Что такое электрический ток
Направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием . Такими частицами могут являться: в проводниках – электроны
, в электролитах – ионы
(катионы и анионы), в полупроводниках – электроны
и, так называемые, "дырки"
("электронно-дырочная проводимость"). Также существует "ток смещения
", протекание которого обусловлено процессом заряда емкости, т.е. изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор протекает.
В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.
Током проводимости (просто током) в теории электрических цепей называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника: i=q/t , где i - ток. А; q = 1,6· 10 9 - заряд электрона, Кл; t - время, с.
Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени: i(t)= dq/dt .
Электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника. Разность потенциалов между двумя точками называют напряжением или падением напряжения на этом участке цепи .
Вместо термина «ток» («величина тока») часто применяется термин «сила тока». Однако последний нельзя назвать удачным, так как сила тока не есть какая-либо сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника.
Ток характеризуется , которая в системе СИ измеряется в амперах (А), и плотностью тока
, которая в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.
Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):
1А = 1Кл / с.
В общем случае, обозначив ток буквой i, а заряд q, получим:
i = dq / dt.
Единица тока называется ампер (А)
. Ток в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 сек проходит электрический заряд, равный 1 кулон.
Если вдоль проводника действует напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля Е на электроны с зарядом е действует сила f = Ее. Величины f и Е векторные. В течение времени свободного пробега электроны приобретают направленное движение наряду с хаотическим. Каждый электрон имеет отрицательный заряд и получает составляющую скорости, направленную противоположно вектору Е (рис. 1). Упорядоченное движение, характеризуемое некоторой средней скоростью электронов vcp, определяет протекание электрического тока.
Электроны могут иметь направленное движение и в разреженных газах. В электролитах и ионизированных газах протекание тока в основном обусловлено движением ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически направление тока было принято обратным направлению движения электронов.
За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительно заряженные частицы, т.е. направление, противоположное перемещению электронов.
В теории электрических цепей за направление тока в пассивной цепи (вне источников энергии) взято направление движения положительно заряженных частиц от более высокого потенциала к более низкому. Такое направление было принято в самом начале развития электротехники и противоречит истинному направлению движения носителей заряда - электронов, движущихся в проводящих средах от минуса к плюсу.
Величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения S, называются плотностью тока (обозначается δ ): δ= I / S
При этом предполагается, что ток равномерно распределен по сечению проводника. Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм2.
По типу носителей электрических зарядов и среды их перемещения различают токи проводимости
и токи смещения
. Проводимость делят на электронную и ионную. Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный.
Электрическим током переноса называют явление переноса электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом электрического тока переноса является движение в пустоте элементарных частиц, обладающих зарядом (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в газоразрядных приборах.
Электрическим током смещения (током поляризации)
называют упорядоченное движение связанных носителей электрических зарядов. Этот вид тока можно наблюдать в диэлектриках.
Полный электрический ток
- скалярная величина, равная сумме электрического тока проводимости, электрического тока переноса и электрического тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность.
Постоянным
называют ток, который может изменяться по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время. Подробнее об этом читайте здесь:
Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Величиной, характеризующей переменный ток, является частота (в системе СИ измеряется в герцах), в том случае, когда его сила изменяется периодически. Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника. Токи высокой частоты применяется в машиностроении для термообработки поверхностей деталей и сварки, в металлургии для плавки металлов. Переменные токи подразделяют на синусоидальные и несинусоидальные . Синусоидальным называют ток, изменяющийся по гармоническому закону:
i = Im sin ωt,
Скорость изменения переменного тока характеризуется его , определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). Так, частота тока в сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям в секунду. Угловая частота ω - скорость изменения тока в радианах в секунду и связана с частотой простым соотношением:
ω = 2πf
Установившиеся (фиксированные) значения постоянного и переменного токов обозначают прописной буквой I неустановившиеся (мгновенные) значения - буквой i. Условно положительным направлением тока считают направление движения положительных зарядов.
Это ток, который изменяется по закону синуса с течением времени.
Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону.
Поскольку переменный ток изменяется во времени, простые способы решения задач, пригодные для цепей постоянного тока, здесь непосредственно неприменимы. При очень высоких частотах заряды могут совершать колебательное движение - перетекать из одних мест цепи в другие и обратно. При этом, в отличие от цепей постоянного тока, токи в последовательно соединённых проводниках могут оказаться неодинаковыми. Ёмкости, присутствующие в цепях переменного тока, усиливают этот эффект. Кроме того, при изменении тока сказываются эффекты самоиндукции, которые становятся существенными даже при низких частотах, если используются катушки с большой индуктивностью. При сравнительно низких частотах цепи переменного тока можно по-прежнему рассчитывать с помощью , которые, однако, необходимо соответствующим образом модифицировать.
Цепь, в которую входят разные резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, можно рассматривать, как если бы она состояла из обобщённых резистора, конденсатора и катушки индуктивности, соединённых последовательно.
Рассмотрим свойства такой цепи, подключённой к генератору синусоидального переменного тока. Чтобы сформулировать правила, позволяющие рассчитывать цепи переменного тока, нужно найти соотношение между падением напряжения и током для каждого из компонентов такой цепи.
Играет совершенно разные роли в цепях переменного и постоянного токов. Если, например, к цепи подключить электрохимический элемент, то конденсатор начнёт заряжаться, пока напряжение на нём не станет равным ЭДС элемента. Затем зарядка прекратится и ток упадёт до нуля. Если же цепь подключена к генератору переменного тока, то в один полупериод электроны будут вытекать из левой обкладки конденсатора и накапливаться на правой, а в другой - наоборот. Эти перемещающиеся электроны и представляют собой переменный ток, сила которого одинакова по обе стороны конденсатора. Пока частота переменного тока не очень велика, ток через резистор и катушку индуктивности также одинаков.
В устройствах-потребителях переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.
Проводники электрического тока
Материал, в котором течёт ток, называется . Некоторые материалы при низких температурах переходят в состояние сверхпроводимости. В таком состоянии они не оказывают почти никакого сопротивления току, их сопротивление стремится к нулю. Во всех остальных случаях проводник оказывает сопротивление течению тока и в результате часть энергии электрических частиц превращается в тепло. Силу тока можно рассчитать по для участка цепи и закону Ома для полной цепи.
Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частицы, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.
Как ток влияет на организм человека
Ток, пропущенный через организм человека или животного, может вызвать электрические ожоги, фибрилляцию или смерть. С другой стороны, электрический ток используют в реанимации, для лечения психических заболеваний, особенно депрессии, электростимуляцию определённых областей головного мозга применяют для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии. В организме человека и животных ток используется для передачи нервных импульсов.
По технике безопасности, минимально ощутимый человеком ток составляет 1 мА. Опасным для жизни человека ток становится начиная с силы примерно 0,01 А. Смертельным для человека ток становится начиная с силы примерно 0,1 А. Безопасным считается напряжение менее 42 В.
Содержание:
Каждому обывателю знакомы на слух электрические величины - ток, напряжение, - от них зависит работа бытовых приборов, но полное понимание определения электротока есть у немногих людей. Показательно сравнение электрического тока с течением реки, только в нем двигаются частицы, имеющие заряд, а в реке - вода. Надо понимать, что ток движется только в одном направлении, для его существования должны быть созданы условия, рассмотрим эти процессы подробней.
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:
- 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.
- 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.
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.
Электрическая энергия
В разных регионах, в частности, и в Украине простой обыватель интересуется: «Що таке електричний струм?», с какой целью он применяется, из чего происходит. Повседневно мы пользуемся электрической энергией, которая представлена переменным током в электрических сетях.
Переменный ток в проводнике - это когда частицы, имеющие заряд за определенный промежуток времени, меняют его по направлению, а также по величине. Графически переменный ток представляется синусоидой. Создается он генераторами, в которых вращаются катушки с проводами и в процессе вращения пересекают магнитное поле. В период вращения катушки могут открываться и закрываться по отношению к магнитному полю, что создает электрический ток, который меняется в проводниках по направлению, а полный цикл проходит за одну минуту.
Вращение генераторов происходит от паровых турбин, имеющих разные источники питания: уголь, газ, атомный реактор, нефть. Далее через систему трансформаторов повышается напряжение тока, через проводники нужного диаметра он переносится без потерь на длительное расстояние. Диаметр провода, по которому проходит ток, определяет его силу и величину, горячими линиями в энергетике называются магистральные линии передачи энергии, есть и заземленные варианты, когда передача электроэнергии происходит под землей.
Где применяется электрический ток?
Именно ток значительно облегчает нам жизнь, создавая комфорт в доме. Он применяется для освещения помещений, улицы, для просушки вещей, в нагревательных элементах электроплиты, в других бытовых приборах и устройствах, выполняет работу подъема гаражных дверей и т.д.
Условия, необходимые для получения электротока
Для существования электротока нужны следующие условия: наличие частиц, имеющих заряд, электропроводный материал, по которому будут двигаться частицы, источник напряжения. Важным условием получения электротока является наличие напряжения, которое определяется разностью потенциалов. Иными словами, сила, создаваемая заряженными частицами отталкивания, в одной точке больше, чем в другой.
Природных источников напряжения не существует, по этой причине вокруг нас равномерно распределяются электроны, но такие изобретения, как батарейки дали возможность накапливать в них электрическую энергию.
Другим важным условием является электрическое сопротивление, или проводник, по которому будут двигаться частицы, имеющие заряд. Материалы, в которых это действие возможно, называются электропроводными, а те, в которых нет свободного движения электронов, - изоляторами. Обыкновенный провод имеет проводящую металлическую жилу и изолирующую оболочку.
Электроток в проводниках
В любом проводнике есть носители электрического заряда, которые приходят в движение под воздействием силы поля, создаваемого электрической машиной.
Металлические проводники переносят заряд при помощи электронов. Чем выше температура проводника и нагрев провода, тем хуже протекает ток, так как в нем начинается хаотическое движение атомов от теплового воздействия, увеличивается сопротивление проводящего материала. Чем ниже температура проводника (в идеале - стремление к нулю), тем меньше его сопротивление.
Жидкости могут проводить электроток при помощи ионов (электролиты). Перемещение происходит к электроду, имеющему противоположный с ионом знак, и, оседая на нем, ионы осуществляют процесс электролиза. Анионы - положительно заряженные ионы, двигающиеся к катоду. Катионы - ионы, имеющие отрицательный заряд, двигаются к аноду. В процессе нагревания электролита уменьшается его сопротивление.
Газ также имеет проводимость, электроток в нем - плазма. Движение происходит при помощи заряженных ионов или свободных электронов, которые получаются в процессе излучения.
Электронно-лучевая трубка - это пример электротока в вакууме от стержня катода к стержню анода.
Электроток в полупроводниках
Для понимания прохождения тока в этом материале дадим ему определение. Полупроводник - промежуточный материал между проводником и изолятором, зависит от удельной проводимости, наличия в нем примесей, температурного состояния и воздействующего на него излучения. Чем ниже температура, тем больше сопротивление полупроводника, свойства его влияют на измерения характеристик. Электроток в полупроводнике - это сумма электронного и дырочного тока.
Когда повышается температура полупроводника, происходит разрыв ковалентных связей от действия тепловой энергии на валентные электроны, образуются свободные электроны, в точке разрыва получается дырка. Она занимается валентным электроном другой пары, а сама перемещается далее в кристалле. Когда свободный электрон встречается с дыркой, между ними происходит рекомбинация, восстановление электронных связей. Когда на полупроводник воздействуют энергией электромагнитного излучения, появляются в нем электронно-дырочные пары.
Законы электрического тока
В электротехнике применяются основные законы, которые дают определение электрического тока. Один из главнейших - закон Ома, особенностью которого является быстрота передачи энергии без изменения ее формы из одной точки в другую.
Этот закон показывает связь между напряжением и силой тока, а также сопротивлением проводника или участка цепи. Сопротивление измеряется в омах.
Работу электротока определяют законом Джоуля-Ленца, который говорит о том, что в любой точке цепи ток выполняет работу.
Фарадей открыл магнитную индукцию, а также опытным способом установил, что при пересечении линии магнитной индукции поверхностью замкнутого проводника в нем появляется электроток. Он вывел закон электромагнитной индукции:
Не замкнутые проводники, пересекающие линии магнитного поля, получают на концах напряжение, что говорит о появлении ЭДС индукции. Если магнитный поток неизменен и пересекает замкнутый контур, то в нем не возникает электротока. ЭДС индукции замкнутого контура, когда меняется магнитный поток, равен модулю его скорости изменения.
Вывод
Когда по проводнику протекает электрический ток, он его нагревает, по этой причине необходимо соблюдать меры безопасности, работая с электрическими приборами и устройствами. Нельзя допускать перегрузки линии передачи энергии, она может нагреться, и возникнет пожар. Электроток всегда движется по пути наименьшего сопротивления.
В момент появления КЗ (короткого замыкания) ток в разы возрастает, происходит моментальное выделение огромного теплового значения, которое плавит металл. Электрический ток может вызвать ожоги на теле человека или животного, но применяется в реанимационных установках, для депрессивных решений и лечения заболеваний.
По правилам электробезопасности ощутимый человеком ток наступает с величины один миллиампер, а опасным для здоровья считается ток с 0,01 ампера, смертельной величиной определена сила тока в 0,1 ампера. Безопасное напряжение для человека - 12-24-32-42 вольта.
Без электричества невозможно представить жизнь современного человека. Вольты, Амперы, Ватты – эти слова звучат в разговоре об устройствах, которые работают от электричества. Но что это такое электрический ток и каковы условия его существования? Об этом мы расскажем далее, предоставив краткое объяснение для начинающих электриков.
Определение
Электрическим током является направленное движение носителей зарядов – это стандартная формулировка из учебника физики. В свою очередь носителями заряда называются определенные частицы вещества. Ими могут быть:
- Электроны – отрицательные носители заряда.
- Ионы – положительные носители заряда.
Но откуда берутся носители заряда? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить базовые знания о строении вещества. Всё что нас окружает – вещество, оно состоит из молекул, мельчайших его частиц. Молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны на заданных орбитах. Молекулы также хаотично движутся. Движение и структура каждой из этих частиц зависят от самого вещества и влияния на него окружающей среды, например температуры, напряжения и прочего.
Ионом называют атом, у которого изменилось соотношение электронов и протонов. Если изначально атом нейтрален, то ионы в свою очередь делят на:
- Анионы – положительный ион атома, потерявшего электроны.
- Катионы – это атом с «лишними» электронами, присоединившиеся к атому.
Единица измерения тока – Ампер, согласно он вычисляется по формуле:
где U – напряжение, [В], а R – сопротивление, [Ом].
Или прямопропорционален количеству заряда, перенесенному за единицу времени:
где Q – заряд, [Кл], t – время, [с].
Условия существования электрического тока
Что такое электрический ток мы разобрались, теперь давайте поговорим о том, как обеспечить его протекание. Для протекания электрического тока необходимо выполнение двух условий:
- Наличие свободных носителей заряда.
- Электрическое поле.
Первое условие существования и протекания электричества зависит от вещества, в котором протекает (или не протекает) ток, а также его состояния. Второе условие также выполнимо: для существования электрического поля обязательно наличие разных потенциалов, между которыми находится среда, в которой будут протекать носители заряда.
Напомним: Напряжение, ЭДС – это разность потенциалов. Отсюда следует, что для выполнения условий существования тока – наличия электрического поля и электрического тока, нужно напряжение. Это могут быть обкладки заряженного конденсатора, гальванический элемент, ЭДС возникшее под действием магнитного поля (генератор).
Как он возникает, мы разобрались, давайте поговорим о том, куда он направлен. Ток, в основном, в привычном для нас использовании, движется в проводниках (электропроводка в квартире, лампочки накаливания) или в полупроводниках (светодиоды, процессор вашего смартфона и другая электроника), реже в газах (люминесцентные лампы).
Так вот основными носителями заряда в большинстве случаев являются электроны, они движутся от минуса (точки с отрицательным потенциалом) к плюсу (точке с положительным потенциалом, подробнее об этом вы узнаете ниже).
Но интересен тот факт, что за направление движения тока было принято движение положительных зарядов – от плюса к минусу. Хотя фактически всё происходит наоборот. Дело в том, что решение о направлении тока было принято до изучения его природы, а также до того, как было определено за счет чего протекает и существует ток.
Электрический ток в разных средах
Мы уже упоминали о том, что в различных средах электрический ток может различаться по типу носителей заряда. Среды можно разделить по характеру проводимости (по убыванию проводимости):
- Проводник (металлы).
- Полупроводник (кремний, германий, арсенид галия и пр).
- Диэлектрик (вакуум, воздух, дистиллированная вода).
В металлах
В металлах есть свободные носители зарядов, их иногда называют «электрическим газом». Откуда берутся свободные носители зарядов? Дело в том, что металл, как и любое вещество, состоит из атомов. Атомы, так или иначе движутся или колеблются. Чем выше температура металла, тем сильнее это движение. При этом сами атомы в общем виде остаются на своих местах, собственно и формируя структуру металла.
В электронных оболочках атома обычно есть несколько электронов, у которых связь с ядром достаточно слабая. Под воздействием температур, химических реакций и взаимодействия примесей, которые в любом случае находятся в металле, электроны отрываются от своих атомов, образуются положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся электроны называются свободными и двигаются хаотично.
Если на них будет воздействовать электрическое поле, например, если подключить к куску металла батарейку – хаотичное движение электронов станет упорядоченным. Электроны от точки, в которую подключен отрицательный потенциал (катод гальванического элемента, например), начнут двигаться к точке с положительным потенциалом.
В полупроводниках
Полупроводниками являются такие материалы, в которых в нормальном состоянии нет свободных носителей заряда. Они находятся в так называемой запрещенной зоне. Но если приложить внешние силы, такие как электрическое поле, тепло, различные излучения (световое, радиационное и пр.), они преодолевают запрещенную зону и переходят в свободную зону или зону проводимости. Электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными, образуя ионы – положительные носители зарядов.
Положительные носители в полупроводниках называются дырками.
Если просто передать энергию полупроводнику, к примеру нагреть, начнется хаотичное движение носителей заряда. Но если речь идет о полупроводниковых элементах, типа диода или транзистора, то на противоположных концах кристалла (на них нанесен металлизированный слой и припаяны выводы) возникнет ЭДС, но это не относится к теме сегодняшней статьи.
Если приложить источник ЭДС к полупроводнику, то носители заряда также перейдут в зону проводимости, а также начнется их направленное движение – дырки пойдут в сторону с меньшим электрическим потенциалом, а электроны – в сторону с большим.
В вакууме и газе
Вакуумом называют среду с полным (идеальный случай) отсутствием газов или минимизированным (в реальности) его количеством. Так как в вакууме нет никакого вещества, то и носителям заряда браться не откуда. Однако протекание тока в вакууме положило начало электронике и целой эпохе электронных элементов – электровакуумных ламп. Их использовали в первой половине прошлого века, а в 50-х годах они начали постепенно уступать месту транзисторам (в зависимости от конкретной сферы электроники).
Допустим, что у нас есть сосуд, из которого откачали весь газ, т.е. в нём полный вакуум. В сосуд помещено два электрода, назовем их анод и катод. Если мы подключим к катоду отрицательный потенциал источника ЭДС, а к аноду положительный – ничего не произойдет и ток протекать не будет. Но если мы начнем нагревать катод – ток начнет протекать. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией – испускание электронов с нагретой поверхности электрона.
На рисунке изображен процесс протекания тока в вакуумной лампе. В вакуумных лампах катод нагревают расположенной рядом нитью накала на рис (Н), типа такой, как в осветительной лампе.
При этом, если изменить полярность питания – на анод подать минус, а на катод подать плюс – ток протекать не будет. Это докажет, что ток в вакууме протекает за счет движения электронов от КАТОДА к АНОДУ.
Газ также как и любое вещество состоит из молекул и атомов, это значит, что если газ будет находиться под воздействием электрического поля, то при определенной его силе (напряжение ионизации) электроны оторвутся от атома, тогда будут выполнены оба условия протекания электрического тока – поле и свободные носители.
Как уже было сказано, этот процесс называется ионизацией. Она может происходить не только от приложенного напряжения, но и при нагреве газа, рентгеновском излучении, под воздействием ультрафиолета и прочего.
Ток через воздух потечет, даже если между электродами установить горелку.
Протекание тока в инертных газах сопровождается люминесценцией газа, это явление активно используется в люминесцентных лампах. Протекание электрического тока в газовой среде называется газовым разрядом.
В жидкости
Допустим, что у нас есть сосуд с водой в который помещены два электрода, к которым подключен источник питания. Если вода дистиллированная, то есть чистая и не содержит примесей, то она является диэлектриком. Но если мы добавим в воду немного соли, серной кислоты или любого другого вещества, образуется электролит и через него начнет протекать ток.
Электролит – вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы.
Если в воду добавить медный купорос, то на одном из электродов (катоде) осядет слой меди – это называется электролиз, что доказывает что электрический ток в жидкости осуществляется за счет движения ионов – положительных и отрицательных носителей заряда.
Электролиз – физико-химический процесс, который заключается в выделении на электродах компонентов составляющих электролит.
Таким образом происходит омеднение, золочения и покрытие другими металлами.
Заключение
Подведем итоги, для протекания электрического тока нужны свободные носители зарядов:
- электроны в проводниках (металлы) и вакууме;
- электроны и дырки в полупроводниках;
- ионы (анионы и катионы) в жидкости и газах.
Для того, чтобы движение этих носителей стало упорядоченны, нужно электрическое поле. Простыми словами — приложить напряжение на концах тела или установить два электрода в среде, где предполагается протекание электрического тока.
Также стоит отметить, что ток определенным образом воздействует на вещество, различают три типа воздействия:
- тепловое;
- химическое;
- физическое.
Полезное
В настоящей статье показано, что в современной физике представление об электрическом токе мифологизировано и не имеет доказательств его современной интерпретации.
С позиций эфиродинамики обосновывается представление электрического тока как потока фотонного газа и условия его существования.
Введение. В истории науки XIX век назвали веком электричества. Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так изменившей мир, начался с гальванического элемента — первой батарейки, химического источника тока (вольтова столба) и открытия электрического тока. Исследования электрического тока, производившиеся в большом масштабе в первые годы XIX в. дали толчок проникновению электричества во все сферы жизнедеятельности человека. Современная жизнь немыслима без радио и телевидения, телефона, смартфона и компьютера, всевозможных осветительных и нагревательных приборов, машин и устройств, в основе которых лежит возможность использования электрического тока.
Однако, широкое использование электричества с первых дней открытия электрического тока находится в глубоком противоречии его теоретическому обоснованию. Ни физика XIX в., ни современная не могут ответить на вопрос: что такое электрический ток? Например, в нижеприведенном утверждении из “Британской энциклопедии” :
“Вопрос: “Что такое электричество?”, как и вопрос: “Что такое материя?”, лежит за пределами сферы физики и принадлежит сфере метафизики”.
Первые, получившие широкую известность, опыты с электрическим током были проведены итальянским физиком Гальвани в конце XVIII в. Другой итальянский физик Вольта создал первое устройство, способное давать длительный электрический ток, – гальванический элемент. Вольта показал, что соприкосновение разнородных металлов приводит их в электрическое состояние и что от присоединения к ним жидкости, проводящей электричество, образуется непосредственное течение электричества. Ток, получающийся в названном случае, называется гальваническим током и само явление гальванизмом. При этом, ток в представлении Вольта это движение электрических жидкостей — флюидов.
Существенный сдвиг в понимании сущности электрического тока был сделан
М. Фарадеем. Им было доказана тождественность отдельных видов электричества, происходящих от различных источников. Наиболее важными работами стали эксперименты по электролизу . Открытие было воспринято как одно из доказательств того что движущееся электричество фактически идентично электричеству, обусловленному трением, т. е. статическому электричеству. Его серия остроумных экспериментов по электролизу послужила убедительным подтверждением идеи, суть которой сводится к следующему: если вещество по своей природе имеет атомную структуру, то в процессе электролиза каждый атом получает определенное количество электричества.
В 1874 году ирландский физик Дж. Стоней (Стони) выступил в Белфасте с докладом, в котором использовал законы электролиза Фарадея как основу для атомарной теории электричества. По величине полного заряда, прошедшего через электролит, и довольно грубой оценке числа выделившихся на катоде атомов водорода Стоней получил для элементарного заряда число порядка 10 -20 Кл (в современных единицах). Этот доклад не был полностью опубликован вплоть до 1881 года, когда немецкий ученый
Г. Гельмгольц в одной из лекций в Лондоне отметил, что если принять гипотезу атомной структуры элементов, нельзя не прийти к выводу, что электричество также разделяется на элементарные порции или «атомы электричества». Этот вывод Гельмгольца, по существу, вытекал из результатов Фарадея по электролизу и напоминал высказывание самого Фарадея. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории.
В 1891 году Стоней, который поддерживал идею, что законы электролиза Фарадея означают существование естественной единицы заряда, ввел термин – «электрон» .
Однако, вскоре термин электрон, введенный Стонеем, теряет свою первоначальную сущность. В 1892 году Х. Лоренц формирует собственную теорию электронов. По его утверждению электричество возникает при движении крохотных заряженных частиц – положительных и отрицательных электронов.
В конце XIX в. начала развиваться электронная теория проводимости. Начала теории дал в 1900 г. немецкий физик Пауль Друде. Теория Друде вошла в учебные курсы физики под именем классической теории электропроводимости металлов. В этой теории электроны уподобляются атомам идеального газа, заполняющего кристаллическую решетку металла, а электрический ток представляется как поток этого электронного газа.
После представления модели атома Резерфорда, серии измерений величины элементарного заряда в 20-х годах ХХ ст. в физике окончательно сформировалось представление об электрическом токе, как потоке свободных электронов, структурных элементов атома вещества.
Однако, модель свободных электронов оказалась несостоятельной при объяснении сущности электрического тока в жидких электролитах, газах и полупроводниках. Для поддержки существующей теории электрического тока были введены новые носители электрического заряда – ионы и дырки.
На основании выше изложенного, в современной физике сформировалось окончательное по современным меркам понятие : электрический ток это направленное движение носителей электрических зарядов (электронов, ионов, дырок и т. п.).
За направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов; если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (напр., электронами), то направление тока считают противоположным движению частиц.
Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени. Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий: — наличие в среде свободных электрических зарядов; — создание в среде электрического поля.
Однако, данное представление электрического тока оказалось несостоятельным при описании явления сверхпроводимости. Кроме того, как выяснилось, существует много противоречий в указанном представлении электрического тока при описании функционирования практически всех типов электронных приборов. Необходимость интерпретации понятия электрический ток в разных условиях и в разных типах электронных приборах с одной стороны, а также непонимание сущности электрического тока с другой, заставило современную физику сделать из электрона – носителя электрического заряда, “фигаро” (“свободный”, “быстрый”, “выбитый”, “испущенный ”, “тормозной ”, “релятивистский”, “фото”, “термо” и т. п.), что окончательно завело вопрос “что такое электрический ток?” в тупик.
Значимость теоретического представления электрического тока в современных условиях значительно выросла не только из-за широкого применения электричества в жизнедеятельности человека, но и из-за высокой стоимости и технической целесообразности, например, научных мегапроектов , реализуемых всеми развитыми странами мира, в которых понятие электрического тока играет существенную роль.
Эфиродинамическая концепция представления электрического тока. Из выше приведенного определения следует, что электрический ток это направленное движение носителей электрических зарядов . Очевидно, что вскрытие физической сущности электрического тока находится в решении проблемы физической сущности электрического заряда и того, что является носителем этого заряда.
Проблема физической сущности электрического заряда это не решенная проблема, как классической физикой, так и современной квантовой на протяжении всей истории развития электричества. Решение этой проблемы оказалось возможным только с использованием методологии эфиродинамики , новой концепции физики XXI в..
Согласно эфиродинамическому определению : электрический заряд это мера движения потока эфира… . Электрический заряд это свойство присущее всем элементарным частицам и только. Электрический заряд это величина знакоопределенная, т. е. всегда положительная.
Из указанной физической сущности электрического заряда следует некорректность выше представленного определения электрического тока в части того, что ионы, дырки и т. п. не могут быть причиной электрического тока в связи с тем, что не являются носителями электрического заряда, так как не являются элементами организационного уровня физической материи – элементарные частицы (согласно определению).
Электроны, как элементарные частицы имеют электрический заряд, однако, согласно определению : являются одной из основных структурных единиц вещества, образуют электронные оболочки атомов , строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических и химических свойств вещества, не могут быть подвижными (свободными) носителями электрического заряда. Свободный электрон это миф, созданный современной физикой для интерпретации понятия электрический ток, не имеющий ни одного практического или теоретического доказательства. Очевидно, что, как только “свободный” электрон покинет атом вещества, образуя электрический ток, непременно должны произойти изменения физико-химических свойств этого вещества (согласно определению), чего в природе не наблюдается. Это предположение было подтверждено опытами немецкого физика Карла Виктора Эдуарда Рикке : “прохождение тока через металлы (проводники первого рода) не сопровождается химическим изменением их.” В настоящее время, зависимость физико-химических свойств вещества от наличия того или иного электрона в атоме вещества хорошо изучена и подтверждена экспериментально, например, в работе .
Также существует ссылка на опыты , выполненные впервые в 1912 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, но не опубликованные ими. Четыре года спустя (1916 г.) Р. Ч. Толмен и Т. Д. Стюарт опубликовали результаты своих опытов, оказавшихся аналогичными опытам Мандельштама и Папалекси. В современной физике эти опыты служат непосредственным подтверждением того, что переносчиками электричества в металле следует считать свободные электроны.
Для того, чтобы понять некорректность этих опытов, достаточно рассмотреть схему и методику опыта , в котором в качестве проводника использовалась катушка индуктивности, которая раскручивалась вокруг своей оси и резко останавливалась. Катушка с помощью скользящих контактов была подключена к гальванометру , который регистрировал возникновение инерционной ЭДС. Фактически можно сказать, что в данном опыте роль сторонних сил, создающих ЭДС, играла сила инерции, т. е. если в металле есть свободные носители заряда, обладающие массой, то они должны подчиняться закону инерции . Утверждение “они должны подчиняться закону инерции ” ошибочно в том плане, что согласно уровневому подходу в организации физической материи , электроны, как элементы уровня “элементарные частицы“ подчиняются только законам электро- и газодинамики, т. е. законы механики (Ньютона) к ним не применимы.
Для убедительности этого предположения рассмотрим известную задачу 3.1: вычислить отношение электростатической (Fэ) и гравитационной (Fгр) сил взаимодействия между двумя электронами, между двумя протонами.
Решение: для электронов Fэ / Fгр = 4·10 42 , для протонов Fэ / Fгр = 1,24·10 36 , т.е. влияние гравитационных сил настолько мало, что принимать их во внимание не приходится. Данное утверждение справедливо и для сил инерции.
Это значит, что выражение для ЭДС (предложенное Р. Ч. Толменом и Т. Д. Стюартом), исходя из ее определения через сторонние силы F стор , действующие на заряды внутри проводника, подвергшегося торможению:
ε = 1/e ∫F стор ∙dl,
некорректно в своей постановке, ввиду того, что F стор → 0.
Тем не менее, в результате опыта наблюдалось кратковременное отклонение стрелки гальванометра, которое требует объяснения. Для понимания этого процесса следует обратить внимание на сам гальванометр, в качестве которого был использован так называемый баллистический гальванометр . Его инструкция по использованию имеет такой вариант.
Баллистический гальванометр может использоваться в качестве веберметра (т.е. измерять магнитный поток через замкнутый проводник, например катушку), для этого к контактам баллистического гальванометра подключают индуктивную катушку , которую помещают в магнитное поле . Если после этого резко убрать катушку из магнитного поля или повернуть так чтобы ось катушки была перпендикулярна силовым линиям поля, то можно измерить заряд прошедший через катушку, вследствие электромагнитной индукции , т.к. изменение магнитного потока пропорционально прошедшему заряду, проградуировав соответствующим образом гальванометр, можно определять изменение потока в веберах .
Из выше изложенного очевидно, что использование баллистического гальванометра в качестве веберметра соответствует методике опыта Р. Ч. Толмена и Т. Д. Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах. Открытым остается вопрос об источнике магнитного поля, которым, например, могло быть магнитное поле Земли. Влияние внешнего магнитного поля Р. Ч. Толменом и Т. Д. Стюартом во внимание не принималось и не исследовалось, что и привело к мифологизации результатов опыта.
Сущность электрического тока. Из выше изложенного следует, что ответом на вопрос, что такое электрический ток? также является решение проблемы носителя электрического заряда. На основании существующих представлений этой проблемы можно сформулировать ряд требований, которым должен удовлетворять носитель электрического заряда. А именно: носитель электрического заряда должен быть элементарной частицей; носитель электрического заряда должен быть свободным и долгоживущим элементом; носитель электрического заряда не должен разрушать структуру атома вещества.
Не сложный анализ существующих фактов позволяет сделать вывод, что выше указанным требованиям удовлетворяет только один элемент уровня “элементарные частицы” физической материи: элементарная частица – фотон .
Совокупность фотонов вместе со средой (эфиром), в которой они существуют, образуют фотонный газ.
Принимая во внимание физическую сущность фотона и выше приведенные сведения можно дать следующее определение:
электрический ток это поток фотонного газа, предназначенный для переноса энергии.
Для понимания механизма движения электрического тока рассмотрим известную модель транспортировки газа метана . Упрощенно она включает в себя магистральный трубопровод, который доставляет газ метан от газового месторождения к месту потребления. Для перемещения газа метана по магистральному трубопроводу необходимо выполнение условия – давление газа метана в начале трубопровода должно быть больше давления газа метана в его конце.
По аналогии с транспортировкой газа метана рассмотрим схему движения электрического тока, состоящую из батареи (источника электрического тока), имеющей два контакта “+” и “-“ и проводника. Если к контактам батареи подсоединить металлический проводник, то получим модель движения электрического тока, подобную транспортировке газа метана.
Условием существования электрического тока в проводнике по аналогии с моделью транспортировки газа метана является наличие: источника (газа) повышенного давления, т. е. источника высокой концентрации носителей электрического заряда; трубопровода – проводника; потребителя газа, т. е. элемента, обеспечивающего снижение давления газа, т. е. элемента (сток), обеспечивающего уменьшение концентрации носителей электрического заряда.
Отличием электрических схем от газо-, гидро- и др. является то, что конструктивно источник и сток исполняются в одном узле (химическом источнике тока-батарее, электрогенераторе и т. п.). Механизм протекания электрического тока заключается в следующем: после подсоединения проводника к батарее, например, химическому источнику тока , в зоне контакта “+” (анод) происходит химическая реакция восстановления, в результате которой осуществляется генерация фотонов, т. е. образуется зона повышенной концентрации носителей электрического заряда. В это же время, в зоне контакта “-“ (катода) под воздействием фотонов, оказавшихся в этой зоне в результате перетока по проводнику, происходит реакция окисления (потребления фотонов), т. е. образуется зона пониженной концентрации носителей электрического заряда. Носители электрического заряда (фотоны) из зоны высокой концентрации (источника) движутся по проводнику в зону низкой концентрации (стоку). Таким образом, сторонней силой или электродвижущей силой (ЭДС), обеспечивающей электрический ток в цепи является разность концентрации (давления) носителей электрического заряда (фотонов), образующейся в результате работы химического источники тока.
Это обстоятельство еще раз подчеркивает справедливость основного вывода энергодинамики , согласно которому силовые поля (и в том числе электрическое поле) создается не массами, зарядами и токами самими по себе, а их неравномерным распределением в пространстве.
Исходя из рассмотренной сущности электрического тока, очевидна абсурдность опыта Р. Ч. Толмена и Т. Д. Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах. Способа генерации фотонов за счет изменения скорости механического движения какого-либо макроскопического тела в природе в настоящее время не существует.
Интересным аспектом выше изложенного представления электрического тока является его сравнение с представлением понятия “свет”, рассмотренного в работе : свет это поток фотонного газа… . Указанное сравнение позволяет сделать вывод: свет это электрический ток. Различие в этих понятиях заключается только в спектральном составе фотонов, образующих свет или электрический ток, например, в металлических проводниках. Для более убедительного понимания этого обстоятельства рассмотрим схему генерации электрического тока с помощью солнечной батареи. Поток солнечного света (фотонов видимого диапазона) от источника (солнце) достигает солнечной батареи, которая преобразует падающий поток света в электрический ток (поток фотонов), который по металлическому проводнику поступает потребителю (сток). В данном случае солнечная батарея выполняет роль преобразователя спектра потока фотонов, излучаемого солнцем в спектр фотонов электрического тока в металлическом проводнике.
Выводы . В современной физике не существует доказательств, что электрический ток это направленное движение электронов или каких-либо других частиц. Напротив, современные представления об электроне, электрическом заряде и опыты Рикке показывают на ошибочность данного понятия электрического тока.
Обоснование совокупности требований к носителю электрического заряда, с учетом его эфиродинамической сущности, позволили установить, что электрический ток это поток фотонного газа, предназначенный для переноса энергии.
Движение электрического тока осуществляется из зоны высокой концентрации фотонов (исток) в зону низкой концентрации (сток).
Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение трех условий: поддержание (генерация) высокой концентрации фотонов в зоне истока, наличие проводника, обеспечивающего переток фотонов и создание зоны потребления фотонов в области стока.
Электричество Электрон.
Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов
Условия появления тока
Современная наука создала теории, объясняющие природные процессы. В основе многих процессов лежит одна из моделей строения атома, так называемая планетарная модель. В соответствии с этой моделью атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного облака из электронов, окружающего ядро. Разные вещества, состоящие из атомов, в большинстве своём стабильны и неизменны по своим свойствам при неизменных условиях окружающей среды. Но в природе существуют процессы, которые могут изменять стабильное состояние веществ и вызывать в этих веществах явление, называемое электрическим током .
Таким основным для природы процессом является трение. Многие знают, что если волосы расчёсывать расчёской изготовленной из некоторых видов пластика, или носить одежду из некоторых видов ткани, возникает эффект прилипания. Волосы притягиваются и прилипают к расчёске, то же самое происходит и с одеждой. Объясняется этот эффект трением, которое нарушает стабильность материала расчёски или ткани. Электронное облако может смещаться относительно ядра или частично разрушаться. И в результате вещество приобретает электрический заряд, знак которого определяется строением этого вещества. Электрический заряд, возникающий в результате трения, называют электростатическим.
Получается пара из заряженных веществ. Каждое из веществ имеет определённый электрический потенциал. На пространство между двумя заряженными веществами действует электрическое, в данном случае электростатическое поле. Эффективность электростатического поля зависит от величин потенциалов и определяется как разность потенциалов или напряжение.
- Когда возникает напряжение, в пространстве между потенциалами появляется направленное движение заряженных частиц веществ – электрический ток.
Где течёт электрический ток?
При этом потенциалы будут уменьшаться, если трение прекратится. И, в конце концов, потенциалы исчезнут, а вещества вновь обретут стабильность.
Но если процесс формирования потенциалов и напряжения будет продолжаться в сторону их увеличения, ток также будет увеличиваться соответственно свойствам веществ, заполняющих пространство между потенциалами. Наиболее наглядной демонстрацией такого процесса является молния. Трение восходящего и нисходящего потоков воздуха друг о друга приводит к появлению огромного напряжения. В результате один потенциал формируется восходящими потоками в небе, а другой нисходящими потоками в земле. И, в конце концов, из-за свойств воздуха возникает электроток в виде молнии.
- Первой причиной появления электрического тока является напряжение.
- Второй причиной появления электротока является пространство, в котором действует напряжение – его размеры и чем оно заполнено.
Напряжение появляется не только от трения. Другие физические и химические процессы, которые нарушают уравновешенность атомов вещества, так же приводят к появлению напряжения. Напряжение возникает только как результат взаимодействия либо
- одного вещества с другим веществом;
- одного или нескольких веществ с полем или излучением.
Напряжение может появиться от:
- химической реакции, которая происходит в веществе, как например, во всех батареях и аккумуляторах, а также во всех живых существах;
- электромагнитного излучения, как например, в солнечных батареях и тепловых электрогенераторах;
- электромагнитного поля, как например, во всех динамо-машинах.
Электроток имеет природу соответствующую веществу, в котором он течёт. Поэтому различается:
- в металлах;
- в жидкостях и газах;
- в полупроводниках
В металлах электроток состоит только из электронов, в жидкостях и газах – из ионов, в полупроводниках – из электронов и «дырок».
Постоянный и переменный ток
Напряжение относительно своих потенциалов, знаки которых остаются неизменными, может изменяться только по величине.
- При этом появляется постоянный или импульсный электрический ток.
Электроток зависит от длительности этого изменения и свойств пространства, заполненного веществом между потенциалами.
- Но если знаки потенциалов изменяются и это приводит к изменению направления тока, он называется переменным , как и напряжение, его определяющее.
Жизнь и электрический ток
Для количественных и качественных оценок электрического тока в современной науке и технике используются определённые законы и величины. Основными законами являются:
- закон Кулона;
- закон Ома.
Шарль Кулон в 80-х годах 18 века определил появление напряжения, а Георг Ом в 20-х годах 19 века определил появление электротока.
В природе и человеческой цивилизации он используется в основном как переносчик энергии и информации, а тема его изучения и использования так же необъятна, как и сама жизнь. Например, исследования показали, что все живые организмы живут потому, что мышцы сердца сокращаются от воздействия импульсов электротока, вырабатываемого в организме. Все прочие мышцы работают аналогично. Клетка при делении использует информацию на основе электротока сверх высоких частот. Перечень подобных фактов с уточнениями можно продолжить в объёме книги.
Уже много сделано открытий, связанных с электрическим током, и ещё больше предстоит сделать. Поэтому, с появлением новых инструментов для исследований появляются новые законы, материалы и прочие результаты для практического использования данного явления.