Билет 7

Электрический ток в металлах
Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение частиц, носителей электрического заряда, в электромагнитном поле.

Что такое электрический ток в разных веществах? Примем, соответственно, движущиеся частицы:

в металлах — электроны,
в электролитах — ионы (катионы и анионы),
в газах — ионы и электроны,
в вакууме при определённых условиях — электроны,
в полупроводниках — дырки (электронно-дырочная проводимость).

Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток проявляется следующим образом:

нагревает проводники (явление не наблюдается в сверхпроводниках);
изменяет химический состав проводника (данное явление в первую очередь характерно для электролитов);
создает магнитное поле (проявляется у всех без исключения проводников).

Классификация

Постоянный и переменный ток
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 »конвекционным».

Токи различают на постоянный и переменный. Также существуют всевозможные разновидности переменного тока. При определении видов тока слово «электрический» опускают.

Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени. Может быть пульсирующий, например выпрямленный переменный, который является однонаправленным.
Переменный ток — электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.
Периодический ток — электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
Синусоидальный ток — периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. Любой периодический несинусоидальный ток может быть представлен в виде комбинации синусоидальных гармонических составляющих (гармоник), имеющих соответствующие амплитуды, часто́ты и начальные фазы. В этом случае Электростатический 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.
Квазистационарный ток — относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов. 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.
Ток высокой частоты — переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, которые являются либо полезными, определяющими его применение, либо вредными, против которых принимаются необходимые меры, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей.
Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.
Однонаправленный ток — это электрический ток, не изменяющий своего направления.

Вихревые токи

Вихревые токи Фуко
Вихревые токи ( или токи Фуко) — замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитный поток, 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.

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

Характеристики

Исторически принято, что »’направление тока»’ совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.

Дрейфовая скорость электронов

Дрейфовая скорость направленного движения частиц в проводниках, вызванного внешним полем, зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счёт упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Сила и плотность тока

Электрический ток
Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную — силу тока, и векторную — плотность тока.

Сила тока — физическая величина, равная отношению количества заряда

, прошедшего за некоторое время

через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в СИ измеряется в амперах (международное и русское обозначение: A).

По закону Ома сила тока

на участке цепи прямо пропорциональна электрическому напряжению

, приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению

Если на участке цепи электрический ток не постоянный, то напряжение и сила тока постоянно изменяется, при этом у обычного переменного тока средние значения напряжения и силы тока равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого при этом тепла нулю не равна.

Поэтому применяют следующие понятия:

мгновенные напряжение и сила тока, то есть действующие в данный момент времени.
амплитудные напряжение и сила тока, то есть максимальные абсолютные значения
эффективные (действующие) напряжение и сила тока определяются тепловым действием тока, то есть имеют те же значения, которые они имеют у постоянного тока с таким же тепловым эффектом.

Плотность тока — вектор, абсолютная величина которого равна отношению силы тока, протекающего через некоторое сечение проводника, перпендикулярное направлению тока, к площади этого сечения, а направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, образующих ток.

Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока в среде

пропорциональна напряжённости электрического поля

и проводимости среды

Мощность

При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Электрическое сопротивление любого проводника состоит из двух составляющих:

активное сопротивление — сопротивление теплообразованию;
реактивное сопротивление — сопротивление, обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно).

Как правило, большая часть работы электрического тока выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах.

В сплошной среде объёмная мощность потерь

определяется скалярным произведением вектора плотности тока

и вектора напряжённости электрического поля

в данной точке:

Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.

Сопротивление излучению вызвано образованием электромагнитных волн вокруг проводника. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде ток одного направления и силы, и длина которых L значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны

, зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:

Наиболее применяемому электрическому току со стандартной частотой 50 »Гц» соответствует волна длиной около 6 тысяч километров, именно поэтому мощность излучения обычно пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается, соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной.

Частота

Понятие частоты относится к переменному току, периодически изменяющему силу и/или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период переменного тока — наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Ток смещения

Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. В уравнениях Максвелла ток смещения присутствует на равных правах с током, вызванным движением зарядов. Интенсивность магнитного поля зависит от полного электрического тока, равного сумме тока проводимости и тока смещения. По определению, плотность тока смещения

— векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля

во времени:

Дело в том, что при изменении электрического поля, также как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля, что делает эти два процесса похожими друг на друга. Кроме того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, при зарядке и разрядке конденсатора, несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, переносящего некоторую энергию и своеобразным образом замыкающего электрическую цепь. Ток смещения

в конденсаторе определяется по формуле:

где

— заряд на обкладках конденсатора,

— электрическое напряжение в между обкладками,

— электрическая ёмкость конденсатора.

Ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда.

Единица измерения силы тока

А теперь представьте себе очень тонкие и очень длинные проводники. Расположены они параллельно друг другу. Расстояние между ними — $1 \space м$. Сила тока в них одинакова. И все это в вакууме! Вот здесь и появляется единица измерения силы тока (рисунок 3).

За единицу силы тока принимаю такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной $1 \space м$ взаимодействуют с силой $2 \cdot 10^{-7} \space Н$ ($0.0000002 \space Н$).

Рисунок 3. Определение единицы измерения силы тока

Имя этой единицы — ампер ($А$). Она названа в честь французского физика Андре Ампера (рисунок 4).

Рисунок 4. Ампер Андре Мари (1775 — 1836) — французский физик, математик и естествоиспытатель. Ввел в физику понятие электрического тока, за что в научном кругу его прозвали “Ньютоном электричества”

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока. Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Сопротивление проводника/цепи.

Термин «сопротивление» уже фактически говорит сам за себя ) Итак, сопротивление — физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению электрического тока.

Рассмотрим медный проводник длиной l с площадью поперечного сечения, равной S:

Сопротивление проводника зависит от нескольких факторов:

удельного сопротивления проводника \rho
длины проводника l
площади поперечного сечения проводника S

Удельное сопротивление — это табличная величина. Формула, с помощью которой можно вычислить сопротивление данного проводника выглядит следующим образом:

R = \rho\medspace \frac{l}{S}

Для нашего случая \rho будет равно 0,0175 (Ом * кв. мм / м) — удельное сопротивление меди. Пусть длина проводника составляет 0.5 м, а площадь поперечного сечения равна 0.2 кв. мм. Тогда:

R =0,0175 \cdot \frac{0.5}{0.2} = 0.04375\medspace Ом

И, как вы уже поняли из примера, единицей измерения сопротивления является Ом. Рассмотрим взаимосвязь напряжения, силы тока и сопротивления цепи.

Электрические токи в природе

Молния
Атмосферное электричество — электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин.

В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:

при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю.

Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10−12 А/м².

Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А.

Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма — естественный коронный электрический разряд.

Биотоки — движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.

Применение

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие — электроэнергетика.

Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,
получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,
получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,
возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,
получения звука,
получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,
создания магнитного поля (в электромагнитах).

Использование электрического тока в медицине

Электрофорез

диагностика — биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология. Электроэнцефалография — метод исследования функционального состояния головного мозга.
Электрокардиография — методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.
Электрогастрография — метод исследования моторной деятельности желудка.
Электромиография — метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.

Лечение и реанимация: электростимуляции определённых областей головного мозга; лечение болезнь болезни Паркинсона и эпилепсии, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях.

Электробезопасность

Предупреждение по электробезопасности
Включает в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги)
механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови)

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

»безопасным» считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
»минимально ощутимый» человеком переменный ток составляет около 0,6—1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5—7 мА постоянного тока;
пороговым »неотпускающим» называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10—15 мА, для постоянного — 50—80 мА;
»фибрилляционным порогом» называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц. Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.

В России в соответствии c Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей (Приказ Минэнерго РФ от 13.01.2003 № 6 «Об утверждении Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей») и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок (Приказ Минэнерго РФ от 27.12.2000 N 163 «Об утверждении Межотраслевых правил по охране труда (правил безопасности) при эксплуатации электроустановок»), установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.

Сила тока некоторых электроприборов

Для лучшего понимания, сколько же составляет один ампер на практике, в таблице 1 приведены средние значения силы тока для некоторых электроприборов.

Устройство	Значение силы тока $I$, А
Лампочка карманного фонаря	0,1
Обычная лампа накаливания	0,3 — 0,5
Холодильник	0,8 — 1
Телевизор	1,2 — 2
Электрический утюг	3
Пылесос	4 — 9
Стиральная машина	6 — 10
Двигатель троллейбуса	160 — 220
Молния	более 400 000

Таблица 1. Значения силы тока в различных потребителях электроэнергии