Электрический ток

Электри́ческий ток — упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел.

Носителями электрического заряда могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определённых условиях — электроны, в полупроводниках — электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость). С точки зрения квантовой теории поля переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон.

Последующее электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а посредством электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного взаимодействия (поля) или скорость электромагнитного излучения достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда.

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

Электрический ток проявляется следующими действиями:

• нагревание проводников (исключая сверхпроводники);
• изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);
• создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).

Классификация

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрическим током проводимости. Силой, вызывающей такое движение, является электрическое поле внутри проводника, создаваемое разностью потенциалов на концах проводника (проводящей среды). Таковым, например, является движение электронов в металлическом проводе или ионов в электролите либо в ионизированном газе.

Токи, возникающие за счёт перемещения зарядов под воздействием электрического поля в вакуумных приборах (радиолампах, электронно-лучевых трубках) или движения макроскопических заряженных тел как целого (например, заряженных капель дождя), называют конвекционными.

     Пульсирующий ток     Постоянный ток     Произвольно изменяющийся переменный ток     Синусоидальный переменный ток

Основные виды электрических токов (при определении видов тока слово «электрический» опускают):

• однонаправленный ток — ток, не изменяющий своего направления;

• постоянный ток — ток, не изменяющийся по направлению и во времени. В электротехнике постоянным током также считают пульсирующий (например, выпрямленный переменный, который, строго говоря, является однонаправленным);

• переменный ток — ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся однонаправленным;

• периодический ток — ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности. Таковым, в частности, является переменный синусоидальный ток;
• пульсирующий ток — периодический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля;

В отдельном ряду можно выделить такие виды токов, как:

• квазистационарный ток — относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов. Условие квазистационарности для синусоидальных переменных токов сводится к малости геометрических размеров электрической цепи по сравнению с длиной волны рассматриваемого тока. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется. Например, ток промышленной частоты 50 Гц квазистационарен для цепей протяженностью до 100 км;
• вихревые токи (токи Фуко) — замкнутые электрические токи в массивном проводнике, возникающие при изменении пронизывающего его магнитного потока, оттого вихревые токи являются индукционными токами. Чем выше скорость изменения магнитного потока, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Характеристики

Электрический ток характеризуется рядом характеристик, основные из которых приведены ниже.

Направление тока

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике, то есть ток течёт от «плюса» к «минусу». При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то принятое направление тока противоположно фактическому направлению движения заряженных частиц.

Дрейфовая скорость электронов

Схематичное изображение распространения волн электромагнитного поля

Дрейфовая скорость направленного движения частиц в проводниках, вызванного внешним полем, зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счёт упорядоченного движения незначительно, менее чем на 0,1 мм.

Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости распространения электромагнитного поля, возникающего при включении электрической цепи и распространяющегося вдоль проводов со скоростью света в среде. Это поле приводит в движение свободные электрические заряды почти одновременно во всех проводниках электрической цепи.

Сила и плотность тока

Электрический ток характеризуется количественными характеристиками: скалярной силой тока и векторной плотностью тока. Сила тока — физическая величина, равная отношению количества заряда $\Delta Q$, прошедшего за некоторое время $\Delta t$ через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

$I={\frac {\Delta Q}{\Delta t}}$

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (A).

По закону Ома сила тока $I$ на участке цепи прямо пропорциональна напряжению $U$, приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению $R$:

$I={\frac {U}{R}}$.

Если на участке цепи электрический ток не постоянный, то напряжение и сила тока постоянно изменяется, при этом у обычного (синусоидального) переменного тока средние значения напряжения и силы тока за период равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого при этом тепла нулю не равна. Для уточнения 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 были бы 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 ${\vec {j}}$ пропорциональна напряжённости электрического поля ${\vec {E}}$ и проводимости среды $\ \sigma$:

${\vec {j}}=\sigma {\vec {E}}.$

На практике плотность тока обычно определяют как отношение силы тока к площади проводника:

$j=|{\vec {j}}|={\frac {I}{S}}$,

где $I$ — сила тока через поперечное сечение проводника площадью $S$. Единица измерения плотности тока в системе СИ — А/м².

Мощность

При прохождении через проводник электрического тока 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, бо́льшая 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:

$P=IU=I^{2}R={\frac {U^{2}}{R}}$.

Мощность измеряется в ваттах (Вт).

В сплошной среде объёмная мощность потерь $p$ определяется скалярным произведением вектора плотности тока ${\vec {j}}$ и вектора напряжённости электрического поля ${\vec {E}}$ в данной точке:

$p=\left({\vec {j}}{\vec {E}}\right)=\sigma E^{2}={\frac {j^{2}}{\sigma }}$.

Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр (Вт/м³).

Сопротивление излучения

Сопротивление излучения — это сопротивление, вызванное образованием электромагнитных волн вокруг проводника и обусловленное энергией, уносимой в виде радиоволн. При обычном сопротивлении «теряемая» энергия переходит в тепло, в случае излучения «потерянная» энергия уходит в окружающее пространство. Но с точки зрения теории цепей, без учета того, куда уходит энергия, общий эффект для электрической цепи один и тот же — энергия «теряется», оттого антенна представляется генератору обладающей электрическим сопротивлением. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника и от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором по всей его длине ток одного направления и силы, и длина которого $L$ значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны $\lambda$, зависимость сопротивления от длины волны и длины проводника относительно проста:

$R=3200\left({\frac {L}{\lambda }}\right)$

Промышленному электрическому току со стандартной для России и некоторых прочих стран частотой 50 Гц соответствует волна длиной около 6.000 км, оттого мощность излучения пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается и соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной.

Частота

Графики токов разной частоты:
- сверху график тока низкой частоты
- снизу график тока высокой частоты

Понятие частоты относится к току, периодически изменяющему силу или направление (например, к переменному току, изменяющемуся по синусоидальному закону).

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

Ток смещения

Ток смещения в конденсаторе.
$B$ — интеграл магнитного поля вокруг края $dS$ поверхности $S$

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 ${\vec {j}}_{D}$ — векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля ${\vec {E}}$:

${\vec {j}}_{D}=\varepsilon _{0}\varepsilon {\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}$,

где $\varepsilon _{0}$ — электрическая постоянная, а $\varepsilon$ — диэлектрическая проницаемость. При изменении электрического поля, так же, как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля, что делает эти два процесса схожими один с другим. Помимо этого, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Так, при заряде и разряде 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 $I_{D}$ в конденсаторе определяется по формуле:

$I_{D}={\frac {{\rm {d}}Q}{{\rm {d}}t}}=-C{\frac {{\rm {d}}U}{{\rm {d}}t}}$,

где $Q$ — заряд на обкладках конденсатора, $U$ — разность потенциалов между обкладками, $C$ — ёмкость конденсатора.

Строго говоря, ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда между полюсами источника тока.

Механизмы протекания тока в различных средах

Основной характеристикой среды для протекания электрического тока является её способность проводить ток — проводимость.

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием разности электрических потенциалов приходят в движение и создают электрический ток. Вольт-амперная характеристика (ВАХ, 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 — 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, образующимися 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 проводимость электролитов растёт вследствие увеличения числа молекул, распавшихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы движутся к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Возможен также электрический ток, обусловленный движением электронов в вакууме, что используется в электронно-лучевых приборах. Здесь наличие тока обусловлено термоэлектронной эмиссией электронов из горячего металлического катода и притяжением их к положительно заряженному аноду.

Электрические токи в природе

Электрические токи могут протекать в проводящих материалах, газах, живых организмах и пр.

Атмосферное электричество

Молния

Начало научному изучению атмосферного электричества было положено в XVIII веке американским учёным Б. Франклином, экспериментально установившим электрическую природу молнии, и русским учёным М. В. Ломоносовым — автором первой гипотезы, объясняющей электризацию грозовых облаков. Две основные современные теории атмосферного электричества были созданы английским учёным Ч. Вильсоном и советским учёным Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущениях паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:

• у земной поверхности существует стационарное электрическое поле, при этом атмосфера в целом заряжена положительно. Разность потенциалов между поверхностью земли и ионосферой может достигать величины 200—250 кВ;
• проявления атмосферного электричества растут при возрастании влажности воздуха. По мере укрупнения частиц облака, увеличения его толщины, усиления осадков из него растет его электризация. В грозовых облаках увеличивается плотность объёмных зарядов;
• электрический пробой под действием сил электрического поля воздушного промежутка между заряженным грозовым облаком и поверхностью земли либо между противоположно заряженными облаками формирует в атмосфере мощный естественный искровой разряд — молнию. Средняя вспышка молнии формирует электрический ток силой порядка 40-50 килоампер (кА).

Помимо токов проводимости, в атмосфере протекают значительные электрические диффузионные и конвективные токи. Также, была установлена электрическая природа полярных сияний.

Огни святого Эльма — естественный коронный электрический разряд, когда электрическое поле вызывает ионизацию молекул воздуха, создавая слабое свечение, хорошо заметное в условиях низкой освещенности.

Биоэлектрические потенциалы

Биоэлектрические потенциалы (устар. биотоки) — электрические потенциалы в телах живых организмов, играющие весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Биопотенциалы существуют как на внутриклеточном уровне, так и на уровне отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит посредством электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сотен вольт и используют это свойство 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 причине того, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие — электроэнергетика.

Электрический ток используется как источник вторичной энергии — энергии, получаемой человеком после преобразования первичной энергии (форма энергии в природе, которая не была подвергнута процессу искусственного преобразования и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую) и как носитель информационных сигналов разной сложности и видов.

Электрический ток как источник энергии находит ряд применений:

• получение тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке;
• получение световой энергии в осветительных и сигнальных приборах;
• возбуждение электромагнитных колебаний целого спектра частот;
• получение звука;
• получение различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов путем превращения электрической энергии в химическую;
• создание магнитного поля (в электромагнитах).

Широкое применение электрический ток нашел в медицине:

• Диагностика — биотоки в здоровых и больных органах отличаются, что делает возможным определить заболевание, выявить его причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме, называется электрофизиологией. Здесь можно выделить следующие виды диагностики:
  • 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:
  • электростимуляция определённых областей головного мозга;
  • лечение болезни Паркинсона и эпилепсии, электрофорез.
  • водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, что показано при брадикардии и иных сердечных аритмиях.

Безопасность

Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже у разных людей колеблется от 3 до 100 кОм, при этом сопротивление внутренних слоев тела менее одного килоома, что характерно при проведении биоимпедансометрии.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, приводит к следующим воздействиям:

• термическому (нагрев и ожоги тканей, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
• электролитическому (разложение крови, нарушение её физико-химического состава);
• биологическому (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги);
• механическому (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, вызванного нагревом крови электрическим током).

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

• безопасным считается сила тока, 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 (постоянный ток);
• сила минимально ощутимого человеком переменного тока составляет около 0,6-1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5—7 мА (постоянный ток);
• 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 постоянного тока 300 мА, воздействие которого дольше 0,5 с уже вызывает фибрилляцию сердечных мышц. Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.

Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование.