Электрический ток: определение и характеристики¶

Электрический ток — это направленное (упорядоченное) движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля. В металлических проводниках носителями заряда выступают электроны, в электролитах — ионы, в газах — ионы и электроны, а в полупроводниках — электроны и «дырки». Количественной мерой тока служит сила тока, измеряемая в амперах (А).

¶Условия возникновения и существования

Для возникновения и поддержания электрического тока в цепи необходимы два условия: наличие свободных носителей заряда и наличие электрического поля, которое создаёт их направленное движение. Источником поля выступает источник тока (гальванический элемент, аккумулятор, генератор), который совершает работу по разделению зарядов, поддерживая разность потенциалов на концах проводника. Внутри источника тока движение зарядов происходит против действия электростатических сил за счёт энергии неэлектрической природы (химической, механической, тепловой).

¶Основные характеристики

Сила тока (I) определяется как заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени: I = q/t. Единица измерения — ампер (А). Напряжение (U) — работа, совершаемая электрическим полем при перемещении единичного заряда между двумя точками цепи; измеряется в вольтах (В). Сопротивление (R) — свойство проводника препятствовать прохождению тока, зависящее от материала, длины, сечения и температуры; измеряется в омах (Ом). Мощность (P) — работа, совершаемая током в единицу времени, вычисляется по формуле P = U·I и измеряется в ваттах (Вт).

¶Виды электрического тока

Различают постоянный и переменный ток. Постоянный ток (DC) — ток, сила и направление которого не изменяются со временем (или изменяются незначительно). Источниками постоянного тока являются батарейки, аккумуляторы, солнечные панели и выпрямители. Переменный ток (AC) — ток, сила и направление которого периодически изменяются. В России стандартной является частота 50 Гц, в США и ряде других стран — 60 Гц. Переменный ток широко используется в промышленности и быту, поскольку его напряжение легко трансформировать для передачи на большие расстояния с минимальными потерями.

¶Законы электрического тока

Фундаментальным законом является закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению (I = U/R). Для полной цепи закон Ома учитывает внутреннее сопротивление источника тока. Законы Кирхгофа описывают распределение токов и напряжений в разветвлённых электрических цепях: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю (первый закон), а сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна сумме ЭДС источников (второй закон). Закон Джоуля — Ленца определяет количество теплоты, выделяющейся в проводнике при прохождении тока: Q = I²·R·t.

¶Воздействие на организм человека

Электрический ток представляет опасность для человека. Основным поражающим фактором является сила тока, проходящего через тело. Порог ощутимого тока составляет около 1 мА, порог неотпускающего тока — 10–15 мА при частоте 50 Гц, а ток 50–100 мА считается смертельно опасным. Исход поражения зависит от пути прохождения тока через тело, длительности воздействия, частоты и индивидуальных особенностей организма. Наиболее опасным является путь «рука — рука» и «рука — ноги», поскольку ток проходит через область сердца. Защитными мерами являются изоляция проводов, заземление, использование защитного отключения и средств индивидуальной защиты.

¶Применение

Электрический ток лежит в основе современной цивилизации. Он используется для освещения, приведения в действие электродвигателей, нагрева (электроплиты, обогреватели), передачи информации (телефония, интернет), в электрохимических процессах (гальваника, электролиз), медицине (электрокардиография, дефибрилляция), на транспорте (электровозы, трамваи, метро). Электроэнергетика обеспечивает генерацию, передачу и распределение электроэнергии от электростанций к потребителям.

¶Измерение

Для измерения параметров электрического тока применяются электроизмерительные приборы: амперметр (включается последовательно в цепь), вольтметр (параллельно участку), омметр, мультиметр, ваттметр. Современные цифровые мультиметры позволяют измерять все основные параметры цепи. Для измерения больших токов используются токовые клещи и трансформаторы тока.

¶Интересные факты

Скорость распространения электрического поля в проводнике близка к скорости света (около 300 000 км/с), однако скорость самих электронов очень мала и составляет доли миллиметра в секунду. Впервые термин «электрический ток» ввёл французский физик Андре-Мари Ампер в начале XIX века. Электрический угорь способен генерировать разряды напряжением до 800 вольт для защиты и охоты. Молния представляет собой гигантский электрический разряд, сила тока в котором может достигать сотен тысяч ампер.

¶Источники

1. Калашников С. Г. Электричество. — М.: Физматлит, 2003.
2. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 2. Электричество и магнетизм. — СПб.: Лань, 2019.
3. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. — М.: Академия, 2009.
4. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. — М.: Юрайт, 2016.