Что такое действие электрического тока в физике определение

Чем характеризуется электрический ток

Так исторически сложилось, что первые обнаруженные электрические токи имели направление своего движения, совпадающее с направлением перемещения положительно заряженных частиц.

Но носители электрического тока могут быть разными. Например, если речь идет об электронах, которые имеют отрицательный заряд, то направление тока будет противоположным направлению движения положительных частиц.

Скорость, с которой движутся заряженные частицы, зависит от таких параметров, как:

• Величина заряда;
• Разность потенциалов на концах проводника;
• Температура среды;
• Материал, из которого проводник изготовлен;
• А также масса самих частиц.

Сами частицы (например, электроны) при этом перемещаются с крайне незначительной скорости – всего доли миллиметра в секунду. Однако само поле распространяется крайне стремительно – практически со скоростью света. Потому и электрический ток внутри проводника распространяется с той же самой скоростью.

Основные определения

Электричество каждый день окружает нас, но что такое электрический ток и связанные с ним величины — понимает не каждый человек, однако они важны для повседневной жизни. Есть несколько толкований понятия электротока:

1. Принятое в школьном учебнике определение, что электрический ток — это движение частиц, имеющих заряд за счет воздействия на них электрического поля. Частицами являются: протоны, дырки, электроны, ионы.
2. В электрической литературе высших учебных заведений пишется, что электрический ток это — скорость, с которой заряд изменяется с течением времени. Принимается отрицательный заряд электронов, положительный у протонов и нейтральный у нейтронов.

Схема протекания электротока в цепи:

Схема протекания электротока в цепи

В электротехнике специалисты отмечают значение такого понятия, как сила тока — это количество частиц, имеющих заряд, которые проходят через сечение проводника с течением времени. Движение тока в проводнике можно описать следующим образом: «…Все токопроводящие материалы имеют внутреннее строение (молекулы, атомы, ядра с вращающимися электронами), когда на материал воздействует химическая реакция, электроны от одного атома перебегают к другому. Создается ситуация, при которой одни атомы испытывают недостаток в электронах, а другие — их избыток, что показывает противоположность заряда. Электроны стремятся к переходу из одного вещества в другое, это движение и есть электрический ток».

Специалисты акцентируют внимание на том, что в этом случае ток течет только до того момента, пока не произойдет уравнивание зарядов в двух веществах

Для понимания движения тока важно знать определение напряжения — это разность потенциалов, которые берутся в двух точках электрического поля, измеряются в вольтах

Для понимания движения тока важно знать определение напряжения — это разность потенциалов, которые берутся в двух точках электрического поля, измеряются в вольтах

Как влияет род и частота тока на исход поражения?

Постоянный ток примерно в 4—5 раз безопаснее переменного тока частотой 50 Гц. Однако это характерно для относительно небольших напряжений — до 250—300 В. При более высоких напряжениях опасность постоянного тока возрастает.

С увеличением частоты переменного тока, проходящего через тело человека, полное сопротивление тела уменьшается, а величина проходящего тока возрастает. Однако уменьшение сопротивления возможно лишь в пределах частот от 0 до 50—60 Гц; дальнейшее же повышение частоты сопровождается снижением опасности поражения, которая полностью исчезает при частоте 450— 500 кГц. Но эти токи сохраняют опасность ожогов как в случае возникновения электрической дуги, так и при прохождении их непосредственно через тело человека. Снижение опасности поражения током с увеличением частоты становится практически заметным при частоте 1000—2000 Гц.

Классификация

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционный ток. Различают переменный (англ. alternating current, AC), постоянный (англ. direct current, DC) и пульсирующий электрические токи, а также их всевозможные комбинации. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают. Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняются во времени.

Переменный ток — ток, величина и направление которого меняются во времени. В широком смысле под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону.

Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток.

Электрические разряды

В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал).

В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Таблица электрический ток и его единицы измерения.

Квазистационарный ток

Это «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

Переменный ток высокой частоты — ток, в котором условие квазистационарности уже не выполняется, ток проходит по поверхности проводника, обтекая его со всех сторон. Этот эффект называется скин-эффектом.

Вихревые токи (токи Фуко)

Замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока», поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Вихревой ток

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока.

Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов.

П

ри очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

Типы поражения электрическим током

В зависимости от того, какой наступает исход от электроудара, выделяют 5 типов:

1. судорожные сокращения мышц, человек находится в сознании;
2. судорожные сокращения мышц, человек без сознания, дыхание и работа сердца присутствуют;
3. отсутствие дыхания с нарушением работы сердца;
4. электрический шок, сильное расстройство дыхания, расстройство функционирования кровеносной и нервной системы, наступление глубокой депрессии которая может длиться от нескольких десятков минут до нескольких суток и в конечном итоге наступает либо полное выздоровление, либо биологическая смерть;
5. клиническая смерть, отсутствует дыхания, остановка сердца. Ее еще называют мнимой смертью, длится 6-8 минут, является переходным состоянием от жизни к смерти. По прошествии указанного времени, если не проводить реанимационные мероприятия – наступает биологическая смерть.

Также, большое значение имеет и путь, по которому проходит ток через организм т.е. какими частями тела человек касается токопроводящей части. Чаще всего люди «включаются» в электрическую цепь таким образом, что ток проходит по петлям: «рука-ноги», «рука-рука», «нога-нога», «рука-голова», «ноги-голова».

Есть два варианта подключения организма к электрической цепи:

1. двухфазное – человек одновременно прикасается частями тела к двум фазам (рис 2),
2. однофазное – прикосновение к фазе и нулевой точке ().

Рисунок 2 – Схема двухфазного включения человека в электрическую сеть

Где, а – сеть с изолированной нейтралью; б – сеть с глухозаземленной нейтралью.

Двухфазное подключение самое опасное, так как в этом варианте ток зависит только от напряжения и сопротивления человека () и будет иметь максимальное значение чем при однофазном подключение (см. рис 3).

Рисунок 3 – Схема однофазного включения человека в электрическую сеть (а-б)
Рисунок 3 – Схема однофазного включения человека в электрическую сеть (в)

• а – сеть с изолированной нейтралью;
• б – сеть с глухозаземленной нейтралью.
• в – сеть с заземленной нейтралью

При варианте a на рисунке 3, к сопротивлению человека – Rч, добавляется сопротивление обуви Rоб, Rп – сопротивление пола, сопротивление изоляции фаз – Rиз. Те формула силы тока примет следующий вид (формула – 2).

Формула 2 – Сила тока, проходящего через человека при однофазном подключение с изолированной нейтралью.

Где:

• U_ф – фазное напряжение, В;
• R_ч – сопротивление человека (принимается равным 1000 Ом.

При расчетах принимается наименьшее сопротивление (при сильном опьянении, с мокрой или поврежденной кожей);

• R_об – сопротивление обуви;
• R_п – сопротивление пола;
• R_из – сопротивление изоляции.

В аварийном режиме () когда одна из фаз коротит на корпус или уходит в землю, или происходит касание в месте с поврежденной изоляцией – человек может оказаться под полным линейным напряжением, ток проходящий через организм в таком случае рассчитывается по формуле 3:

Формула 3 – Сила тока, проходящего через человека при однофазном подключение в аварийном режиме.

Величина тока при однофазном подключении человека к сети с заземленной нейтралью рассчитывается по формуле 4.

Формула 4 – Сила тока, проходящего через человека при однофазном подключение с заземленной нейтралью.

Влияние частоты

Из приведенной выше формулы полного сопротивления тела человека следует, что с увеличением частоты переменного тока сопротивление уменьшается, что ведет к увеличению тока и повышению опасности поражения. Однако практика показывает, что этот вывод справедлив лишь в пределах определенных частот. Долгое время считалось, что в области низких частот наибольшей опасностью обладает 50-периодный ток. При дальнейшем повышении частоты в пределах 50 – 400 Гц ток сохраняет примерно одинаковые значения. Дальнейшее повышение частоты снижает опасность поражения. Но вредно или не вредно это для организма человека, утвердительного ответа пока не существует.

Отмечается сравнительная опасность для человека выпрямленного тока. Наличие в нем частотных составляющих утяжеляет исход электротравмы. Пока это малоизученный раздел электробезопасности.

Классификация тока

При движении заряженных частиц внутри макроскопического тела энергия называется электрическим током проводимости. Если же наблюдается движение макроскопических заряженных тел (к примеру – дождевые капли, имеющие заряд), ток будет конвекционным.

Основная классификация электрического тока предусматривает использование формулировки постоянного и переменного тока. Также рассмотрим и другие виды:

• Постоянный ток – его направление и величина остаются неизменными во времени. Такой ток бывает пульсирующим, однонаправленным или выпрямленным переменным.
• Переменный ток – изменяется во времени, под этим обозначением подразумевается любой вид непостоянного тока.
• Периодический ток – его мгновенные значения, как правило, повторяются в неизменной последовательности через разные временные промежутки.
• Синусоидальный ток – является периодическим электротоком, выполняющим синусоидальную функцию времени. Это означает, что происходит изменение электростатического потенциала каждого конца в проводнике по отношению к потенциалу другого конца – с отрицательного на положительный и наоборот. Это способствует возникновению тока, который непрерывно изменяет свое направление и амплитудное значение. Квазистационарный ток – это переменный вид тока, который изменяется довольно медленно. Его мгновенные значения достаточно точно выполняют соответствуют законам постоянных токов (Ома, правилам Кирхгофа, и др.). Как и в постоянном токе, в квазистационарном имеется одинаковая сила тока на абсолютно всех сечениях электроцепи.
• Высокочастотный ток – относится к переменному току, частота которого превышает несколько десятков герц. Если волна излучения имеет длину, близкую к размерам элементов, входящих в электрическую цепь, могут быть нарушены условия квазистационарности. Следовательно, для проектировки таких цепе необходим особый подход.
• Пульсирующий ток – представляется периодическим электротоком, в котором за определенный период среднее значение равно нулю.
• Однонаправленный ток – является током, постоянно сохраняющим свое первоначальное направление.

Как зависит сила тока в проводнике от сопротивления этого проводника

Различные действия тока, такие, как нагревание проводника, магнитные и химические действия, зависят от силы тока. Изменяя силу тока в цепи, можно регулировать эти действия. Но чтобы управлять током в цепи, надо знать, от чего зависит сила тока в ней. Мы знаем, что электрический ток в цепи — это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле. Чем сильнее действие электрического поля на эти частицы, тем, очевидно, и больше сила тока в цепи. Но действие поля характеризуется физической величиной — напряжением. Поэтому можно предположить, что сила тока зависит от напряжения. Установим, какова эта зависимость, на опыте.

На рисунке изображена электрическая цепь, состоящая из источника тока — аккумулятора, амперметра, спирали из никелиновой проволоки, ключа и параллельно присоединенного к спирали вольтметра. Замыкают цепь и отмечают показания приборов. Затем присоединяют к первому аккумулятору второй такой же аккумулятор и снова замыкают цепь. Напряжение на спирали при этом увеличится вдвое, и амперметр покажет вдвое большую силу тока. При трех аккумуляторах напряжение на спирали увеличивается втрое, во столько , же раз увеличивается сила тока. Таким образом, опыт показывает, что во сколько раз увеличивается напряжение, приложенное к одному и тому же проводнику, во столько же раз увеличивается сила тока в нем. Другими словами, сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника. На рисунке показан график зависимости силы тока в проводнике от напряжения между концами этого проводника. На графике в условно выбранном масштабе по горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах, а по вертикальной — сила тока в амперах.

Зависимость силы тока от напряжения мы уже установили. На основании опытов было показано, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника

Следует обратить внимание, что при проведении опыта сопротивление проводника не менялось, одна и та же спираль служила участком цепи, на котором измеряли напряжение и силу тока. При проведении физических опытов, в которых определяют зависимость одной величины от другой, все остальные величины должны быть постоянными, если они будут изменяться, то установить зависимость будет сложнее

Поэтому, определяя зависимость силы тока от сопротивления, напряжение на концах проводника надо поддерживать постоянным. Чтобы ответить на вопрос, как зависит сила тока в цепи от сопротивления, обратимся к опыту. На рисунке изображена электрическая цепь, источником тока в которой является аккумулятор. В эту цепь по очереди включают проводники, обладающие различными сопротивлениями. Напряжение на концах проводника во время опыта поддерживается постоянным. За этим следят по показаниям вольтметра. Силу тока в цепи измеряют амперметром. Ниже в таблице приведены результаты опытов с тремя различными проводниками: В первом опыте сопротивление проводника 1 Ом и сила тока в цепи 2 А. Сопротивление второго проводника 2 Ом, т.е. в два раза больше, а сила тока в два раза меньше. И наконец, в третьем случае сопротивление цепи увеличилось в четыре раза и во столько же раз уменьшилась сила тока. Напомним, что напряжение на концах проводников во всех трех опытах было одинаковое, равное 2 В. Обобщая результаты опытов, приходим к выводу: сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Зависимость силы тока от напряжения на концах участка цепи и сопротивления этого участка называется законом Ома по имени немецкого ученого Ома, открывшего этот закон в 1827 г. Закон Ома читается так: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению: I=U/R здесь I — сила тока в участке цепи, U — напряжение на этом участке, R — сопротивление участка.Закон Ома — один из основных физических законов. На рисунке зависимость силы тока от сопротивления проводника при одном и том же напряжении на его концах показана графически. На этом графике по горизонтальной оси в условно выбранном масштабе отложены сопротивления проводников в омах, по вертикальной — сила тока в амперах. Из формулы I=U/R — следует, что U=IR и R=U/I . Следовательно, зная силу тока и сопротивление, можно по закону Ома вычислить напряжение на участке цепи, а зная напряжение и силу тока — сопротивление участка. Сопротивление проводника можно определить по формуле R=U/I , однако надо понимать, что R — величина постоянная для данного проводника и не зависит ни от напряжения, ни от силы тока. Если напряжение на данном проводнике увеличится, например, в 3 раза, то во столько же раз увеличится и сила тока в нем, а отношение напряжения к силе тока не изменится.

Источник

Электрический ток

По проводам течет электрический ток. Причем он именно «течет», практически как вода. Представим, что вы — счастливый фермер, который решил полить свой огород из шланга. Вы чуть-чуть приоткрыли кран, и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала.

Сила струи очень слабая. Потом вы решили, что напор нужен побольше и открыли кран на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что ни один помидор не останется без внимания, хотя в обоих случаях диаметр шланга одинаков.

А теперь представьте, что вы наполняете два ведра из двух шлангов. У зеленого напор сильнее, у желтого — слабее. Быстрее наполнится то ведро, в которое льется вода из шланга с сильным напором. Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из двух разных шлангов тоже разный. Иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.

Если мы возьмем проводник с током, то будет происходить то же самое: заряженные частицы будут двигаться по проводнику, как и молекулы воды. Если больше заряженных частиц будет двигаться по проводнику, то «напор» тоже увеличится.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Как классифицируется электрический ток

Под так называемым электрическим током проводимости принято подразумевать явление движения заряженных частиц в макроскопических элементах вещества.

При этом существует и конвекционный ток – когда в движение приходят сами макроскопические заряженные тела. В качестве примера можно привести движение заряженных капель атмосферных осадков.

Электрический ток бывает:

• Постоянным;
• Переменным;
• Пульсирующим;
• Комбинированным – в сочетании этих видов.

Так под постоянным током понимают такой ток, который слабо изменят свои показатели направления и величины. Зато переменный изменяет свои показатели достаточно заметно.

Существует несколько видов переменного тока, однако основным принято считать тот, который изменяет свои величины по синусоиде. Потенциал на каждом конце проводника в этом случае изменяется относительно другого конца – с отрицательного на положительный и наоборот. Сам ток при этом проходит через все возможные промежуточные потенциалы. В результате таких изменений образуется электрический ток, непрерывно изменяющий свое направление. Во время движения по одному направлению, он растет, достигает своих максимальных значений, после чего начинает идти на спад. Показатель максимума в этом случае называют амплитудным значением. В какой-то момент все показатели переменного тока обнуляются, после чего снова наблюдается возрастание. И так – циклически.

Квазистационарный ток – разновидность переменного тока, изменяющегося сравнительно медленно. Для его мгновенных значений исполняются законы для постоянного электрического тока с достаточной точностью. В качестве примеров таких законов можно привести всем известный закон Ома или правило Кирхгофа. Квазистационарный ток обладает неизменной силой на всем сечении неразветвленной сети

Чтобы точно рассчитывать цепи с квазистационарным током, необходимо принимать во внимание сосредоточенные параметры. Различают также квазистационарный промышленный ток – когда условия квазистационарности вдоль линий не работают (за исключением тока в линии дальней передачи)

Переменные токи повышенной частотности – это электрические токи, внутри которых не работают условия квазистационарности. Такие токи как бы обтекают проводник, проходя только по его наружной поверхности. Данный эффект даже получил оригинальное название – скин-эффект.

Пульсирующие электрические токи – это токи, не меняющие своего направления, но изменяющие величину.

Существует также вихревой электрический ток (он же – ток Фуко). В данном случае подразумевают замкнутый электрический ток, располагающийся внутри массивного проводника. Он возникает в случае изменения магнитного потока. Следовательно, вихревой ток можно считать индукционным. Чем интенсивнее и заметнее наблюдается изменение магнитного потока, тем сильнее и вихревой ток. Он не течет по обычным проводам, а замыкается на проводнике и формирует вихреобразный контур.

Именно благодаря наличию вихревых токов и наблюдается скин-эффект, упомянутый выше. В этом случае поток и переменные электрические токи распространяются по поверхности проводника. Так как проводник нагревается из-за действия вихревого тока, наблюдаются потери энергии и порой весьма значительные. Особенно это заметно в сердечниках катушек с переменным током.

Для уменьшения энергопотерь, используют деление проводов с переменным током на раздельные пластинки, друг от друга изолированные и располагающиеся под углом в 90 градусов к направлению вихревого тока. Это, в свою очередь, приводит к ограничению возможных контуров путей тока, значительно уменьшает его величину.