, аппаратуру на производствах, локомотивы поездов. Приборов, работающих на переменном токе невероятное количество и намного проще описать те устройства, в которых используется постоянный ток.

Постоянный ток используется в автономных системах, таких, например, как бортовые системы автомобилей, летательных аппаратов, морских судов или электропоездов. Он широко используется в питании микросхем различной электроники, в средствах связи и прочей технике, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций или исключить их полностью.

В ряде случае, такой ток используется в электросварочных работах с помощью инверторов. Существуют даже железнодорожные локомотивы, которые работают от систем постоянного тока. В медицине такой ток используется для введения лекарств в организм с помощью электрофореза, а в научных целях для разделения различных веществ (электрофорез белков и прочее).

Электрический ток в разных средах

В металлах

В металлах протекание тока происходит, благодаря движению таких отрицательно заряженных частиц, как электроны. При подключении к проводнику из меди, алюминия источника питания данные частицы движутся от его отрицательного полюса к положительному или от фазы к нулю.

В полупроводниках

В полупроводниках (кремний, германий) основными носителями зарядов являются отрицательно заряженные электроны и обладающие положительным зарядом «дырки». Избыток электронов образуется при введении в материал донорной примеси n-типа с большим, по сравнению с исходным веществом, количеством электронов на внешнем электронном уровне.

Протекание тока осуществимо в материалах на примере самой простой полупроводниковой радиодетали (диода), состоящей из двух пластинок кремния с введенными в них примесями n и p-типа. При этом пластинка с примесью n-типа называется катод, p-типа – анод.

При подключении к катоду отрицательного полюса источника питания, а к аноду – положительного, вследствие притяжения электронов из области n-типа плюсом батареи в цепи начнет протекать ток. При подключении питания к диоду в обратной полярности ток протекать не будет – электроны катода будут притягиваться к положительному полюсу батареи, «дырки» анода – к отрицательному.

В вакууме и газе

В обычном состоянии газы являются типичными диэлектриками. Однако при воздействии на газ высокой температуры, ультрафиолетового или рентгеновского излучения он подвергается ионизации – находящиеся в нем атомы теряют свои электроны или притягивают (захватывают) их из соседних атомов. Вследствие данного эндотермического процесса атомы газа теряют свою электронейтральность, и из них образуются такие носители зарядов, как ионы (анионы – отрицательно заряженные и катионы – положительно заряженные).Сам газ в таком состоянии называется плазмой.

В жидкости

В жидкостях, обладающих электрической проводимостью (электролитах), основными носителями зарядов являются ионы, образующиеся при электролитической диссоциации солей.

Обозначения на электроприборах и схемах

Часто возникает потребность в том, чтобы определить на каком токе работает устройство. Ведь подключение устройства, работающего на постоянном токе в электрическую сеть переменного тока, неминуемо приведет к неприятным последствиям: повреждению прибора, возгоранию, электрическому удару. Для этого в мире существуют общепринятые условные обозначения для таких систем и даже цветовая маркировка проводов.

Условно, на электроприборах, работающих на постоянном токе указывается одна черта, две сплошных черты или сплошная черта вместе с пунктирной, расположенные друг под другом. Также такой ток маркируется обозначением латинскими буквами DC. Электрическая изоляция проводов в системах постоянного тока для положительного провода окрашена в красный цвет, отрицательного в синий или черный цвет.

На электрических аппаратах и машинах переменный ток обозначается английской аббревиатурой AC или волнистой линией. На схемах и в описании устройств его также обозначают двумя линиями: сплошной и волнистой, расположенных друг под другом. Проводники в большинстве случаев обозначаются следующим образом: фаза – коричневым или черным цветом, ноль – синим, а заземление желто-зеленым.

Опасность электрического тока

Помимо полезных свойств, ток – это также достаточно опасное для человеческого здоровья и жизни явление. Так, при соприкосновении с оголенным проводником, в котором величина силы тока свыше 0,1 Аи напряжения – 100 В, возможны серьезные электротравмы, повреждения внутренних органов и даже остановка сердца.

Таким образом, знание природы и сути такого явления, как электрический ток (сокращенно эл ток это), позволяет не только понять, как он протекает по тем или иным веществам, но и осознать опасность данного явления для человеческого здоровья при неаккуратном обращении с находящимися под напряжением проводниками, вышедшими из строя электроприборами.