Когда мы произносим фразу «электрический ток», мы обычно имеем в виду различные проявления электричества. Электричество течет по проводам высоковольтной линии электропередачи, ток крутит стартер нашего автомобиля и заряжает аккумулятор, молния в грозу — это тоже электрический ток.
Электролиз, электроды, статические искры на расческе, ток, протекающий через спираль лампы накаливания, и даже в крошечном карманном фонарике крошечный ток, протекающий через светодиод. а как насчет нашего сердца, которое тоже генерирует небольшой ток, особенно заметный во время электрокардиограммы.
В физике электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе является носителем любого электрического заряда. Электрон, движущийся вокруг ядра атома, также является электрическим током. А заряженная палочка из черного дерева, если взять ее в руку и поводить ею из стороны в сторону, тоже становится источником тока: в ней есть ненулевой заряд, и она движется.
Все, что окружает человека и его самого, — это материальный мир, или материя, в ее различных формах. Все тела в природе состоят из одной из форм материи (вода, различные металлы и т.д.) и называются веществами.
Материя, которую нельзя химически разложить на отдельные химические элементы, называется простой материей. Вещества, состоящие из нескольких элементов, называются соединениями.
Вся материя состоит из мельчайших частиц — молекул, которые, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц — атомов. В то же время атомы состоят из других более мелких частиц с различными свойствами: ядер и электронов.
В случае неактивного электрического поля электроны в веществе находятся в состоянии беспорядочного движения. Это происходит потому, что во многих веществах, в основном в металлах, электроны недостаточно удерживаются ядром и могут свободно перемещаться от одного атома к другому.
Когда действуют силы электрического поля, движение электронов принимает упорядоченное (направленное) состояние и возникает электрический ток. Таким образом, электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение электронов.
При упорядоченном движении электроны перемещаются от места избытка электронов к месту их недостатка, от отрицательных чисел к положительным. Однако исторически сложилось так, что в электротехнике принято считать, что ток течет от положительного значения к отрицательному.
Ток распространяется со скоростью, близкой к скорости света — 300 000 километров в секунду. Это не означает, что каждый электрон в отдельности обладает такой скоростью.
Скорость электрона в проводнике составляет лишь доли сантиметра или миллиметра в секунду. Однако ток на одном конце проводника немедленно вызывает ток через весь проводник под действием электрического поля.
Подобное явление происходит, например, в трубе, заполненной водой, на одном конце которой установлен насос. Как только насос закачивает воду в трубу, давление, создаваемое в воде, немедленно передается от одной частицы к другой по трубе. Вода приходит в движение — она течет.
Однако частицы воды, добавляемые насосом, достигнут другого конца трубы гораздо позже, чем она начнет вытекать из трубы. Численно ток измеряется количеством заряда, проходящего через поперечное сечение провода за одну секунду.
Физическая аналогия между потоком воды и током в водопроводной системе: ток и трубы
Постоянный ток:
По проводам бытового прибора, включенного в розетку, течет ток — электроны движутся вперед и назад 50 раз в секунду — это называется переменным током.
Высокочастотные сигналы в электронных устройствах также являются токами, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри цепи.
Любой электрический ток создает магнитное поле благодаря своему присутствию. Он обязательно присутствует вокруг проводника, по которому течет ток. Без тока нет магнитного поля, а без магнитного поля нет тока.
Даже если вокруг тока не наблюдается магнитного поля, это означает, что в момент наблюдения магнитные поля двух токов компенсируют друг друга, подобно двужильному проводу любого электрочайника — в каждый момент времени переменные токи текут в противоположных направлениях, параллельно друг другу — и их магнитные поля нейтрализуют друг друга. Это известно как принцип суперпозиции магнитных полей.
На практике для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциала или вихревого тока. Электрические заряды редко движутся чисто механически (как в генераторе Ван де Граафа — наэлектризованной резинке).
Генератор Ван де Граафа:
Если электрические токи — это направленное движение заряженных частиц, мы должны найти ответ на вопрос, что заставляет эти частицы двигаться.
Возникновение и поддержание электрического тока происходит под действием электрического поля. Величина этого поля определяется работой, которую совершает сила электрического поля, перемещая один кулон от одного конца проводника к другому.
Если мы рассмотрим некоторую замкнутую систему, в которой циркулирует вода, то в этой системе должен быть насос, который придает энергию частицам воды для перемещения их по трубам. Частицы воды отдают энергию, полученную ими во время циркуляции (например, энергию, затраченную на преодоление трения). Когда частицы воды возвращаются в насос, они обладают меньшей энергией, чем в исходном состоянии.
Если сравнить электроны с частицами воды, то можно аналогичным образом представить себе процесс, происходящий в цепи. В этом случае насос будет соответствовать некоему «насосу электронов» или источнику электрической энергии, а линия — проводу. Следует подчеркнуть, что в цепи не производится никаких электронов, только наличие свободных и высокоподвижных электронов в каждом проводнике.
Если носитель заряда приобретает энергию в какой-то части цепи, принято говорить, что эта часть цепи является источником генерируемого электрического потенциала (ЭМП).
Таким образом, в электрическом поле заряженная частица испытывает электродвижущую силу, которая в источнике тока называется ЭДС — электрический потенциал. ЭДС измеряется в вольтах, как и напряжение между двумя точками в цепи.
Электродвижущая сила — это то, что заставляет электрический заряд двигаться, и определяется энергией, затрачиваемой на перемещение заряда.
В то же время источник энергии, перемещающий заряд в резистивной замкнутой цепи, совершает работу как во внутренней части цепи, так и во внешней. В результате в этих частях возникает напряжение, которое называется падением напряжения в конкретной части.
Поэтому термин «электрический потенциал» также включает в себя сумму падений напряжения во внешней и внутренней частях силовой цепи.
Напряжение и ток — это два взаимосвязанных электрических явления. Ток течет по проводнику только в том случае, если между двумя концами проводника существует разность потенциалов. Чем больше напряжение, приложенное к потребителю, тем больше ток, который это напряжение может вызвать.
Переменные напряжения создают переменные токи в проводнике, к которому они приложены, поскольку в этом случае электрическое поле, приложенное к носителю заряда, также является переменным. Постоянное напряжение — это условие наличия постоянного тока в проводнике.
Высокочастотные напряжения (меняющие направление сотни тысяч раз в секунду) также способствуют возникновению переменных токов в проводниках, но чем выше частота, тем меньше носителей заряда участвует в генерации токов в толще проводника, поскольку электрическое поле, действующее на заряженные частицы, вынуждено приближаться к поверхности, и ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это известно как эффект кожи.
Электрические токи могут существовать в вакууме, в проводнике, в электролите, в полупроводнике или даже в диэлектрике (токи смещения). Следует признать, что в диэлектрике не может быть постоянного тока, поскольку заряды в нем не могут свободно перемещаться, а только в пределах внутримолекулярных расстояний от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.
Настоящий электрический ток всегда предполагает возможность свободного движения зарядов под действием электрического поля. См. — Условия существования электрических токов.
В металлических проводниках ток — это движение «свободных» электронов, которые движутся в направлении, противоположном тому, которое обусловлено током (поскольку направление тока традиционно считается направлением заряда).
Ток в газе — это движение положительных ионов в одном направлении, а электронов (и отрицательных ионов) — в другом. Наконец, ток в электролите представляет собой положительные и отрицательные ионы, присутствующие в жидкости, движущиеся в противоположных направлениях.
Сила тока — количество электричества, которое проходит через все сечение тока за одну секунду — зависит, с одной стороны, от количества движущихся зарядов, а с другой — от средней скорости их равномерного движения.
В металлических проводниках число движущихся зарядов (свободных электронов) очень велико (около 1023 в 1 кубическом сантиметре), но средняя скорость регулярного движения очень мала (при самых сильных токах, которые могут выдержать проводники, эта средняя скорость составляет порядка сантиметра в секунду). В целом, число зарядов, движущихся в жидкостях, несколько меньше, и поэтому их средняя скорость больше.
В газах, где число движущихся зарядов намного меньше из-за их гораздо меньшей плотности и потому, что только небольшая часть всех молекул газа оказывается ионизированной, средняя скорость электронов и ионов намного выше, чем в металлических проводниках, достигая сотен и даже тысяч километров в секунду.
Понятие «электрический ток» было введено итальянским физиком Алессандро Вольта. Электрический ток, или в его версии «электрофлюид», течет в замкнутой цепи, соединяющей торцевые окружности вольтова столба и металлического проводника.
Вольтов столб» (1800) был первым неэлектростатическим источником энергии (источником постоянного тока) и состоял из чередующихся медных и цинковых петель, разделенных полоской ткани, смоченной в кислоте или подкисленной воде.
Наличие постоянно высокого потенциала на вольтовом столбе было совершенно новым явлением для того времени. Это был первый химический источник энергии, чей потенциал был постоянным во времени и не требовал процедуры возбуждения для его восстановления.
Вольтов столб состоял из большого количества кругов с достаточно высокими потенциалами на концах, которые можно было обнаружить не только с помощью измерительных приборов (особенно электронных микроскопов), но и прикоснувшись к концам кругов руками. Ощущается сильный удар током, такой же, как от бутылки Лейдена.
Открытие Вольты очень быстро распространилось в физическом сообществе и стало предметом дальнейших исследований. В 1800 году физики обнаружили электрохимическое действие электричества и, в частности, разложение воды на кислород и водород. Эксперименты с электрохимическими ячейками привели к открытию новых свойств электричества, помимо химических, включая его тепловые и магнитные эффекты.
Французский физик А.М. Ампер посвятил часть своей работы исследованию связи между электрическими токами и магнетизмом. Он обнаружил, что два проводника с электрическим током имеют взаимодействие — притяжение или отталкивание — в зависимости от направления тока в них. Своей работой он заложил основы электродинамики.
Он придумал термин «ток» и ввел понятие о том, что его направление совпадает с положительным электрическим движением. В честь А.М. Ампера была названа единица измерения электрического тока. Ампер является одной из семи основных единиц системы СИ.
Электрический ток обладает множеством свойств, которые могут быть эффективно использованы во многих практических приложениях. К этим свойствам относятся преобразование энергии тока в другие виды энергии (тепловую, оптическую, механическую, химическую) с помощью простых технических средств, а также возможность передачи на большие расстояния и быстрота распространения.
