Электрический ток

Электрон в переводе с греческого — янтарь. Еще с давних времен были обнаружены последствия электростатики. Например, если потереть янтарь о какую-либо ткань, то он начнет притягивать легкие кусочки бумаги. Это называется электризация. Но как именно это происходит и что такое электрический ток?

Движение электронов

Электрический ток — упорядоченное движение электрических зарядов.

Каким образом электроны двигаются в одном направлении? Для этого необходимо создать в проводнике электрическое поле. Как это можно сделать? Достаточно соединить проводник к источнику, например, к аккумулятору или батарейке.

Классический химический источник состоит из медной и цинковой пластинок. Эти пластины называются электродами. Они помещаются в раствор серной кислоты, так называемый электролит. По итогу получается химическая реакция между этими тремя компонентами. На цинковой платине начинают скапливаться избытки свободных электронов — это отрицательный заряд. На медной пластине наоборот, происходит дефицит электронов и так формируется положительный заряд.

Между такими двумя разноименными зарядами появляется электрическое поле. Это поле называется ЭДС (электродвижущая сила).

Полюсы источника имеют плюс и минус. Они обозначаются на принципиальных схемах довольно просто: короткая линия — это отрицательный полюс, а длинная — положительный.

Когда проводник подключается к плюсу и минусу источника питания, в нем появляется электрическое поле, под силой которого свободные электроны начинают двигаться к тому месту, где есть их недостаток — к положительному полюсу источника. Так и проходит упорядоченное движение свободных электронов в цепи — это и есть электрический ток. Носители заряда проходят через проводник по простой причине — в цепи действует электродвижущая сила.

Простая электрическая цепь состоит их лампочки и источника.

Эту простейшую цепь можно разделить на внешний и внутренний участок. Внешний участок — это все то, что подключается к полюсам источника тока. (провода, лампочки). Внутренний — это та часть электрической цепи, которая заключена внутри непосредственно источника электрического тока.

Замкнутая цепь — обязательно условие для электрического тока. Если цепь разомкнута — ток в ней не течет.

Источники тока

Электрический ток может вырабатываться различными источниками.

  • Переменное магнитное поле. Если в проводнике постоянно менять магнитное поле, то в нем появится электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Так работают генераторы тока на электростанциях (АЭС, ТЭЦ, ГЭС, ветряные генераторы).

  • Солнечные батареи. Фотоны света выбивают электроны из валентных уровней атомов полупроводников.

  • Химические источники. Аккумуляторы, батареи и другие гальванические элементы.

  • Тепловые источники. Во время воздействия тепла электроны начинают покидать свои атомы, тем самым создавая ЭДС.

  • Радиация. При радиации частицы распадаются. А вместе с частицами и носители заряда, формируя разницу потенциалов.

  • Пьезоэлектрические источники. Некоторые материалы способны вырабатывать электрический ток при воздействии внешних сил, например, давлении. Такие материалы называют пьезоэлектриками.

Как себя могут вести разноименные заряды вне цепи, закон Кулона

Например, можно зарядить подвешенные на шелковые нити шарики заряженными разными зарядами. Один шарик положительно, другой — отрицательно. Между ними будет диэлектрик — воздух. Эти шарики будут притягиваться друг к другу под действием электрического поля, однако тока между ними не будет из-за того, что у воздуха слишком большое сопротивление.

Разноименные заряды притягиваются, одноименные — отталкиваются.

В то же время, можно повысить напряжение между этими шариками, дополнительно зарядив их и произойдет пробой воздуха. ЭДС будет настолько велико, что сопротивление воздушной среды уже не препятствие для тока. Произойдет кратковременная искра — и шарики разойдутся друг от друга под действием гравитации. Электричество прошло, и разноименные заряды прекратили свое существование. Это статическое электричество.

Такой опыт можно произвести с любой шелковой или синтетической одеждой. Например, если потереть руку об такой материал, то потом, приближая руку к синтетике можно заметить и даже почувствовать электрическое поле. Волосы начнут в прямом смысле подниматься от нахождения возле поля. Эти поля достигают сотни тысяч киловольт, даже миллионы. Токи в таких участках небольшие — доли микроампер.

В электростанциях и распределительных цепях, электричках точно так же есть сотни тысяч вольт, но там уже не микроамперы, а десятки тысяч ампер. Это очень опасные значения, и поэтому все расстоянии между проводами и их сопротивления тщательно рассчитываются. У воздуха не бесконечное сопротивление. С точки зрения цепи — обрыв это бесконечное сопротивление, ток не идет никуда.

Но это идеальные условия, теория. Не учтены соседние электрические цепи, сопротивления изоляции их проводников, питающие напряжение и многое другое. Это очень обширная тема. Очень важную роль играет частота.

Теория относительности

Допустим, есть три шарика.

Один из них заряжен на +15В, второй на +5В, а третий — 0. Кто из них будет положительнее, а кто отрицательнее? Вся материя состоит из молекул. Молекулы в свою очередь состоят из атомов.

Атомы имеют различные свойства, но у каждого есть протон и электрон и почти у каждого в добавок к перечисленному — нейтрон. Что определяет заряд атома? Это компенсирование зарядов электронов и протонов. Электрон это минус, а протон — плюс. Если есть недостаток электронов, то атом положительно заряжен, если переизбыток — отрицательно. Почему так происходит? Это результат физических свойств атомов, окружающей среды и взаимодействия с другими материалами. Например, валентные электроны могут покидать атомы, тем самым делая его положительным.

Третий шарик, который нейтрален (у него протоны и электроны скомпенсированы) будет отрицательным по отношению к первым двум. Потому, что относительно тех шариков, у этого шарика больше электронов. Положительные стремятся заполучить их и притягиваются к нему. А что насчет двух положительных шариков? Тот, кто менее положительный — становится отрицательным. Если вычесть значение второго шарика из остальных, то получится следующая ситуация: у первого шарика +10В, у второго 0В, а у третьего -5В.

Относительно первого шарика остальные два стали отрицательными, и разница потенциалов увеличилась. Поэтому, если два каких-либо тела оба положительно (или отрицательно) заряжены с разницей, они могут быть относительно друг друга разноименными.

Это не противоречит закону Кулона, описанному выше. Два положительных (или отрицательных) шарика будут отталкиваться друг от друга, когда они одинаково заряжены. То есть, если есть два шарика +5В и +5В они начнут отталкиваться, но если они будут +4В и +5В — начнут притягиваться, пока не компенсируют заряды друг друга до одного значения (+4,5 В). Относительно 0 они все так же остаются положительно заряженными телами.

Как определить наличие тока в цепи

Когда электричество проходит через цепь, могут наблюдаться следующие явления:

  • Появление магнитного поля. Носители заряда образуют магнитное поле вокруг проводника. Магнитное поле является частью электромагнитного поля, благодаря которому носители заряда взаимодействуют друг с другом. Если электричество постоянное, то и магнитное будет аналогичным. При переменном электрическом токе магнитное поле так же переменно. Носители зарядов направляют свои домены в одну сторону, благодаря чему и появляется магнитное поле.
  • Выделение тепла. Когда носители заряда проходят по цепи, то они сталкиваются с атомами, другими электронами. Из-за сопротивления материала выделяется тепловая мощность. Происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Только сверхпроводники практически лишены этого явления.
  • Химические реакции. Разложение электролита, выделение водорода при прохождении ионов или электронов и т.п. Простейший пример — аккумуляторы, батарейки.
  • Излучение света. В лампах накаливания при прохождении электронов по цепи появляется свет.

В какую сторону двигается ток

Электроны в проводнике двигаются от отрицательного контакта (их избыток) к положительному (их недостаток). Исторически сложилось, что было принято считать наоборот — электричество течет от положительного контакта к отрицательному. Это условное направление тока, которые было положено учеными в основу правил объясняющие происходящие электрические явления (например, поведение магнитных полей).

На основе такой условности было написано достаточно много теории и книг, которые переписывать не имеет смысла из-за другого направление тока. Эта условность не создает никаких проблем, если помнить, что направление электричества в проводниках противоположно направлению движения электронов. На самом деле особой путаницы и нет. Все зависит от той среды, в которой электричество протекает.

Например, в проводе это чаще всего только свободные электроны, в химических источниках это положительные и отрицательные ионы (атомы с избытком и недостатком электронов). В полупроводниках это так называемые «дырки» (это атом с недостатком электронов), которые создают поток положительных зарядов. В таких случаях вообще противоречий нет так как направление движения положительных зарядов аналогично направлению тока.

Электрическое поле выполняет работу по перемещению заряда по цепи. Когда происходит такая работа, то в цепи возникает магнитное поле и тепло. Тепло из-за того, что электроны начинают сталкиваться с атомами проводника. Иногда благодаря этому происходит явление эмиссии. Это когда электрон выбивает из атома другой электрон, и он может выскочить со своей орбиты или под действием тепла, или под действием напряжения. Различают электронную и термоэлектронную эмиссии.

Такие явление получили широкое применение. Например, они используются в лампочках накаливания, кинескопных телевизорах, вакуумных трубках (диоды, триоды, тетроды) и т.д.

Закон Ома

Ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Чем больше напряжение — тем больший проходит ток, чем меньше — наоборот.

То же самое и с сопротивлением — чем меньше сопротивление — тем больше пройдет ток. Соответственно, чем больше сопротивление, тем меньше пройдет ток

Зная все эти пропорции можно рассчитать все необходимые значения. Ток измеряется в амперах (А), и обозначается l, напряжение в вольтах (В) и U, сопротивление (Ом) и R.

ЭДС обозначается буквой Е. Как и напряжение, ЭДС измеряется в вольтах (В).

Также существует определение, которое противоположно сопротивлению — проводимость. Измеряется в сименсах, См. Русское обозначение См. Зарубежное — S.

Мощность — это напряжение перемноженное на проходящий ток. Характеризует скорость преобразования электрической энергии. Обозначается как P. Измеряется в ваттах (Вт).

В чем разница между ЭДС и напряжением

Напряжение — это следствие прохождение электрического тока по цепи. Оно возникает на участках с сопротивлением на пути у электрического тока. Все то, что имеет сопротивление — имеет и напряжение при прохождении тока.


Сумма всех напряжений на цепи = ЭДС. Это второй закон Кирхгофа. Электродвижущая сила — это и есть причина движения электронов по цепи. Она так и называется, электродвижущая сила.

Почему тогда на батарейках или аккумуляторах, или в любом другом источнике указывается напряжение, а не ЭДС? Дело в том, что в идеальном источнике нет внутреннего сопротивления. В качестве внутреннего сопротивления могут быть контакты, материалы, химические реакции, реактивные сопротивления. И так как они имеют сопротивление, то при прохождении через них электрического тока, на них появляется напряжение. Поэтому, в вольтах на клеммах источника тока указывается как напряжение, а не электродвижущая сила.

Практически нулевое сопротивление может быть только у сверхпроводников.

Эта путаница в понятиях часто вводит в заблуждение, такие как «Если напряжение — это следствие прохождение тока, то почему напряжение — это причина движения зарядов?». Причина прохождения электрического тока в цепи это ЭДС. Следствие прохождения тока по цепи на отельных участках — это возникновение напряжения. Напряжение всей цепи равно ЭДС. В бытовом плане не принято использовать термин ЭДС, в этом нет особой необходимости. Например, электродвижущая сила какого-нибудь аккумулятора равна 4,88 В, а напряжение на его клеммах 4,85 В. Стоит ли использовать значения электродвижущей силы, если несколько процентов вольт все равно останутся на клеммах источника?

Скорость электричества

Как быстро двигаются электроны в проводнике? Скорость перемещения электричества практически равна скорости света. Но тут важное уточнение — это движение всех электронов цепи. По отдельности электроны перемещаются за одну секунду на всего лишь 0,1 мм. Дело в том, что скорость распространения электрического поля равна скорости света (это по сути, одно и тоже). И электроны начинают двигаться одновременно на двух концах проводника. Сами по себе они не двигаются с такой скоростью.

Если два человека на расстоянии в 1000 километров друг от друга по рации свяжутся и начнут синхронно идти то, это не значит, что их скорость 1000 километров в секунду. Они просто получили информацию о движении. То же самое и в проводнике — триллионы электронов одновременно получают энергию от поля и начинают движение друг за другом.

А если носители заряда пустить через вакуум? В вакууме нет воздуха, и как следствие — нет сопротивления и материи. В зависимости от подаваемого напряжения, носителя заряда можно ускорять или замедлять. На таком принципе построена электронная пушка. Она используется, например, в аналоговых осциллографах, старых телевизора, иконоскопах и т.п.

Постоянное и переменное электричество

Аккумуляторы и батареи — это источники тока, которые вырабатывают ток в одном направлении. Такой ток называется постоянным. Он протекает в одном направлении, и единственный способ изменить это — поменять полюсы питания местами. Ток пойдет в другую сторону по цепи.

Что будет, если полюсы источника меняются местами очень быстро и с ритмом? Электроны во внешнем участке цепи тоже начнут попеременно двигаться, меняя свое направление. В первое время они потекут в одну сторону, а затем, когда полюсы источника поменяются местами — они будут перемещаться в другую, обратную предыдущему и так далее. В цепи будет не постоянный, а переменный ток.

В проводах электросети переменный, а не постоянный ток. Для его выработки используют генераторы. Знаки зарядов на полюсах электрических генераторов непрерывно и плавными периодами меняются местами. Сначала это положительный, а через долю секунд — уже отрицательный. Это происходит плавно, если речь идет о синусоиде. Напряжение и значение тока в цепи также периодически меняются, в соответствии с направлением зарядов. При переменном электричестве носители заряда (электроны или ионы) колеблются в разные противоположные стороны.

У переменного тока следующие параметры:

  • Амплитуда. Максимальное значение тока во время полупериода
  • Фаза. Состояние и форма напряжения.

  • Период. Это время, за которое происходит одно законченное колебание. Время половины колебания — полупериод;
  • Частота. Количество периодов, совершенных за 1 секунду;
  • Действующее (эффективное) значение. Это то значение, которое используется как эталон при измерении работы. Например, амплитуда напряжения может быть равна 308 В, но она действует кратковременно. Поэтому, работа переменного электричества измеряется как работа постоянного тока. То есть, по факту в цепи переменного тока может быть и 300 В, но по работе (мощности, выделяемому теплу) он аналогичен постоянному 200 В. В розетках 220 на самом деле далеко не 220 В. 220 В — это значения постоянного напряжения, аналогичное по работе с переменным 308 В. Поэтому, существую такие понятия, как амплитудное и действующее напряжения.

Переменный ток легко преобразовать в более высокое или низкое напряжение с помощью трансформатора, в отличие от постоянного. Благодаря этому свойству, так намного экономичнее передать электроэнергию на большие расстояния. А если нужно, переменный выпрямляется в постоянный с помощью простого выпрямителя.

Немного об информации и сигналах

Переменное напряжение включает в себя импульсные, пульсирующие, сигнальные, пилообразные напряжения. Они могут быть различной формы, фазы и полярности, но они остаются переменными.

При помощи электричества можно передавать информацию, делать вычисления.

У импульсного напряжения есть фронт, срез, период, частота, длительность импульса, длительность спада импульса, скважность и т.д.

Существует аналоговая и цифровая техника. Аналоговая — это сигнал, который меняет свои свойства в течение времени. Информация передается непрерывно и во всех возможных значениях.

Цифровая техника основана на кодировке информации при помощи различных систем счисления. В отличие от аналогово сигнала, цифровой сигнал или есть, или нет, его параметры одинаковы.

Простой пример аналогово сигнала это речь. Она бывает разной интонации, громкости, внятности. Если два человека общаются в комнате, то они максимально понимают друг друга. А если общение происходит на фоне какого-то шума или ветра? Если слово зашифровано в двоичном коде, то оно потеряет минимум информации. Достаточно записать череду нулей и единиц «да, нет», чтобы получить послание. И после этого расшифровать сообщение. Можно прочитать своим голосом переданное сообщение, или же попросить кого-либо другого.

Таким образом и работает ЦАП и АЦП. Сигналы преобразовываются и передаются с минимальной потерей информации. Аналоговые сигналы на порядок уступают цифровым в плане передачи информации.

Опасность электричества

Электричество по-разному влияет на.объекты. Например, оно может нанести ожоги, или же из-за его действий (электростатика, мелкая искра) может произойти пожар, замыкание. Человека убивает ток примерно равный 400 мА. Сопротивление кожи у каждого индивидуально. Если кожа мокрая, то сопротивление понижается в сотни раз. Переносимость ударов тока тоже разная.

Опаснее всего переменный ток. Если постоянный может ударить и отбросить, то переменный действует с частотой. Мышцы тела будут попеременно испытывать судороги. Самостоятельно «отключить» себя от переменного тока намного сложнее, чем от постоянного. К тому же, не стоит забывать про емкость и индуктивность. Амплитудные значения переменного тока в 1,4 раза выше, чем эффективные, поэтому воздействие будет еще фатальные. (вместо 220В будут все 308В).

Предыдущая запись Для чего и зачем нужен паяльный флюс
Следующая запись Подборка схем на TDA

Ваш комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *