Электрический ток и его характеристики

Электрический ток — это упорядоченное, направленное движение электрически заряженных частиц. В металлах такими частицами являются свободные электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, в газах — ионы и электроны, в полупроводниках — электроны и так называемые дырки.

Чтобы электрический ток возник и поддерживался, нужны два основных условия:

1. Наличие свободных заряженных частиц, способных перемещаться.

2. Наличие электрического поля, которое заставляет эти частицы двигаться направленно.

Например, в металлическом проводнике свободные электроны существуют постоянно, но без источника напряжения они движутся хаотично. Если подключить проводник к батарейке или другому источнику тока, в проводнике появляется электрическое поле, и электроны начинают двигаться упорядоченно. Это и есть электрический ток.

Основные характеристики электрического тока

1. Сила тока

Сила тока показывает, какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Формула:

где:

— сила тока,

— электрический заряд,

— время.

Единица измерения силы тока — ампер, обозначается А.

Если через проводник за 1 секунду проходит заряд 1 кулон, то сила тока равна 1 амперу:

Чем больше заряд проходит через проводник за одно и то же время, тем больше сила тока.

2. Напряжение

Электрическое напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении заряда между двумя точками цепи.

Формула:

где:

— напряжение,

— работа электрического поля,

— заряд.

Единица измерения напряжения — вольт, обозначается В.

Напряжение можно представить как «причину», которая заставляет заряды двигаться по цепи. Чем больше напряжение, тем сильнее электрическое поле действует на заряженные частицы.

Например, обычная пальчиковая батарейка имеет напряжение около 1,5 В, а бытовая электрическая сеть — около 220 В.

3. Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление — это физическая величина, показывающая, насколько проводник препятствует прохождению электрического тока.

Обозначается сопротивление буквой:

Единица измерения — ом, обозначается Ом.

Сопротивление зависит от:

• материала проводника;

• длины проводника;

• площади его поперечного сечения;

• температуры.

Формула сопротивления проводника:

где:

— удельное сопротивление вещества,

— длина проводника,

— площадь поперечного сечения.

Чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление. Чем больше площадь поперечного сечения, тем сопротивление меньше.

Закон Ома

Связь между силой тока, напряжением и сопротивлением выражается законом Ома для участка цепи:

Из этой формулы следует:

и

Смысл закона Ома простой: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

То есть при увеличении напряжения сила тока возрастает, а при увеличении сопротивления сила тока уменьшается.

Постоянный и переменный ток

Электрический ток бывает постоянным и переменным.

Постоянный ток — это ток, направление и сила которого со временем не меняются или меняются очень слабо. Такой ток дают батарейки, аккумуляторы, солнечные элементы.

Обозначается постоянный ток как DC.

Переменный ток — это ток, который периодически изменяет свое направление и величину. В бытовой электрической сети используется именно переменный ток.

Обозначается переменный ток как AC.

В большинстве стран бытовая сеть имеет частоту 50 Гц. Это значит, что ток совершает 50 полных колебаний в секунду.

Направление электрического тока

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов: от положительного полюса источника к отрицательному.

Однако в металлических проводниках реальные носители заряда — электроны. Они имеют отрицательный заряд и движутся в противоположном направлении: от отрицательного полюса к положительному.

То есть условное направление тока и направление движения электронов в металле противоположны.

Действия электрического тока

Электрический ток проявляет себя через несколько основных действий.

Тепловое действие

При прохождении тока проводник нагревается. Это явление используется в электрических плитах, утюгах, кипятильниках, обогревателях, лампах накаливания.

Магнитное действие

Вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Это действие используется в электродвигателях, электромагнитах, реле, трансформаторах.

Химическое действие

При прохождении тока через растворы электролитов могут происходить химические реакции. Это используется при электролизе, гальваностегии, зарядке аккумуляторов.

Световое действие

В некоторых приборах электрический ток вызывает свечение. Например, в лампах, светодиодах, газоразрядных трубках.

Биологическое действие

Электрический ток может воздействовать на живые организмы. При больших значениях силы тока он опасен для человека, так как может вызвать ожоги, нарушение работы сердца и дыхания.

Работа и мощность электрического тока

Работа электрического тока показывает, сколько энергии передается или преобразуется при прохождении тока по цепи.

Формула:

где:

— работа,

— напряжение,

— сила тока,

— время.

Единица измерения работы — джоуль, обозначается Дж.

Мощность электрического тока показывает, какая работа совершается током за единицу времени.

Формула:

Также мощность можно выразить так:

Единица измерения мощности — ватт, обозначается Вт.

С учетом закона Ома можно получить и другие формулы:

Например, если прибор подключен к напряжению 220 В и через него проходит ток 2 А, то его мощность равна:

Источники электрического тока

Источник тока — это устройство, которое создает и поддерживает электрическое поле в цепи. Благодаря этому заряды движутся направленно.

К источникам тока относятся:

• батарейки;

• аккумуляторы;

• генераторы;

• солнечные батареи;

• термоэлементы.

Источник тока имеет два полюса: положительный и отрицательный. Между ними создается разность потенциалов, то есть напряжение.

Электрическая цепь

Чтобы ток проходил, нужна замкнутая электрическая цепь. Простая цепь состоит из:

• источника тока;

• потребителя энергии;

• соединительных проводов;

• выключателя.

Потребителем может быть лампа, двигатель, нагреватель, резистор и другой прибор.

Если цепь разомкнута, ток не идет. Если цепь замкнута, заряды могут двигаться по проводникам, и в цепи появляется ток.

Проводники, диэлектрики и полупроводники

Вещества по способности проводить электрический ток делятся на несколько групп.

Проводники хорошо проводят ток. К ним относятся металлы, растворы солей, кислот и щелочей.

Диэлектрики почти не проводят ток. Это резина, стекло, пластмасса, фарфор, сухое дерево, воздух при обычных условиях.

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от температуры, освещения и примесей. К полупроводникам относятся кремний и германий.

Плотность тока

Кроме силы тока, используют характеристику плотность тока.

Плотность тока показывает, какая сила тока приходится на единицу площади поперечного сечения проводника.

Формула:

где:

— плотность тока,

— сила тока,

— площадь поперечного сечения.

Чем больше плотность тока, тем сильнее нагревается проводник и тем выше нагрузка на материал.

Краткий вывод

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Его основные характеристики — сила тока, напряжение, сопротивление, работа и мощность. Сила тока показывает количество заряда, проходящего через проводник за время, напряжение характеризует работу электрического поля, сопротивление показывает препятствие движению зарядов, а мощность показывает скорость преобразования электрической энергии. Электрический ток возможен только при наличии свободных носителей заряда и электрического поля, а для его длительного существования нужна замкнутая цепь и источник тока.