Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц.

В металлах такими частицами являются электроны, в электролитах - положительные и отрицательные ионы (катионы и анионы), в ионизированных газах - ионы и электроны, в полупроводниках - электроны и «дырки».

Направлением тока физики условились считать направление, в котором движутся положительные заряды (от плюса к минусу). Если носителями тока являются только отрицательно заряженные частицы, например, электроны в металлах, то в этом случае направление тока противоположно движению электронов.

Движение электрически заряженных частиц внутри макроскопических тел называют током проводимости, а тело, проводящее ток, - проводником.

Электрическая цепь

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Электрическая цепь и схема

Электрические заряды вырабатываются источником тока. А используют ток устройства, которые называются потребителями электрической энергии. В быту это компьютеры, телевизоры, холодильники, электрические лампочки и другие приборы. Для того чтобы доставить к ним ток, их соединяют с источниками тока проводниками. А всё вместе это называется электрической цепью.

Элементы в электрической цепи могут быть соединены последовательно, параллельно или смешанным образом.

При последовательном соединении участок цепи не имеет ни одного узла, а все элементы соединены таким образом, что электрические заряды, двигаясь от источника тока, проходят поочерёдно через каждый из них. 

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Последовательное соединение

При параллельном соединении электрические заряды разделяются на группы, которые проходят параллельными потоками через элементы цепи. 

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Параллельное соединение

Графически электрическая цепь изображается схемой.

Различают постоянный, переменный и пульсирующий токи.

Постоянный электрический ток

 

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока 

Направленное движение электрических зарядов

Постоянным током называют такой электрический ток, который с течением времени не меняет ни величину, ни направление.  

Чтобы ток был постоянным, электрические заряды должны перемещаться вдоль проводников непрерывным и равномерным потоком. Это возможно в том случае, если проводники образуют замкнутый контур и находятся в стационарном электрическом поле.

Источники постоянного тока

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Источник постоянного тока 

Работу источника тока можно сравнивать с работой водяного насоса. Подобно тому как насос перекачивает воду в замкнутой гидравлической цепи, источник тока обеспечивает движение электрических зарядов внутри электрической цепи.

Впервые устройство для получения электричества создал в 1800 г. итальянский физик Алессандро Вольта.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Алессандро Вольта

Опустив в банку с кислотой цинковую и медную пластинки и соединив их проволокой, учёный получил непрерывный электрический ток. Это был первый гальванический элемент, химический источник тока, названный «элементом Вольта». Соединив несколько элементов и придав им вертикальное положение, Вольта собрал электрическую батарею, которую впоследствии назвали «вольтовым столбом».

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Вольтов столб

Но гальванический элемент не может вырабатывать ток бесконечно. Со временем он разряжается. Поэтому вскоре был придуман источник тока многоразового действия - электрический аккумулятор. Он устроен таким образом, что после того как он разрядится, его заряжают снова, пропустив через него ток, по направлению обратный току разрядки. Первый заряжаемый аккумулятор был создан в 1903 г. немецким учёным Иога́нном Вильге́льмом Ри́ттером.

Соединив несколько аккумуляторов, получают аккумуляторную батарею.

На промышленных предприятиях в качестве источников постоянного тока используются генераторы постоянного тока, преобразующие механическую энергию в энергию постоянного тока.

Параметры тока

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Амперметр

Очень важной количественной характеристикой тока является сила тока (величина тока), или просто ток, - скалярная физическая величина, равная величине заряда, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Но термин «сила тока» не следует воспринимать, как проявление силы в буквальном смысле. В проводниках нет силы. Там есть только движение электрических зарядов.

Если за время t через проводник сечением S протекает Q зарядов, то величина тока выражается  формулой

I = Q/t

Единица измерения величины тока в системе СИ - ампер (А). Ток в проводнике равен 1 амперу, если за 1 секунду через проводник протекает заряд величиной в 1 кулон. Измеряют силу тока прибором, который называется амперметром. Он включается последовательно в электрическую цепь.

Для постоянного тока в единицу времени через любое поперечное сечение протекает одинаковое количество электрических зарядов.

Величина, равная отношению силы тока I к площади поперечного сечения проводника S, называется плотностью тока. В системе СИ плотность тока измеряется в А/м2. Конечно, практически невозможно найти проводник с диаметром сечения, равным квадратному метру. По этой причине силу тока принято измерять в А/мм2.

j = I/S

Любой проводник противодействует протеканию по нему электрических зарядов. Поэтому величина тока в проводнике зависит от другой важной величины, называемой сопротивлением. Это физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. Она обозначается буквой R и определяется по формуле:

R = U/I,

где U – напряжение, или разность электрических потенциалов, на концах проводника;

I – сила тока, протекающего между концами проводника.

В систем СИ единицей измерения сопротивления является ом.

Разные материалы по-разному сопротивляются движению тока. Поэтому сопротивление проводника зависит от вещества, из которого он сделан, его длины и сечения.

R = ρ ˑ l /S

где ρ – удельное электрическое сопротивление проводника, его способность препятствовать прохождению электрического тока;

l длина проводника;

S - площадь поперечного сечения проводника.  

Каждый источник постоянного электрического тока создаёт стороннее электрическое поле, совершающее работу по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц и перемещению их в электрической цепи. Эту работу производят любые силы не электрического происхождения, которые действуют внутри источника. Они называются сторонними силами. Возникают эти силы по разным причинам. Например, в гальваническом элементе они появляются в результате химических реакций, а в генераторах постоянного тока – при движении проводника в магнитном поле.

Величина, численно равная работе, которую выполняют сторонние силы, перенося единицу положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС).

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

где Е – ЭДС; А – работа, совершаемая источником по переносу заряда величиной Q.

Единицей измерения ЭДС в системе СИ является вольт (v, V). ЭДС источника тока равна 1 вольту, если при перемещении заряда, равного 1 кулону, совершается работа в 1 джоуль.

Перенося электрический заряд, источник тока совершает работу А0 по внутреннему участку (внутри себя самого) и работу А1 по внешнему участку электрической цепи. Поэтому полная работа А = А0 + А1. Разделив обе части уравнения на Q, получим

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Величина A0/Q называется падением напряжения на внутреннем участке цепи (U0), а A1/Q - падением напряжения на внешнем участке цепи (U1).

A = U0 + U1, а U1 = А – U0.

Величина, равная произведению тока на напряжение, называется мощностью. Единица измерения мощности – ватт.

P = IU = I2 R = U2/R

Если в электрической цепи есть источник ЭДС, то P = I ˑ ε, где εЭДС.

Закон Ома

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Георг Симон Ом

Между электродвижущей силой источника, током и сопротивлением цепи существует связь, которую устанавливает закон Ома. Этот закон был получен опытным путём знаменитым немецким физиком Георгом Омом в 1826 г. и назван впоследствии его именем.

Чаще всего встречается такая формулировка закона Ома: «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка».

I = U/R

Но это выражение справедливо только для участка электрической цепи. Для полной цепи оно имеет вид:

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

где ε – ЭДС; R – сопротивление внешнего участка цепи; r – сопротивление внутреннего участка цепи.

Изменяя сопротивление, можно регулировать силу тока. Для этой цели используют реостаты – регулируемые сопротивления.

Признаки тока

Как узнать, есть ли в проводнике ток, не используя специальные приборы? Оказывается, сделать это не очень сложно, так как ток, проходящий по проводнику, всегда совершает какое-то действие: тепловое, магнитное или химическое.

Химическое действие тока мы наблюдаем при электролизе, когда происходит оседание веществ на электродах. Под воздействием электрического тока, пропускаемого через раствор или расплав электролита происходит химическая реакция. В результате одно вещество превращается в другое.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Химическое дествие тока

Магнитное действие тока заключается в том, что любой проводник с током приобретает свойства магнита. Пример – катушка с проводом. Если через провод пропустить электрический ток, то катушка начинает притягивать металлические предметы.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Магнитное действие тока

Проходя по проводнику, электрический ток нагревает его. Так проявляется тепловое действие тока. Электрическая энергия превращается в тепловую. Мы наблюдаем это явление в электрическом камине, где раскаляются нити спирали, или в электрическом утюге.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Тепловое действие тока

Это происходит, потому что любой проводник обладает сопротивлением, преодолевая которое ток совершает работу. Часть этой работы выделяется в виде тепла. И чем больше сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается. Именно поэтому спирали нагревательных элементов создают из материалов с высоким сопротивлением.

Количество выделяемого тепла Q определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца 

Этот закон вывел экспериментально английский физик Джеймс Пре́скотт Джо́уль в 1841 г. В 1842 г. независимо от него этот же закон установил российский физик Эмилий Христианович Ленц.

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Джеймс Прескотт Джоуль

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Эмилий Христианович Ленц

Количество теплоты, которое выделяет ток в проводнике, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени.

Q = I2Rt

Применение постоянного тока

Электрический ток. Источники и признаки постоянного тока

Область применения постоянного тока широка. В промышленном производстве его применяют для получения чистых металлов (алюминия, меди, никеля, калия, магния, натрия и др.) на установках промышленного электролиза. В гальванике он используется для создания металлического покрытия на поверхности различных предметов. Постоянным током проводят электрогазосварочные работы.

В медицине широко используется процедура, называемая электрофорезом, где с помощью постоянного тока в организм вводятся лекарственные вещества.

Постоянный ток применяется в микроэлектронике, электрических схемах автомобилей и др.

Электродвигателями постоянного тока оборудованы тепловозы, электропоезда, троллейбусы и трамваи.