Сила тока в проводнике и средах для новичков и не только

При каких условиях возникает электрический ток и что такое сила тока простыми словами

Сразу обращаю внимание: определение электрического тока не относится к статическим, замершим явлениям. Оно напрямую связано с движением,динамическим состоянием.

Его создают не нейтральные, а активные частицы положительного или отрицательного электрического заряда.

И перемещаться они должны не хаотически, как жители мегаполиса во время часа пик, а направленно. Пример: движение массы автомобилей по многорядной дороге в одном направлении большого города.

Представили картину? Внутрь сплошного потока добавляются машины со стороны, какие-то водители съезжают с трассы на другие дороги. Но на общее движение эти процессы не особо влияют: направление сохраняется односторонним.

Так же происходит перемещение электрических зарядов. Внутри металлических проводников ток создают электроны. В обычном состоянии они там движутся довольно хаотически во все стороны.

Но стоит приложить к ним внешнюю силу электрического напряжения с положительными и отрицательными потенциалами на противоположных концах проводника, как начинается направленное движение зарядов.

Оно и является электрическим током. Обращаю внимание на последнее слово. Оно характеризует течение, перемещение, движение, динамику и связанные сними процессы, но не статику.

Именно величина приложенной внешней силы определяет качество направленного потока электронов в одну сторону. Чем выше ее значение, тем большая сила тока начинает протекать через проводник.

Однако здесь требуется учитывать несколько особенностей,связанных с:

• общепринятыми научными условностями;
• интенсивностью движения зарядов;
• Противодействием внутренней среды проводника.

В первом случае нам приходится преодолевать сложившиеся исторические стереотипы, когда люди смешивают общее направление электронов и электрического тока.

Все научные расчеты построены на том, что за направление тока взято движение заряженных частиц от плюса источника напряжения к его минусу.

Внутри металлов электрический ток создается за счет перемещения электронов в обратную сторону: они отталкиваются от одноименного минусового полюса и движутся к положительному.

Недопонимание этого положения может привести к ошибкам. Но их просто избежать: достаточно только запомнить эту особенность и использовать при расчетах или анализе действий электрических схем.

Интенсивность движения заряженных частиц характеризуют количеством их заряда, протекающего через заданную площадь за определённый промежуток времени.

Ее называют силой тока, обозначают латинской буквой I, вычисляют отношением ∆Q/∆t.

Здесь ∆Q — это количество зарядов, проходящих сквозь проводник с площадью S и длиной ∆L, а ∆t — калиброванный промежуток времени.

Для увеличения силы тока нам необходимо повысить число зарядов, проходящих через проводник за единицу времени, а для снижения — уменьшить.

Опять же присмотритесь к термину “сила тока”, вернее к его первому слову. Я специально на самой верхней картинке показал для сравнения мощный бицепс и тлеющую лампочку.

Силовой запас источника энергии может колебаться от излишнего до недостаточного для потребителя. А нам всегда требуется питать нагрузку оптимально. Для этого и введено понятие силы тока.

Чтобы ее оценивать используется единица системы измерения: ампер, обозначаемая латинской буквой A.

Теоретически, чтобы оценить 1 ампер необходимо:

• взять два очень тонких, бесконечно длинных и совершенно ровных проводника;
• разместить их на плоскости строго параллельно друг другу на расстоянии 1 метр;
• пропускать по ним одинаковый ток, постепенно повышая его величину;
• замерять силу притяжения проводов и зафиксировать момент, когда она достигнет значения 2×10-7 Ньютона.

Вот тогда и станет протекать в проводах 1 ампер.

На практике никто так не поступает. Для измерения созданы специальные приборы: амперметры. Их конструкции работают в размерах дольности и кратности: мили-, микро- и кило-.

Еще одно определение ампера связано с единицей количества электричества: кулоном (Кл), который проходит сквозь поперечное сечение провода за 1 секунду.

1A = 1Кл / 1c

Сила тока в любом месте замкнутой электрической цепи, где он протекает, всегда одинакова, а при ее разрыве, где бы ни было, исчезает.

Это явление позволяет выполнять замеры в самых удобных местах любой электрической схемы.

Когда создается сложная разветвленная цепь для протекания нескольких токов, то последние тоже на всех отдельных участках остаются постоянными.

Третий случай противодействия среды тоже важен. Электроны в процессе движения сталкиваются с препятствиями в виде положительно и отрицательно заряженных частиц.

Такие столкновения связаны с затратами энергии, расходуемой на выделение тепла. Их обобщили термином электрического сопротивления и описали физическими законами в математической форме.

Внутренняя структура каждого металла оказывает различное противодействие протеканию тока. Наука давно изучила эти свойства и свела в таблицы, графики и формулы удельного электрического сопротивления.

При проведении расчетов нам остается только воспользоваться уже проверенными и подготовленными сведениями. Их можно выполнять на основе формул, представленных известной шпаргалкой электрика.

Но намного проще использовать онлайн калькулятор Закона Ома. Он позволит избежать совершения типичных математических ошибок.

Для любителей смотреть видео я рекомендую ролик Павла Виктор по основам теории электропроводности металлов.

Самые важные выводы из формул силы тока для домашнего мастера

Практическую пользу представляет только полное понимание процессов протекания тока по проводникам. В быту мы должны:

1. Заранее предусмотреть токовые нагрузки на проводку. Эти сведения помогут грамотно спроектировать ее для прокладки внутри своей квартире. А если она уже проложена, то потребуется учитывать и не превышать подключаемые мощности.

• Исключить типовые ошибки монтажа проводов и оборудования, на которых происходит бесполезная потеря энергии электричества,создается излишний нагрев, возникают повреждения.

• Правильно эксплуатировать проводку.

• Предусмотреть систему защит, которые автоматически предохранят бытовую сеть от возникновения случайных повреждений как внутри схемы, так и приходящих со стороны питания.

Сейчас я не стану более подробно расшифровывать каждый из этих четырех пунктов. У меня в планах расписать их для вас более подробно сериями статей, опубликовать в рубриках сайта. Следите за информацией или подписывайтесь на рассылку, дабы быть в курсе.

Тест с ответами: “Электрический ток”

1. Что называют электрическим током: а) направленное движение электронов б) направленное движение заряженных частиц + в) направленное движение частиц

2. Что необходимо, чтобы в проводнике возник электрический ток: а) создание в проводнике электрического поля + б) действие на электроны сил, вызывающих их движение в) наэлектризовать проводник

3. Назначение источника тока: а) создавать электрические заряды в проводнике б) освобождать электроны в проводнике от связи с атомами в) поддерживать существование в проводнике электрического поля +

4. Во всех источниках тока происходит этот процесс: а) разделение положительно и отрицательно заряженных частиц + б) скопление электронов или ионов в) создание потоков заряженных частиц

5. Полюсами источника тока называется место, где: а) электрические заряды взаимодействуют б) разделяются электрические заряды в) накапливаются электрические заряды разного знака +

6. Какие полюса и их количество имеет источник тока? а) 3; положительный, отрицательный и нейтральный б) 2; положительный и отрицательный + в) 2; отрицательный и нейтральный

7. Для разделения в источнике тока электрических зарядов необходима такая энергия: а) химическая б) механическая в) внутренняя г) все ответы верны +

8. В гальваническом элементе разделение заряженных частиц происходит за счёт этой энергии: а) энергии химических реакций + б) энергии света в) внутренней

9. Что в гальваническом элементе служит положительным электродом, а что — отрицательным: а) положительным — слой смолы, отрицательным — цинковый сосуд б) положительным — угольный стержень, отрицательным — цинковый сосуд + в) положительным — угольный стержень, отрицательным — клейстер

10. Аккумулятор дает электрический ток только после того, как: а) его зарядили от другого источника тока + б) его согрели в теплом помещении в) наэлектризовали его электроды

11. За направление электрического тока условно принимают то направление, по которому движутся в проводнике: а) электроны и отрицательные ионы б) отрицательные ионы в) положительные ионы +

12. При протекании электрического тока через растворы солей в растворах выделяются вещества. В этом проявляется: а) тепловое действие тока б) химическое действие тока + в) магнитное действие тока

13. При силе тока 4 А с электрическим сопротивлением 2 Ом, чему равно напряжение на участке цепи: а) 8 В + б) 2 В в) 16 В

14. Если напряжение увеличить в 4 раза, а сопротивление остается неизменным, как изменится сила тока на участке цепи: а) уменьшится в 4 раза б) не изменится в) увеличится в 4 раза +

15. Резисторы с сопротивлением 2 Ом и 3 Ом соединены последовательно. Необходимо выбрать верное утверждение: а) сила тока в первом резисторе меньше, чем во втором б) общее сопротивление резисторов больше 3 Ом + в) общее сопротивление резисторов равно 1,2 Ом

16. Проволоку разрезали пополам и сложили вдвое. Её сопротивление изменится? а) не изменится б) увеличится в 4 раза в) уменьшится в 4 раза +

17. Что необходимо для того чтобы в проводнике возник электрический ток: а) только создать в нем электрическое поле + б) только наличие в нем свободных электрических зарядов в) только иметь потребителя электрической энергии

18. Устройство плавкого предохранителя основано на действии электрического тока: а) на химическом б) на тепловом + в) на магнитном

19. В электрическую цепь включены параллельно друг другу сопротивления 2 Ом и 3 Ом. По меньшему из них течет ток 6 А. По большему – течет ток: а) 4 А + б) 2 А в) 3 А

20. Сила тока измеряется в: а) Джоулях б) Омах в) Амперах +

21. Каким бывает электрический ток: а) заряженным и незаряженным б) кратковременным и долговременным + в) быстрым и медленным

22. В обычных условиях газ: а) не проводит электрический ток + б) проводит электрический ток в) может проводить или не проводить ток в зависимости от вида газа

23. Ток начинает существовать когда: а) когда молекулы начинают двигаться хаотично б) появляются свободные заряды + в) когда молекулы газа начинают сталкиваться друг с другом

24. Какие разряды электрического тока существуют: а) самостоятельные + б) ограниченные в) неограниченные

25. Какой разряд можно назвать самым слабым: а) тлеющий б) тихий + в) искровой

26. Что называется рекомбинацией: а) аналогичный процесс ионизации б) происходит одновременно с ионизацией в) обратный процесс ионизации +

27. В результате чего возникает электрический ток в газах: а) ионизации + б) понижения температуры в) расщепления молекул

28. Какой из разрядов электрического тока применяется в бактерицидных лампах: а) дуговой б) искровой в) тлеющий +

29. Как называются разряды, которые существуют, пока на них действует тело из вне: а) тлеющие разряды б) несамостоятельные разряды + в) самостоятельные разряды

30. Что называется электрическим полем: а) особый вид материи, проявляющий себя в действии на электрические заряды + б) вид материи, имеющий электрические заряды в) особый вид материи, проявляющий себя в действии на движущиеся электрические заряды

Какие бывают виды электрического тока в быту

Форма сигнала токов зависит от работы источника напряжения и сопротивления среды, через которую проходит сигнал. Чаще всего на практике домашнему мастеру приходится сталкиваться со следующим видами:

• постоянный сигнал, вырабатываемый от аккумуляторов или гальванических элементов;
• синусоидальный, создаваемый промышленными генераторами частоты 50 герц;
• пульсирующий, образуемый за счет преобразований различных блоков питания;
• импульсный, проникающий в бытовую сеть за счет разряда молний в воздушные линии электропередач;
• произвольный.

Чаще всего встречается синусоидальный или переменный ток: им питаются все наши приборы.

В современной проводке, питающейся синусоидальным напряжением, работает много полупроводниковых бытовых приборов. Они обладают не линейным сопротивлением, нарушают форму гармоники.

Эти помехи складываются по всей цепи от конкретного потребителя до питающего трансформатора, искажают идеальный синус произвольным образом. В результате изменяется как форма, так и величина питающего напряжения.

Это может привести к созданию аварийного режима: отгоранию нулевого проводника в питающей трехфазной цепи. Подробно этот процесс описан отдельной статьей другого сайта.

Направление тока

За направление тока принято направление от плюса к минусу, то есть, направление движения положительно заряженных частиц – противоположно движению электронов. Связано это с тем, что само явление электрического тока было открыто намного раньше, чем было получено объяснение его природы, и считалось, что ток идёт именно в эту сторону. К тому времени накопилось большое количество статей и другой литературы на эту тему, появились понятия, определения и законы. Чтобы не пересматривать огромное количество уже опубликованного материала, просто приняли направление тока против потока электронов.

Если ток течёт все время в одном направлении (даже изменяясь по силе), он называется постоянным током. Если его направление меняется, то речь идет о переменном токе. В практическом применении направление меняется по какому-либо закону, например, по синусоидальному. Если направление протекания тока остаётся неизменным, но он периодически спадает до нуля и возрастает до максимального значения, то речь идёт об импульсном токе (различной формы).

Электрический ток в различных средах: что надо знать электрику

Заряженные частицы под действием приложенного напряжения перемещаются не только внутри металлов, как мы разобрали выше на примере электронов, но и в:

• переходном слое полупроводниковых элементов;
• жидкостях различных составов;
• среде газа;
• и даже внутри вакуума.

Все эти среды оценивают способностью пропускать ток термином, называемым проводимостью. Это величина, обратная сопротивлению. Она обозначается буквой G, оценивается через удельную проводимость, которую можно найти в таблицах.

Проводимость вычисляется по формулам:

G = 1 / R = I / U

Сила тока в проводнике из металла: как используется в бытовых условиях

Способность внутренней структуры металлов по-разному влиять на условия движения направленных зарядов применяется для реализации специфических задач.

Транспортировка электрической мощности

Чтобы передать электрическую энергию на большое расстояние используют металлические проводники повышенного сечения с высокой проводимостью: медь или алюминий. Более дорогие металлы серебро и золото работают внутри сложных электронных схемах.

Всевозможные конструкции проводов, шнуров и кабелей на их основе надежно эксплуатируются в домашней проводке.

Нагревательные элементы

Для обогревательных приборов применяют вольфрам и нихром,обладающие большим сопротивлением. Оно позволяет разогревать проводник до высоких температур при правильном подборе приложенной мощности.

Этот принцип воплотился в многочисленных конструкциях электрических нагревателей — ТЭН-ах.

Защитные устройства

Завышенная сила тока в проводнике из металла с хорошей проводимостью, но тонким сечением позволяет создавать предохранители,используемые как токовые защиты.

Они нормально работают в оптимальном режиме нагрузки, но быстро перегорают при бросках напряжения, коротких замыканиях или перегрузках.

Еще несколько десятков лет предохранители массово служили основной защитой домашней проводки. Сейчас их заменили автоматическими выключателями. Но внутри всех блоков питания они продолжают надежно работать.

Ток в полупроводниках и его характеристики

Электрические свойства полупроводников сильно зависят от внешних условий: температуры, облучения светом.

Для увеличения их собственной проводимости в состав структуры добавлены специальные примеси.

Поэтому внутри полупроводника ток создается за счет собственной и примесной проводимости внутреннего p-n перехода.

Носителями зарядов полупроводника выступают электроны и дырки. Если плюсовой потенциал источника напряжения приложен к полюсу p, а минусовой — к n, то через p-n переход станет течь ток за счет созданного ими движения.

При обратном приложении полярности p-n переход остается закрытым. Поэтому на картинке выше в первом случае показана светящаяся лампочка, а во втором — потухшая.

Аналогичные p-n переходы работают в других полупроводниковых конструкциях: транзисторах, стабилитронах, тиристорах…

Все они рассчитаны на номинальное прохождение силы тока. Для этого прямо на их корпус наносится маркировка. По ней заходят в таблицы технических справочников и оценивают полупроводник по электрическим характеристикам.

Ток в жидкостях: 3 метода применения

Если металлы обладают хорошей проводимостью, то среда жидкостей может выступать как диэлектрик, проводник и даже полупроводник. Но, последний случай не для домашнего применения.

Изоляционные свойства

Высокими диэлектрическими свойствами обладает минеральное масло высокой степени очистки и заниженной вязкости, созданное для работы внутри промышленных трансформаторах.

Дистиллированная вода тоже имеет высокие изоляционные свойства.

Что такое мощность и плотность тока?

Ну вот, мы выяснили, что такое ток постоянный, а что такое переменный. Но у вас наверняка осталось еще масса вопросов. Их-то мы и постараемся рассмотреть в этом разделе нашей статьи.

Из этого видео Вы подробнее сможете узнать о том, что же такое мощность.

• И первым из этих вопросов будет: что такое напряжение электрического тока? Напряжением называется разность потенциалов между двумя точками.

• Сразу возникает вопрос, а что такое потенциал? Сейчас меня вновь будут хаять профессионалы, но скажем так: это избыток заряженных частиц. То есть, имеется одна точка, в которой избыток заряженных частиц — и есть вторая точка, где этих заряженных частиц или больше, или меньше. Вот эта разница и называется напряжением. Измеряется она в вольтах (В).

• В качестве примера возьмем обычную розетку. Все вы наверняка знаете, что ее напряжение составляет 220В. В розетке у нас имеется два провода, и напряжение в 220В обозначает, что потенциал одного провода больше чем потенциал второго провода как раз на эти 220В.
• Понимание понятия напряжения нам необходимо для того, чтоб понять, что такое мощность электрического тока. Хотя с профессиональной точки зрения, это высказывание не совсем верное. Электрический ток не обладает мощностью, но является ее производной.

• Дабы понять этот момент, давайте вновь вернемся к нашей аналогии с водяной трубой. Как вы помните сечение этой трубы — это напряжение, а скорость потока в трубе — это ток. Так вот: мощность — это то количество воды, которое протекает через эту трубу.
• Логично предположить, что при равных сечениях, то есть напряжениях — чем сильнее поток, то есть электрический ток, тем больший поток воды переместиться через трубу. Соответственно, тем большая мощность передастся потребителю.
• Но если в аналогии с водой мы через трубу определенного сечения можем передать строго определенное количество воды, так как вода не сжимается, то с электрическим током все не так. Через любой проводник мы теоретически можем передать любой ток. Но практически, проводник небольшого сечения при высокой плотности тока просто перегорит.

• В связи с этим, нам необходимо разобраться с тем, что такое плотность тока. Грубо говоря — это то количество электронов, которое перемещается через определенное сечение проводника за единицу времени.
• Это число должно быть оптимальным. Ведь если мы возьмем проводник большого сечения, и будем передавать через него небольшой ток, то цена такой электроустановки будет велика. В то же время, если мы возьмем проводник небольшого сечения, то из-за высокой плотности тока он будет перегреваться и быстро перегорит.
• В связи с этим, в ПУЭ есть соответствующий раздел, который позволяет выбрать проводники исходя из экономической плотности тока.

• Но вернемся к понятию, что такое мощность тока? Как мы поняли по нашей аналогии, при одинаковом сечении трубы передаваемая мощность зависит только от силы тока. Но если сечение нашей трубы увеличить, то есть увеличить напряжение, в этом случае, при одинаковых значениях скорости потока, будут передаваться совершенно разные объемы воды. То же самое и в электрике.

• Чем выше напряжение, тем меньший ток необходим для передачи одинаковой мощности. Именно поэтому, для передачи на большие расстояния больших мощностей используют высоковольтные линии электропередач.

Ведь линия сечением провода в 120 мм2 на напряжение в 330кВ, способна передать в разы большую мощность в сравнении с линией такого же сечения, но напряжением в 35кВ. Хотя то, что называется силой тока, в них будет одинаковой.