Kaj je fizika električnega toka. Kaj je električni tok? Narava električne energije

Če je izoliran vodnik postavljen v električno polje \(\overrightarrow(E)\), potem bo sila \(\overrightarrow(F) = q\overrightarrow(E)\) delovala na proste naboje \(q\) Posledično pride do kratkotrajnega premikanja prostih nabojev. Ta proces se bo končal, ko lastno električno polje nabojev, ki so nastali na površini prevodnika, popolnoma kompenzira zunanje polje. Nastalo elektrostatično polje znotraj prevodnika bo nič.

Vendar pa lahko v prevodnikih pod določenimi pogoji pride do neprekinjenega urejenega gibanja prostih nosilcev električnega naboja.

Usmerjeno gibanje nabitih delcev imenujemo električni tok.

Smer gibanja pozitivnih prostih nabojev vzamemo za smer električnega toka. Za obstoj električnega toka v prevodniku je potrebno v njem ustvariti električno polje.

Kvantitativno merilo električnega toka je trenutna moč\(I\) je skalarna fizična količina, ki je enaka razmerju naboja \(\Delta q\), prenesenega skozi prečni prerez prevodnika (slika 1.8.1) v časovnem intervalu \(\Delta t\) , na ta časovni interval:

$$I = \frac(\Delta q)(\Delta t) $$

Če se jakost toka in njegova smer s časom ne spremenita, se takšen tok imenuje trajno .

V mednarodnem sistemu enot SI se tok meri v amperih (A). Tokovna enota 1 A je nastavljena z magnetno interakcijo dveh vzporednih prevodnikov s tokom.

Stalni električni tok se lahko ustvari samo v zaprt krog , v katerem brezplačni nosilci naboja krožijo po zaprtih poteh. Električno polje na različnih točkah takšnega vezja je skozi čas konstantno. Posledično ima električno polje v enosmernem tokokrogu značaj zamrznjenega elektrostatičnega polja. Toda pri premikanju električnega naboja v elektrostatičnem polju po zaprti poti je delo električnih sil nič. Zato je za obstoj enosmernega toka potrebna naprava v električnem tokokrogu, ki lahko ustvarja in vzdržuje potencialne razlike v odsekih vezja zaradi dela sil neelektrostatičnega izvora. Takšne naprave se imenujejo enosmerni viri . Imenujemo sile neelektrostatičnega izvora, ki delujejo na proste nosilce naboja iz tokovnih virov zunanje sile .

Narava zunanjih sil je lahko različna. V galvanskih celicah ali baterijah nastanejo kot posledica elektrokemijskih procesov, v generatorjih enosmernega toka zunanje sile nastanejo, ko se vodniki premikajo v magnetnem polju. Vir toka v električnem tokokrogu ima enako vlogo kot črpalka, ki je potrebna za črpanje tekočine v zaprtem hidravličnem sistemu. Pod vplivom zunanjih sil se električni naboji premikajo znotraj vira toka proti sile elektrostatičnega polja, zaradi katerih se lahko v zaprtem krogu vzdržuje stalen električni tok.

Ko se električni naboji premikajo vzdolž enosmernega tokokroga, delujejo zunanje sile, ki delujejo znotraj tokovnih virov.

Fizična količina, ki je enaka razmerju dela \ (A_ (st) \) zunanjih sil pri premikanju naboja \ (q \) od negativnega pola tokovnega vira do pozitivnega do vrednosti tega naboja, se imenuje izvor elektromotorne sile (EMF):

$$EMF=\varepsilon=\frac(A_(st))(q). $$

Tako je EMF določen z delom, ki ga opravijo zunanje sile pri premikanju posameznega pozitivnega naboja. Elektromotorna sila, tako kot potencialna razlika, se meri v Volti (V).

Ko se en sam pozitivni naboj premika vzdolž zaprtega enosmernega tokokroga, je delo zunanjih sil enako vsoti EMF, ki deluje v tem vezju, delo elektrostatičnega polja pa je nič.

DC vezje lahko razdelimo na ločene odseke. Tisti odseki, na katere ne delujejo zunanje sile (tj. odseki, ki ne vsebujejo tokovnih virov), se imenujejo homogena . Območja, ki vključujejo trenutne vire, se imenujejo heterogena .

Ko se enotni pozitivni naboj premika vzdolž določenega odseka vezja, delujejo tako elektrostatične (Coulomb) kot zunanje sile. Delo elektrostatičnih sil je enako potencialni razliki \(\Delta \phi_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)\) med začetno (1) in končno (2) točko nehomogenega odseka . Delo zunanjih sil je po definiciji elektromotorna sila \(\mathcal(E)\), ki deluje na ta odsek. Skupno delo je torej

$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E)$$

vrednost U 12 se imenuje Napetost na odseku verige 1-2. V primeru homogenega odseka je napetost enaka potencialni razliki:

$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)$$

Nemški fizik G. Ohm je leta 1826 eksperimentalno ugotovil, da je jakost toka \ (I \), ki teče skozi homogen kovinski prevodnik (tj. prevodnik, v katerem ne delujejo zunanje sile), sorazmerna napetosti \ (U \) pri konci prevodnika:

$$I = \frac(1)(R)U; \: U = IR$$

kjer je \(R\) = konst.

vrednost R poklical električni upor . Prevodnik z električnim uporom se imenuje upor . To razmerje izraža Ohmov zakon za homogeni del verige: Tok v prevodniku je neposredno sorazmeren z uporabljeno napetostjo in obratno sorazmeren z uporom prevodnika.

V SI je enota električnega upora prevodnikov Ohm (Ohm). Upornost 1 ohm ima odsek vezja, v katerem pri napetosti 1 V nastane tok 1 A.

Prevodniki, ki upoštevajo Ohmov zakon, se imenujejo linearna . Grafična odvisnost jakosti toka \ (I \) od napetosti \ (U \) (takšni grafi se imenujejo Volt-amperske lastnosti , skrajšano VAC) predstavlja ravna črta, ki poteka skozi izhodišče. Treba je opozoriti, da obstaja veliko materialov in naprav, ki ne upoštevajo Ohmovega zakona, na primer polprevodniška dioda ali plinska sijalka. Tudi pri kovinskih vodnikih pri tokovih dovolj velike jakosti opazimo odstopanje od Ohmovega linearnega zakona, saj se električni upor kovinskih prevodnikov povečuje z naraščanjem temperature.

Za odsek vezja, ki vsebuje EMF, je Ohmov zakon zapisan v naslednji obliki:

$$IR = U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E) = \Delta \phi_(12) + \mathcal(E)$$
$$\barva(modra)(I = \frac(U)(R))$$

To razmerje se imenuje posplošen Ohmov zakon oz Ohmov zakon za nehomogen odsek verige.

Na sl. 1.8.2 prikazuje zaprto enosmerno vezje. Odsek verige ( cd) je homogena.

Ohmov zakon

$$IR = \Delta\phi_(cd)$$

Zaplet ( ab) vsebuje vir toka z EMF enakim \(\mathcal(E)\).

Po Ohmovem zakonu za heterogeno območje,

$$Ir = \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$

Če dodamo obe enakosti, dobimo:

$$I(R+r) = \Delta\phi_(cd) + \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$

Toda \(\Delta\phi_(cd) = \Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab)\).

$$\color(modra)(I=\frac(\mathcal(E))(R + r))$$

Ta formula izraža Ohmov zakon za celotno vezje : jakost toka v celotnem vezju je enaka elektromotorni sili vira, deljena z vsoto uporov homogenega in nehomogenega odseka vezja (notranji upor vira).

Odpor r heterogeno območje na sl. 1.8.2 je mogoče videti kot notranji upor tokovnega vira . V tem primeru je zaplet ( ab) na sl. 1.8.2 je notranji del vira. Če točke a in b zaprite s prevodnikom, katerega upor je majhen v primerjavi z notranjim uporom vira (\ (R\ \ll r\)), potem bo vezje teklo tok kratkega stika

$$I_(kz)=\frac(\mathcal(E))(r)$$

Tok kratkega stika je največji tok, ki ga lahko dobimo iz danega vira z elektromotorno silo \(\mathcal(E)\) in notranjim uporom \(r\). Pri virih z nizkim notranjim uporom je lahko tok kratkega stika zelo velik in povzroči uničenje električnega tokokroga ali vira. Na primer, svinčeve baterije, ki se uporabljajo v avtomobilih, imajo lahko tok kratkega stika nekaj sto amperov. Posebej nevarni so kratki stiki v svetlobnih omrežjih, ki jih napajajo transformatorske postaje (na tisoče amperov). Da bi se izognili uničujočemu učinku tako visokih tokov, so v vezje vključene varovalke ali posebni odklopniki.

V nekaterih primerih, da preprečimo nevarne vrednosti toka kratkega stika, je nekaj zunanjega upora zaporedno priključeno na vir. Nato odpor r je enak vsoti notranjega upora vira in zunanjega upora, v primeru kratkega stika pa jakost toka ne bo pretirano velika.

Če je zunanji tokokrog odprt, potem je \(\Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab) = \mathcal(E)\), t.j. potencialna razlika na polih odprte baterije je enaka njegov EMF.

Če je zunanji upor obremenitve R vklopljen in tok teče skozi baterijo jaz, potencialna razlika na njegovih polih postane enaka

$$\Delta \phi_(ba) = \mathcal(E) - Ir$$

Na sl. 1.8.3 je shematski prikaz vira enosmernega toka z EMF enakim \(\mathcal(E)\) in notranjim uporom r v treh načinih: "prosti tek", delo na obremenitvi in ​​način kratkega stika (kratek stik). Intenzivnost \(\overrightarrow(E)\) električnega polja v bateriji in sile, ki delujejo na pozitivne naboje, so prikazane: \(\overrightarrow(F)_(e)\) - električna sila in \(\overrightarrow( F)_(st )\) je zunanja sila. V načinu kratkega stika električno polje v bateriji izgine.

Za merjenje napetosti in tokov v enosmernih električnih tokokrogih se uporabljajo posebne naprave - voltmetri in ampermetri.

Voltmeter zasnovan za merjenje potencialne razlike, uporabljene na njegovih terminalih. On povezuje vzporedno odsek vezja, na katerem se meri potencialna razlika. Vsak voltmeter ima nekaj notranjega upora \(R_(V)\). Da voltmeter ne bi povzročil opazne prerazporeditve tokov, ko je priključen na merjeno vezje, mora biti njegov notranji upor velik v primerjavi z uporom odseka vezja, na katerega je priključen. Za vezje, prikazano na sl. 1.8.4, je ta pogoj zapisan kot:

$$R_(B) \gg R_(1)$$

Ta pogoj pomeni, da je tok \(I_(V) = \Delta \phi_(cd) / R_(V)\), ki teče skozi voltmeter, veliko manjši od toka \(I = \Delta \phi_(cd) / R_ (1 )\), ki teče skozi testirani odsek vezja.

Ker znotraj voltmetra ne delujejo zunanje sile, potencialna razlika na njegovih sponkah po definiciji sovpada z napetostjo. Zato lahko rečemo, da voltmeter meri napetost.

Ampermeter zasnovan za merjenje toka v tokokrogu. Ampermeter je zaporedno priključen na prekinitev električnega tokokroga, tako da skozi njega prehaja celoten izmerjeni tok. Ampermeter ima tudi nekaj notranjega upora \(R_(A)\). Za razliko od voltmetra mora biti notranja upornost ampermetra dovolj majhna v primerjavi s celotnim uporom celotnega vezja. Za vezje na sl. 1.8.4 upornost ampermetra mora izpolnjevati pogoj

$$R_(A) \ll (r + R_(1) + R(2))$$

tako da se ob vklopu ampermetra tok v vezju ne spremeni.

Merilni instrumenti - voltmetri in ampermetri - so dveh vrst: kazalnik (analogni) in digitalni. Digitalni električni števci so zapletene elektronske naprave. Običajno digitalni instrumenti zagotavljajo večjo natančnost merjenja.

". Danes se želim dotakniti takšne teme, kot je električni tok. Kaj je to? Poskusimo se spomniti šolskega učnega načrta.

Električni tok je urejeno gibanje nabitih delcev v prevodniku.

Če se spomnite, da se nabiti delci premikajo (nastane električni tok), morate ustvariti električno polje. Če želite ustvariti električno polje, lahko izvedete tako osnovne poskuse, kot je drgnjenje plastičnega ročaja na volno in nekaj časa bo privlačil lahke predmete. Tela, ki so sposobna pritegniti predmete po drgnjenju, se imenujejo elektrificirana. Lahko rečemo, da ima telo v tem stanju električne naboje, sama telesa pa se imenujejo nabita. Iz šolskega učnega načrta vemo, da so vsa telesa sestavljena iz drobnih delcev (molekul). Molekula je delec snovi, ki jo je mogoče ločiti od telesa in bo imela vse lastnosti, ki so lastne temu telesu. Molekule kompleksnih teles nastanejo iz različnih kombinacij atomov enostavnih teles. Na primer, molekula vode je sestavljena iz dveh preprostih: atoma kisika in enega atoma vodika.

Atomi, nevtroni, protoni in elektroni - kaj so?

Po drugi strani je atom sestavljen iz jedra in se vrti okoli njega elektronov. Vsak elektron v atomu ima majhen električni naboj. Na primer, atom vodika je sestavljen iz jedra elektrona, ki se vrti okoli njega. Jedro atoma je sestavljeno iz protonov in nevtronov. Jedro atoma pa ima električni naboj. Protoni, ki sestavljajo jedro, imajo enak električni naboj in elektrone. Toda protoni so za razliko od elektronov neaktivni, vendar je njihova masa večkrat večja od mase elektrona. Nevtron delcev, ki je del atoma, nima električnega naboja, je nevtralen. Elektroni, ki se vrtijo okoli jedra atoma, in protoni, ki sestavljajo jedro, so nosilci enakih električnih nabojev. Med elektronom in protonom vedno obstaja sila medsebojnega privlačenja, med samimi elektroni in med protoni pa sila medsebojnega odbijanja. Zaradi tega ima elektron negativen električni naboj, proton pa pozitiven. Iz tega lahko sklepamo, da obstajata 2 vrsti elektrike: pozitivna in negativna. Prisotnost enako nabitih delcev v atomu vodi v dejstvo, da med pozitivno nabitim jedrom atoma in elektroni, ki se vrtijo okoli njega, obstajajo sile vzajemne privlačnosti, ki držijo atom skupaj. Atomi se med seboj razlikujejo po številu nevtronov in protonov v jedrih, zato pozitivni naboj jeder atomov različnih snovi ni enak. V atomih različnih snovi število vrtečih se elektronov ni enako in je določeno s pozitivnim nabojem jedra. Atomi nekaterih snovi so trdno vezani na jedro, pri drugih pa je ta vez lahko veliko šibkejša. To pojasnjuje različne moči teles. Jeklena žica je veliko močnejša od bakrene žice, kar pomeni, da se jekleni delci med seboj močneje privlačijo kot bakreni delci. Privlačnost med molekulami je še posebej opazna, ko so blizu ena drugi. Najbolj presenetljiv primer je, da se dve kapljici vode ob stiku zlijeta v eno.

Električni naboj

V atomu katere koli snovi je število elektronov, ki se vrtijo okoli jedra, enako številu protonov v jedru. Električni naboj elektrona in protona sta po velikosti enaka, kar pomeni, da je negativni naboj elektronov enak pozitivnemu naboju jedra. Ti naboji se medsebojno uravnotežijo in atom ostane nevtralen. V atomu elektroni ustvarijo elektronsko lupino okoli jedra. Elektronska lupina in jedro atoma sta v neprekinjenem nihajnem gibanju. Ko se atomi premikajo, trčijo med seboj in iz njih izleti en ali več elektronov. Atom preneha biti nevtralen in postane pozitivno nabit. Ker je njegov pozitivni naboj postal bolj negativen (šibka povezava med elektronom in jedrom - kovina in premog). Pri drugih ohišjih (lesu in steklu) elektronske lupine niso pokvarjene. Po odcepitvi od atomov se prosti elektroni premikajo naključno in jih lahko ujamejo drugi atomi. Proces pojavljanja in izginjanja v telesu je neprekinjen. Z naraščanjem temperature se poveča hitrost vibracijskega gibanja atomov, trki so pogostejši, močnejši, število prostih elektronov se poveča. Vendar telo ostaja električno nevtralno, saj se število elektronov in protonov v telesu ne spreminja. Če iz telesa odstranimo določeno količino prostih elektronov, postane pozitivni naboj večji od celotnega naboja. Telo bo pozitivno nabito in obratno. Če v telesu nastane pomanjkanje elektronov, se ta dodatno napolni. Če je presežek negativen. Večji kot je ta pomanjkanje ali presežek, večji je električni naboj. V prvem primeru (bolj pozitivno nabiti delci) telesa imenujemo prevodniki (kovine, vodne raztopine soli in kislin), v drugem (pomanjkanje elektronov, negativno nabiti delci) pa dielektriki ali izolatorji (jantar, kremen, ebonit). Za neprekinjen obstoj električnega toka je potrebno nenehno vzdrževati potencialno razliko v prevodniku.

No, s tem je majhen tečaj fizike končan. Mislim, da ste se z mojo pomočjo spomnili šolskega učnega načrta za 7. razred, v mojem naslednjem članku pa bomo analizirali, kakšna je potencialna razlika. Dokler se spet ne srečamo na straneh strani.

To je urejeno gibanje določenih nabitih delcev. Za kompetentno uporabo celotnega potenciala električne energije je potrebno jasno razumeti vsa načela naprave in delovanja električnega toka. Torej, ugotovimo, kaj sta delo in trenutna moč.

Od kod prihaja električni tok?

Kljub navidezni preprostosti vprašanja je le malo ljudi sposobnih dati razumljiv odgovor nanj. Seveda dandanes, ko se tehnologija razvija z neverjetno hitrostjo, človek ne razmišlja posebej o tako elementarnih stvareh, kot je načelo delovanja električnega toka. Od kod prihaja elektrika? Zagotovo bodo mnogi odgovorili "No, seveda iz vtičnice" ali pa preprosto skomignili z rameni. Medtem je zelo pomembno razumeti, kako deluje tok. To bi morali vedeti ne le znanstveniki, ampak tudi ljudje, ki niso na noben način povezani s svetom znanosti, zaradi njihovega splošnega vsestranskega razvoja. Toda da bi lahko pravilno uporabljali načelo trenutnega delovanja, ni za vsakogar.

Torej, najprej morate razumeti, da električna energija ne nastane od nikoder: proizvajajo jo posebni generatorji, ki se nahajajo v različnih elektrarnah. Zahvaljujoč delu vrtenja lopatic turbin, para, pridobljena kot posledica segrevanja vode s premogom ali oljem, ustvarja energijo, ki se nato s pomočjo generatorja pretvori v električno energijo. Generator je zelo preprost: v središču naprave je ogromen in zelo močan magnet, zaradi katerega se električni naboji premikajo po bakrenih žicah.

Kako elektrika pride do naših domov?

Potem ko je s pomočjo energije (toplotne ali jedrske) pridobljena določena količina električnega toka, jo lahko dovajamo ljudem. Takšna oskrba z električno energijo deluje na naslednji način: da bi električna energija uspešno dosegla vsa stanovanja in podjetja, jo je treba "potisniti". In za to morate povečati silo, ki bo to storila. Imenuje se napetost električnega toka. Načelo delovanja je naslednje: tok teče skozi transformator, kar poveča njegovo napetost. Nadalje električni tok teče po kablih, nameščenih globoko pod zemljo ali na višini (ker napetost včasih doseže 10.000 voltov, kar je smrtonosno za ljudi). Ko tok doseže cilj, mora ponovno preiti skozi transformator, ki bo zdaj zmanjšal njegovo napetost. Nato gre skozi žice do nameščenih ščitov v večstanovanjskih ali drugih zgradbah.

Električno energijo, ki se prenaša po žicah, je mogoče uporabiti zahvaljujoč sistemu vtičnic, ki nanje povezujejo gospodinjske aparate. V stene so speljane dodatne žice, skozi katere teče električni tok, zahvaljujoč temu pa delujejo razsvetljava in vsi aparati v hiši.

Kaj je trenutno delo?

Energija, ki jo električni tok nosi v sebi, se sčasoma pretvori v svetlobo ali toploto. Na primer, ko prižgemo svetilko, se električna oblika energije pretvori v svetlobo.

Če govorimo v dostopnem jeziku, je delo toka dejanje, ki ga je elektrika sama proizvedla. Poleg tega ga je mogoče zelo enostavno izračunati s formulo. Na podlagi zakona ohranjanja energije lahko sklepamo, da električna energija ni izginila, temveč se je v celoti ali delno spremenila v drugo obliko, pri tem pa je oddala določeno količino toplote. Ta toplota je delo toka, ko ta prehaja skozi prevodnik in ga segreje (pride do izmenjave toplote). Takole izgleda formula Joule-Lenz: A \u003d Q \u003d U * I * t (delo je enako količini toplote ali zmnožku trenutne moči in časa, v katerem je tekla skozi prevodnik).

Kaj pomeni enosmerni tok?

Električni tok je dveh vrst: izmenični in enosmerni. Razlikujejo se po tem, da slednji ne spremeni svoje smeri, ima dve sponi (pozitivno "+" in negativno "-") in se vedno začne premikati od "+". In izmenični tok ima dva terminala - fazo in nič. Zaradi prisotnosti ene faze na koncu prevodnika se imenuje tudi enofazni.

Načela naprave enofaznega izmeničnega in enosmernega električnega toka so popolnoma drugačna: za razliko od enosmernega, izmenični tok spreminja tako svojo smer (tvori tok tako od faze proti ničli kot od nič proti fazi) in svojo velikost . Tako na primer izmenični tok občasno spremeni vrednost svojega naboja. Izkazalo se je, da pri frekvenci 50 Hz (50 nihanj na sekundo) elektroni spremenijo smer svojega gibanja natanko 100-krat.

Kje se uporablja enosmerni tok?

Enosmerni električni tok ima nekaj značilnosti. Zaradi dejstva, da teče strogo v eno smer, ga je težje preoblikovati. Za vire enosmernega toka lahko štejemo naslednje elemente:

• baterije (alkalne in kislinske);
• običajne baterije, ki se uporabljajo v majhnih aparatih;
• kot tudi različne naprave, kot so pretvorniki.

DC delovanje

Katere so njegove glavne značilnosti? To sta delo in trenutna moč, oba pojma pa sta med seboj zelo tesno povezana. Moč pomeni hitrost dela na enoto časa (na 1 s). Po Joule-Lenzovem zakonu dobimo, da je delo enosmernega električnega toka enako zmnožku jakosti toka, napetosti in časa, v katerem je bilo delo električnega polja opravljeno za prenos nabojev vzdolž dirigent.

Takole izgleda formula za iskanje dela toka ob upoštevanju Ohmovega zakona upora v prevodnikih: A \u003d I 2 * R * t (delo je enako kvadratu jakosti toka, pomnoženemu z vrednostjo upornosti prevodnika in še enkrat pomnoženo z vrednostjo časa, za katerega je bilo delo opravljeno).

Kaj je električni tok

Smerno gibanje električno nabitih delcev pod vplivom . Takšni delci so lahko: v prevodnikih - elektroni, v elektrolitih - ioni (kationi in anioni), v polprevodnikih - elektroni in tako imenovane "luknje" ("prevodnost elektron-luknje"). Obstaja tudi "prednapetostni tok", katerega tok je posledica procesa polnjenja kapacitivnosti, t.j. sprememba potencialne razlike med ploščami. Med ploščami ne pride do premikanja delcev, ampak tok teče skozi kondenzator.

V teoriji električnih vezij se tok šteje za usmerjeno gibanje nosilcev naboja v prevodnem mediju pod delovanjem električnega polja.

Prevodni tok (preprosto tok) v teoriji električnih vezij je količina električne energije, ki teče na enoto časa skozi prečni prerez prevodnika: i = q / t, kjer je i tok. AMPAK; q \u003d 1,6 10 9 - naboj elektronov, C; t - čas, s.

Ta izraz velja za enosmerna vezja. Za vezja izmeničnega toka se uporablja tako imenovana trenutna vrednost toka, ki je enaka hitrosti spremembe naboja skozi čas: i (t) \u003d dq / dt.

Električni tok nastane, ko se v odseku električnega tokokroga pojavi električno polje ali potencialna razlika med dvema točkama prevodnika. Potencialna razlika med dvema točkama se imenuje napetost oz padec napetosti v tem delu vezja.

Namesto izraza "trenutna" ("trenutna vrednost") se pogosto uporablja izraz "trenutna moč". Vendar slednjega ne moremo imenovati uspešnega, saj trenutna moč ni nobena sila v dobesednem pomenu besede, temveč le intenzivnost gibanja električnih nabojev v prevodniku, količina električne energije, ki preide na enoto časa skozi križ. -prerez vodnika.
Označen je tok, ki se v sistemu SI meri v amperih (A), in gostota toka, ki se v sistemu SI meri v amperih na kvadratni meter.
En amper ustreza gibanju skozi presek prevodnika za eno sekundo (s) električnega naboja enega obeska (C):

1A = 1C/s.

V splošnem primeru, če označimo tok s črko i, naboj pa s q, dobimo:

i = dq / dt.

Enota toka se imenuje amper (A). Tok v prevodniku je 1 A, če električni naboj enak 1 obesku preide skozi prečni prerez prevodnika v 1 sekundi.

Če vzdolž prevodnika deluje napetost, se znotraj prevodnika pojavi električno polje. Ko je poljska jakost E, na elektrone z nabojem e vpliva sila f = Ee. Vrednosti f in E sta vektorski. V času proste poti elektroni pridobijo usmerjeno gibanje skupaj s kaotičnim. Vsak elektron ima negativen naboj in prejme komponento hitrosti, usmerjeno nasprotno vektorju E (slika 1). Urejeno gibanje, za katerega je značilna neka povprečna hitrost elektronov vcp, določa tok električnega toka.

Elektroni imajo lahko tudi usmerjeno gibanje v redkih plinih. V elektrolitih in ioniziranih plinih je tok toka predvsem posledica gibanja ionov. V skladu z dejstvom, da se v elektrolitih pozitivno nabiti ioni premikajo od pozitivnega do negativnega pola, je zgodovinsko veljalo, da je smer toka nasprotna smeri elektronov.

Za smer toka se vzame smer, v kateri se premikajo pozitivno nabiti delci, t.j. smer, nasprotna gibanju elektronov.
V teoriji električnih tokokrogov je smer gibanja pozitivno nabitih delcev od višjega potenciala do nižjega vzeta kot smer toka v pasivnem vezju (zunanji viri energije). Ta smer je bila sprejeta na samem začetku razvoja elektrotehnike in je v nasprotju s pravo smerjo gibanja nosilcev naboja - elektronov, ki se gibljejo v prevodnih medijih od minusa do plusa.

Vrednost, ki je enaka razmerju med tokom in površino preseka S, se imenuje gostota toka (označena δ): δ= I/S

Predpostavlja se, da je tok enakomerno porazdeljen po prerezu prevodnika. Gostota toka v žicah se običajno meri v A/mm2.

Glede na vrsto nosilcev električnih nabojev in medij njihovega gibanja se razlikujejo prevodni tokovi in premični tokovi. Prevodnost delimo na elektronsko in ionsko. Za stalne načine ločimo dve vrsti tokov: enosmerni in izmenični.

Prenos električnega toka imenujemo pojav prenosa električnih nabojev z nabitimi delci ali telesi, ki se gibljejo v prostem prostoru. Glavna vrsta prenosa električnega toka je gibanje v praznini elementarnih delcev z nabojem (gibanje prostih elektronov v elektronskih ceveh), gibanje prostih ionov v napravah za razelektritev v plinu.

Električni premični tok (polarizacijski tok) imenujemo urejeno gibanje vezanih nosilcev električnih nabojev. To vrsto toka lahko opazimo v dielektrikih.
Polni električni tok je skalarna vrednost, enaka vsoti električnega prevodnega toka, električnega prenosnega toka in električnega toka premika skozi obravnavano površino.

Stalni tok je tok, ki se lahko spreminja po velikosti, vendar ne spremeni svojega predznaka poljubno dolgo. Več o tem si preberite tukaj:

Izmenični tok je tok, ki se občasno spreminja tako po velikosti kot po predznaku.Količina, ki označuje izmenični tok, je frekvenca (v sistemu SI se meri v hercih), v primeru, ko se njegova moč občasno spreminja. Visokofrekvenčni izmenični tok iztisnjen na površino prevodnika. Visokofrekvenčni tokovi se uporabljajo v strojništvu za toplotno obdelavo površin delov in varjenje, v metalurgiji za taljenje kovin.Izmenični tokovi se delijo na sinusne in nesinusni. Sinusoidni tok je tok, ki se spreminja po harmonskem zakonu:

i = Im sin ωt,

Za to je značilna hitrost spremembe izmeničnega toka, opredeljena kot število popolnih ponavljajočih se nihanj na enoto časa. Frekvenca je označena s črko f in se meri v hercih (Hz). Torej, frekvenca toka v omrežju 50 Hz ustreza 50 popolnim nihanjem na sekundo. Kotna frekvenca ω je hitrost spremembe toka v radianih na sekundo in je povezana s frekvenco s preprostim razmerjem:

ω = 2πf

Stalne (fiksne) vrednosti enosmernega in izmeničnega toka označite z veliko začetnico I nestalne (trenutne) vrednosti - s črko i. Pogojno pozitivna smer toka se šteje za smer gibanja pozitivnih nabojev.

To je tok, ki se sčasoma spreminja po sinusnem zakonu.

Izmenični tok pomeni tudi tok v običajnih eno- in trifaznih omrežjih. V tem primeru se parametri izmeničnega toka spreminjajo v skladu s harmoničnim zakonom.

Ker se izmenični tok spreminja s časom, preproste metode reševanja problemov, primerne za enosmerna tokokroga, tukaj niso neposredno uporabne. Pri zelo visokih frekvencah lahko naboji nihajo – tečejo z enega mesta v vezju na drugega in nazaj. V tem primeru, za razliko od enosmernih tokokrogov, tokovi v zaporedno povezanih vodnikih morda niso enaki. Kapacitivnosti, ki so prisotne v AC vezjih, ta učinek povečajo. Poleg tega, ko se tok spremeni, pridejo v poštev samoindukcijski učinki, ki postanejo pomembni tudi pri nizkih frekvencah, če se uporabljajo tuljave z veliko induktivnostjo. Pri sorazmerno nizkih frekvencah se izmenična vezja še vedno lahko izračunajo s pomočjo , ki pa ga je treba ustrezno spremeniti.

Vezje, ki vključuje različne upore, induktorje in kondenzatorje, lahko štejemo, kot da bi bilo sestavljeno iz posplošenega upora, kondenzatorja in induktorja, povezanih zaporedno.

Razmislite o lastnostih takšnega vezja, ki je priključen na sinusni alternator. Za oblikovanje pravil za načrtovanje izmeničnih tokokrogov je treba najti razmerje med padcem napetosti in tokom za vsako od komponent takega vezja.

Ima popolnoma različne vloge v tokokrogih AC in DC. Če je na primer elektrokemični element priključen na vezje, se bo kondenzator začel polniti, dokler napetost na njem ne postane enaka EMF elementa. Nato se polnjenje ustavi in ​​tok pade na nič. Če je vezje priključeno na alternator, bodo v enem polciklu elektroni tekli z leve strani kondenzatorja in se kopičili na desni in obratno v drugi. Ti premikajoči se elektroni so izmenični tok, katerega moč je na obeh straneh kondenzatorja enaka. Dokler frekvenca izmeničnega toka ni zelo visoka, je tudi tok skozi upor in induktor enak.

V napravah, ki porabljajo izmenični tok, AC pogosto usmerjajo usmerniki, da proizvedejo enosmerni tok.

Električni vodniki

Material, v katerem teče tok, se imenuje. Nekateri materiali pri nizkih temperaturah postanejo superprevodni. V tem stanju ne nudijo skoraj nobenega upora proti toku, njihov upor se nagiba k nič. V vseh drugih primerih se vodnik upira toku toka in posledično se del energije električnih delcev pretvori v toploto. Moč toka je mogoče izračunati z uporabo za odsek vezja in Ohmovega zakona za celotno vezje.

Hitrost delcev v prevodnikih je odvisna od materiala prevodnika, mase in naboja delca, temperature okolja, uporabljene potencialne razlike in je veliko manjša od hitrosti svetlobe. Kljub temu je hitrost širjenja dejanskega električnega toka enaka hitrosti svetlobe v danem mediju, torej hitrosti širjenja fronte elektromagnetnega valovanja.

Kako tok vpliva na človeško telo

Tok, ki prehaja skozi človeško ali živalsko telo, lahko povzroči električne opekline, fibrilacijo ali smrt. Po drugi strani se električni tok uporablja v intenzivni negi, za zdravljenje duševnih bolezni, predvsem depresije, za zdravljenje bolezni kot sta Parkinsonova bolezen in epilepsija se uporablja elektrostimulacija določenih predelov možganov, srčni spodbujevalnik, ki stimulira srčno mišico. z impulznim tokom se uporablja za bradikardijo. Pri ljudeh in živalih se tok uporablja za prenos živčnih impulzov.

V skladu z varnostnimi ukrepi je najmanjši zaznavni tok 1 mA. Tok postane nevaren za človeško življenje z močjo približno 0,01 A. Tok postane usoden za osebo z močjo približno 0,1 A. Napetost manj kot 42 V velja za varno.

Pogoji za pojav toka

Sodobna znanost je ustvarila teorije, ki pojasnjujejo naravne procese. Številni procesi temeljijo na enem od modelov zgradbe atoma, tako imenovanem planetarnem modelu. Po tem modelu je atom sestavljen iz pozitivno nabitega jedra in negativno nabitega oblaka elektronov, ki obdaja jedro. Različne snovi, sestavljene iz atomov, so večinoma stabilne in nespremenjene v svojih lastnostih v nespremenjenih okoljskih pogojih. Toda v naravi obstajajo procesi, ki lahko spremenijo stabilno stanje snovi in ​​povzročijo v teh snoveh pojav, imenovan električni tok.

Tak osnovni proces za naravo je trenje. Marsikdo ve, da če si lase počešete z glavnikom iz določenih vrst plastike ali oblečete oblačila iz določenih vrst tkanin, pride do sprijemanja. Lasje privlačijo in se lepijo na glavnik, enako se zgodi z oblačili. Ta učinek je razložen s trenjem, ki krši stabilnost materiala glavnika ali tkanine. Elektronski oblak se lahko premika glede na jedro ali se delno zruši. In posledično snov pridobi električni naboj, katerega znak določa struktura te snovi. Električni naboj, ki nastane zaradi trenja, se imenuje elektrostatični.

Izkaže se par nabitih snovi. Vsaka snov ima določen električni potencial. Na prostor med dvema nabitima snovmama deluje električno polje, v tem primeru elektrostatično polje. Učinkovitost elektrostatičnega polja je odvisna od velikosti potencialov in je opredeljena kot potencialna razlika ali napetost.

• Ko nastane napetost, se v prostoru med potencialoma pojavi usmerjeno gibanje nabitih delcev snovi - električni tok.

Kje teče električni tok?

V tem primeru se bodo potenciali zmanjšali, če se trenje ustavi. In na koncu bodo potenciali izginili, snovi pa bodo spet postale stabilne.

Če pa se proces nastajanja potencialov in napetosti nadaljuje v smeri njihovega naraščanja, se bo tok povečal tudi v skladu z lastnostmi snovi, ki zapolnjujejo prostor med potencialoma. Najbolj očiten prikaz takšnega procesa je strela. Trenje naraščajočih in padajočih zračnih tokov drug proti drugemu vodi do pojava velike napetosti. Posledično en potencial tvorijo navzgornji vleki na nebu, drugi pa navzdol v zemlji. In na koncu se zaradi lastnosti zraka pojavi električni tok v obliki strele.

• Prvi vzrok električnega toka je napetost.
• Drugi razlog za pojav električnega toka je prostor, v katerem deluje napetost – njegove dimenzije in s čim je napolnjena.

Napetost izhaja iz več kot le trenja. Tudi drugi fizikalni in kemični procesi, ki porušijo ravnovesje atomov snovi, vodijo do pojava stresa. Tudi napetost nastane le kot posledica interakcije

• ena snov z drugo snovjo;
• ena ali več snovi s poljem ali sevanjem.

Stres lahko izvira iz:

• kemična reakcija, ki poteka v snovi, na primer v vseh baterijah in akumulatorjih, pa tudi v vseh živih bitjih;
• elektromagnetno sevanje, kot so sončni paneli in generatorji toplotne energije;
• elektromagnetno polje, kot na primer v vseh dinamih.

Električni tok ima naravo, ki ustreza snovi, v kateri teče. Zato se razlikuje:

• v kovinah;

• v tekočinah in plinih;

• v polprevodnikih

V kovinah je električni tok sestavljen samo iz elektronov, v tekočinah in plinih - iz ionov, v polprevodnikih - iz elektronov in "luknj".

Enosmerni in izmenični tok

Napetost glede na njene potenciale, katerih znaki ostanejo nespremenjeni, se lahko spreminja le po velikosti.

• V tem primeru se pojavi konstanten ali impulzni električni tok.

Električni tok je odvisen od trajanja te spremembe in lastnosti prostora, napolnjenega s snovjo med potencialoma.

• Če pa se predznaki potencialov spremenijo in to vodi do spremembe smeri toka, se imenuje spremenljivka, tako kot napetost, ki jo določa.

Življenje in električni tok

Za kvantitativne in kvalitativne ocene električnega toka v sodobni znanosti in tehnologiji se uporabljajo določene zakonitosti in količine. Glavni zakoni so:

• Coulombov zakon;
• Ohmov zakon.

Charles Coulomb je v 80. letih 18. stoletja določil pojav napetosti, Georg Ohm pa je v 20. letih 19. stoletja določil pojav električnega toka.

V naravi in ​​človeški civilizaciji se uporablja predvsem kot nosilec energije in informacij, tema njegovega preučevanja in uporabe pa je obsežna kot življenje samo. Študije so na primer pokazale, da vsi živi organizmi živijo, ker se srčne mišice skrčijo zaradi vpliva impulzov električnega toka, ki nastanejo v telesu. Vse ostale mišice delujejo na enak način. Pri delitvi celica uporablja informacije, ki temeljijo na električnem toku pri izjemno visokih frekvencah. Seznam podobnih dejstev s pojasnili se lahko nadaljuje v zvezku knjige.

V zvezi z električnim tokom je bilo narejenih že veliko odkritij, še veliko pa je treba narediti. Zato se s prihodom novih raziskovalnih orodij pojavljajo novi zakoni, materiali in drugi rezultati za praktično uporabo tega pojava.