Электрический заряд и электрический ток¶
Электрический — прилагательное, образованное от существительного «электричество», обозначающее свойства, явления и величины, связанные с электрическим зарядом, его взаимодействием и движением. В физике и технике термин применяется к широкому кругу понятий: электрический заряд, ток, поле, напряжение, цепь, машина, двигатель, генератор. Все они описывают одну фундаментальную сторону природы — взаимодействие заряженных частиц, лежащее в основе строения вещества и работы большинства современных технологий.
¶Электрический заряд
Электрический заряд — физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия тел. Существует два рода заряда, условно названных положительным и отрицательным; одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Носителями заряда являются элементарные частицы: электрон несёт отрицательный элементарный заряд, протон — равный ему по модулю положительный.
Единица измерения заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон (Кл). Элементарный заряд составляет приблизительно 1,602·10⁻¹⁹ Кл. Заряд дискретен: любой наблюдаемый заряд кратен элементарному, хотя в макроскопических масштабах дискретность незаметна. Суммарный заряд замкнутой системы сохраняется — это фундаментальный закон сохранения заряда, установленный экспериментально и подтверждённый всей практикой физики.
¶Электрическое поле и напряжение
Взаимодействие зарядов передаётся через электрическое поле — особую форму материи, действующую на заряженные тела с силой. Количественной характеристикой поля служит напряжённость — векторная величина, равная отношению силы, действующей на пробный заряд, к величине этого заряда. Силовые линии поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
Работа поля по перемещению единичного заряда между двумя точками характеризуется напряжением (разностью потенциалов), измеряемым в вольтах. Именно напряжение определяет направленное движение зарядов в проводнике. Связь между напряжённостью и напряжением для однородного поля выражается соотношением U = E·d, где d — расстояние между точками.
¶Электрический ток
Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. За направление тока условно принято движение положительных зарядов, хотя в металлах реально перемещаются электроны — в сторону, противоположную току. Количественная мера тока — сила тока, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени; измеряется в амперах (А).
Для существования тока необходимы свободные носители заряда и электрическое поле, поддерживающее их движение. Постоянный ток течёт в одном направлении, переменный периодически меняет направление и величину. В России и большинстве стран бытовая сеть использует переменный ток частотой 50 Гц и напряжением 220 В (в промышленности — 380 В).
¶Сопротивление и закон Ома
Проводники препятствуют движению зарядов; эта характеристика называется электрическим сопротивлением и измеряется в омах (Ом). Немецкий физик Георг Ом в 1826 году установил, что сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению: I = U/R. Закон Ома — базовый для расчёта электрических цепей.
Сопротивление зависит от материала, длины и площади сечения проводника: R = ρ·l/S, где ρ — удельное сопротивление. Металлы обладают малым удельным сопротивлением, диэлектрики — огромным, полупроводники занимают промежуточное положение.
¶Мощность и тепловое действие
Проходя по проводнику, ток совершает работу и выделяет тепло. Мощность тока равна произведению напряжения на силу тока: P = U·I, измеряется в ваттах (Вт). Количество теплоты, выделяемое в проводнике, описывается законом Джоуля — Ленца: Q = I²·R·t. На этом эффекте основаны работа ламп накаливания, электронагревателей, предохранителей и электросварки.
¶Магнитное действие и связь с магнетизмом
Электрический ток создаёт вокруг себя магнитное поле. Это открытие, сделанное Хансом Кристианом Эрстедом в 1820 году, связало электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма, завершённую Джеймсом Клерком Максвеллом. Магнитное действие тока используется в электромагнитах, электродвигателях, трансформаторах, генераторах и измерительных приборах.
Обратный эффект — возникновение тока при изменении магнитного поля — называется электромагнитной индукцией (открыта Майклом Фарадеем в 1831 году) и лежит в основе работы всех электрогенераторов и трансформаторов.
¶Электрические машины и устройства
Электрическая машина — устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую или наоборот. Генератор вырабатывает электроэнергию, двигатель превращает её в механическую работу. В России значительная часть электроэнергии производится на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях.
К бытовым и промышленным электрическим устройствам относятся:
- электрические двигатели (насосы, станки, бытовая техника);
- электрические генераторы и трансформаторы;
- электрические нагреватели, печи, котлы;
- электрические осветительные приборы;
- электрические аккумуляторы и батареи.
¶Электрические цепи и измерения
Электрическая цепь — совокупность соединённых элементов, по которым может течь ток. Различают последовательное и параллельное соединение проводников. Для последовательного соединения сила тока одинакова на всех участках, напряжения складываются; для параллельного — одинаково напряжение, а токи складываются.
Измерение электрических величин производится амперметром (сила тока), вольтметром (напряжение), омметром (сопротивление), мультиметром (несколько величин). Амперметр включают в цепь последовательно, вольтметр — параллельно участку.
¶Безопасность и значение
Электрический ток опасен для человека: при силе тока порядка 0,05–0,1 А возникает угроза для жизни, а напряжение выше 42 В считается опасным в сырых помещениях. Для защиты применяют изоляцию, заземление, автоматические выключатели и устройства защитного отключения.
Электрификация стала одной из главных технических революций XIX–XX веков. В России план электрификации (ГОЭЛРО), принятый в 1920 году, заложил основу национальной энергетики. Сегодня электрическая энергия — универсальный и наиболее удобный в передаче и преобразовании вид энергии, применяемый в промышленности, транспорте, связи, медицине и быту.
Источники: учебники по общей физике, справочники по электротехнике, материалы по истории физики, нормативные документы по электробезопасности.