Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц в определённом направлении по проводнику.

Ток в проводнике

Для того чтобы ток возник в проводнике, необходимо, чтобы в какой-то среде были свободные электрические заряды. Двигаться эти заряды заставляет некая сила F, равная величине заряда q, умноженной на напряжённость поля Е.

Направление движения положительных зарядов принимают за направление тока.

Электрическое поле существует, если разность потенциалов между любыми двумя точками проводника, находящегося в этом поле, не равна нулю.

Однако, в таком поле направленное движение электрических зарядов приведёт к тому, что потенциалы на концах проводника станут одинаковыми. Движение зарядов прекратится. Следовательно, исчезнет и электрическое поле. Чтобы поддержать существование электрического поля, необходимо устройство, которое называют источником тока. Источником тока могут быть батареи, аккумуляторы, электрогенераторы, солнечные батареи.

Постоянный и переменный ток

Постоянный ток

Постоянным называют ток, направление и величина которого не меняются с течением времени. График постоянного тока относительно оси времени представляет собой прямую линию.

Электрическое поле, с помощью которого создаётся постоянный ток в проводнике, называют стационарным.

Простейший источник постоянного тока – химический элемент (аккумулятор или гальванический элемент). Направление тока в таком источнике самопроизвольно меняться не может.

Переменный ток

Переменным называется ток, величина и направление которого, в отличие от постоянного тока, с течением времени меняются по определённой закономерности. Причём, эти изменения повторяются через определённые периоды времени.

Если построить график переменного тока, то мы увидим, что он имеет форму синусоиды.

Временной промежуток, в течение которого происходит полный цикл изменения тока, называется периодом . А число полных периодов в 1 секунду, называют частотой переменного тока . Максимальное значение тока во время полного периода называется амплитудным значением тока . Значение тока в любой выбранный момент времени называют мгновенным значением тока .

Источниками переменного тока являются генераторы переменного тока.

Для освещения и промышленных целей переменный ток вырабатывают мощными генераторами, которые приводятся в движение двигателями внутреннего сгорания, паровыми или водяными турбинами.

Сила тока

Силой тока называют величину, равную заряду, который протекает через поперечное сечение проводника в единицу времени.

В международной системе единиц (СИ) сила тока измеряется в амперах.

Для участка цепи сила тока по закону Ампера прямо пропорциональна напряжению U, приложенному к участку цепи, и обратно пропорциональна сопротивлению проводника этого участка R.

Эта формула справедлива для постоянного тока.

Силу тока измеряют с помощью специального прибора – амперметра.

Напряжение в сети переменного тока изменяется по гармоническому закону

U = U m cos ωt

Переменный электрический ток в проводнике возникает под действием переменного электрического поля. Частота и фаза колебаний переменного тока совпадают с частотой и фазой колебаний напряжения.

Мгновенное значение силы переменного тока выражается формулой

i = I m cos ωt

где i – мгновенное значение силы тока

I m - амплитудное значение силы тока

ω – угловая частота

ω = 2πf

f – частота переменного тока

Амплитудное значение силы тока равно I m = U m /R

Действующим значением силы переменного тока называется такое его значение, при котором средняя мощность в проводнике в цепи переменного тока равна мощности в этом же проводнике в цепи постоянного тока.

I Д = 1,44 I m

Практически всё электрооборудование промышленных предприятий, бытовые приборы питаются от сетей переменного тока.

В § 8-и мы рассмотрели опыт с лампой и двумя спиралями (резисторами). Мы отметили, что под изменением силы тока будем понимать изменение потока электронов, проходящих через проводник. Эта фраза относилась ктвёрдым металлическим проводникам. В жидких же металлах (например, в ртути), в расплавленных или растворённых веществах (например, в солях, кислотах и щелочах), а также газах, ток создаётся электронами и ионами (см. § 8-й). Все они являются носителями электрического заряда.
Следовательно, под силой тока более удобно понимать не количество разнообразных заряженных частиц (электронов и/или ионов), проходящих по проводнику за некоторое время, а суммарный заряд, переносимый через проводник за единицу времени. В виде формулы это выглядит так:

Итак, сила тока - физическая величина, показывающая заряд, проходящий через проводник за единицу времени.

Для измерения силы тока используют приборамперметр. Его включают последовательно с тем участком цепи, в котором нужно измерить силу тока. Единица силы тока - 1 ампер (1 А). Её устанавливают, измеряя силу взаимодействия (притяжения или отталкивания) проводников с током. В качестве пояснения см. рисунок с полосками фольги, размещённый в самом начале этой темы.
За 1 ампер принимают силу такого тока, который при прохождении по двум параллельным прямым проводникам бесконечной длины и малого диаметра, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 0,0000002 H.
Познакомимся с законами распределения токов в цепях с различным соединением проводников. На схемах «а», «б», «в» лампа и реостат соединены последовательно. На схемах «г», «д», «е» лампы соединеныпараллельно. Возьмём амперметр и измерим силу тока в местах, отмеченных красными точками.
Сначала включим амперметр между реостатом и лампой (схема «а»), измерим силу тока и обозначим ее символом I общ . Затем поместим амперметр слева от реостата (схема «б»). Измерим силу тока, обозначив её символом I 1 . Потом поместим амперметр слева от лампы, силу тока обозначим I 2 (схема «в»).


во всех участках цепи с последовательным соединением проводников сила тока одинакова:

Измерим теперь силу тока в различных участках цепи с параллельным соединением двух ламп. На схеме «г» амперметр измеряет общую силу тока; на схемах «д» и «е» - силы токов, идущих через верхнюю и нижнюю лампы.


Многочисленные измерения показывают, что сила тока в неразветвлённой части цепи с параллельным соединением проводников (общая сила тока) равна сумме сил токов во всех ветвях этой цепи.

Ослепительная вспышка молнии, раскатистые удары грома. Давно человечество наблюдало за этими грозными явлениями природы и не понимая их испытывало перед ними страх. И всего чуть более ста лет назад, люди научили электрические силы природы служить себе.

Экспресс-физика

В природе существуют мельчайшие заряжённые частицы. Есть частицы, которые заряжены и имеют заряд со знаком плюс, а есть частицы имеющий отрицательный заряд со знаком минус. Частицы, имеющие отрицательный заряд называют электроны. Они могут бегать по металлическим проводникам. И вот этот поток заряжённых частиц учёные назвали электрическим током.

Какими же характеристиками обладает ток? Во-первых, это сила тока и его плотность, а во-вторых это мощность тока. Плотность и мощность тока мы рассмотрим в другой статье, сейчас обратим внимание на силу тока. Рассмотрим что это такое, какие определение и значение в физике выполняет эта величина. Какие обозначения применяются для силы тока? Как найти силу тока? Узнаем интересные и познавательные факты о силе тока.

Языком формул

Сила тока - это физическая величина, определяющая не разнообразие частиц, которые прошли через поперечное сечение проводника, а суммарный заряд, который переносится через проводник за единицу времени. Выглядит это так:

• I=q/t

Где I – это и есть наша сила тока измеряемая в Амперах (А), q – это заряд, который проходит через проводник, единицы его измерения Кулон (Кл), а t – это время наблюдения измеряемое в секундах(с).

А по закону Ома, определить силу тока можно следующим образом, и для этого нам нужно будет знать напряжение участка цепи U измеряется в вольтах (В), и его сопротивление R измеряемое в Омах (Ом):

• I=U/R

А как определить силу тока, если мы не знаем заряд, проходящий через проводник? Как найти силу тока, если это не школьная задача? Для этого существует специальный прибор - амперметр. Для определения силы тока мы должны подключить наш прибор последовательно с тем участком цепи, в которой мы измеряем силу тока. Уметь определять силу тока очень важно и просто необходимо в повседневной жизни. Сила тока в 0,01 Ампер не ощущается или ощущается, но очень слабо. А вот сила тока в 0,1 Ампер приводит к большим нарушениям в организме человека. И ток силой более 0,2 Ампера имеет смертельный характер, результатом является сильные ожоги и остановка дыхания. Будьте предельно осторожны и аккуратны с силой тока!

В проводниках часть валентных электронов не связана с определенными атомами и может свободно перемещаться по всему его объему. В отсутствие приложенного к проводнику электрического поля такие свободные электроны - электроны проводимости - движутся хаотично, часто сталкиваясь с ионами и атомами, и изменяя при этом энергию и направление своего движения. Через любое сечение проводника в одну сторону проходит столько же электронов, сколько и в противоположную. Поэтому результирующего переноса электронов через такое сечение нет, и электрический ток равен нулю. Если же к концам проводника приложить разность потенциалов, то под действием сил электрического поля свободные заряды в проводнике начнут двигаться из области большего потенциала в область меньшего - возникнет электрический ток. Исторически сложилось так, что за направление тока принимают направление движение положительных зарядов, которое соответствует их переходу от большего потенциала к меньшему.

Электрический ток характеризуется силой тока I (рис. 4.1).

Сила тока есть скалярная величина, численно равная заряду переносимому через поперечное сечение проводника в единицу времени

Рис. 4.1. Сила тока в проводнике

Согласно (4.1), сила тока в проводнике равна отношению заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время к этому времени.

Замечание: В общем случае сила тока через некоторую поверхность равна потоку заряда через эту поверхность.

Если сила тока с течением времени не изменяется, то есть за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходят одинаковые заряды, то такой ток называется постоянным , и тогда заряд, протекший за время t , может быть найден как (рис. 4.2)

Рис. 4.2. Постоянный ток, протекающий через разные сечения проводника

С учетом определения силы тока плотность тока через данное сечение может быть выражена через силу тока , протекающего через это сечение

При равномерном распределении потока зарядов по всей площади сечения проводника плотность тока равна

Уравнение (4.1) связывает единицы измерения силы тока и заряда

Это очень малая величина, поэтому на практике обычно имеют дело с более крупными единицами, например

Плотность тока можно выразить через объемную плотность зарядов и скорость их движения v (рис. 4.3).

Рис. 4.3. К связи плотности тока j с объемной плотностью зарядов и дрейфовой скоростью v носителей заряда. За время dt через площадку S пройдут все заряды из объема dV = vdt S

Полный заряд, проходящий за время dt через некоторую поверхность S , перпендикулярную вектору скорости v , равен

Так как dq /(Sdt ) есть модуль плотности тока j , можно записать

Поскольку скорость v есть векторная величина, то и плотность тока также удобно считать векторной величиной, следовательно

Здесь плотность заряда, скорость направленного движения носителей заряда.

Замечание: Для общности использован индекс , так как носителями заряда, способными участвовать в создании тока проводимости, могут быть не только электроны, но, например, протоны в пучке, полученном из ускорителя или многозарядные ионы в плазме, или так называемые «дырки» в полупроводниках «р » типа, короче, любые заряженные частицы, способные перемещаться под воздействием внешних силовых полей.

Кроме того, удобно выразить плотность заряда через число носителей заряда в единице объема - (концентрацию носителей заряда) . В итоге получаем:

Следует подчеркнуть, что плотность тока, в отличие от силы тока - дифференциальная векторная величина. Зная плотность тока, мы знаем распределение течения заряда по проводнику. Силу тока всегда можно вычислить по его плотности. Соотношение (4.4) может быть «обращено»: если взять бесконечно малый элемент площади , то сила тока через него определится как . Соответственно, силу тока через любую поверхность S можно найти интегрированием

Что же понимать под скоростью заряда v , если таких зарядов - множество, и они заведомо не движутся все одинаково? В отсутствие внешнего электрического поля, скорости теплового движения носителей тока распределены хаотично, подчиняясь общим закономерностям статистической физики. Среднее статистическое значение ввиду изотропии распределения по направлениям теплового движения. При наложении поля возникает некоторая дрейфовая скорость - средняя скорость направленного движения носителей заряда:

которая будет отлична от нуля. Проведем аналогию. Когда вода вырывается из шланга, и мы интересуемся, какое ее количество поступает в единицу времени на клумбу, нам надо знать скорость струи и поперечное сечение шланга. И нас совершенно не волнуют скорости отдельных молекул, хотя они и очень велики, намного больше скорости струи воды, как мы убедились в предыдущей части курса.

Таким образом, скорость в выражении (4.7) - это дрейфовая скорость носителей тока в присутствии внешнего электрического поля или любого другого силового поля, обуславливающего направленное (упорядоченное) движение носители заряда. Если в веществе возможно движение зарядов разного знака, то полная плотность тока определяется векторной суммой плотностей потоков заряда каждого знака.

Как уже указывалось, в отсутствие электрического поля движение носителей заряда хаотично и не создает результирующего тока. Если, приложив электрическое поле, сообщить носителям заряда даже малую (по сравнению с их тепловой скоростью) скорость дрейфа, то, из-за наличия в проводниках огромного количества свободных электронов, возникнет значительный ток.

Поскольку дрейфовая скорость носителей тока создается электрическим полем, логично предположить пропорциональность

так что и плотность тока будет пропорциональна вектору напряженности (рис. 4.4)

Более подробно этот вопрос обсуждается в Дополнении

Входящий в соотношение (4.9)

Проводимость связывает напряженность поля в данной точке с установившейся скоростью «течения» носителей заряда. Поэтому она может зависеть от локальных свойств проводника вблизи этой точки (то есть от строения вещества), но не зависит от формы и размеров проводника в целом. Соотношение (4.9) носит название закона Ома для плотности тока в проводнике (его называют также законом Ома в дифференциальной форме ).

Рис. 4.4. Силовые линии электрического поля совпадают с линиями тока

Чтобы понять порядки величин, оценим дрейфовую скорость носителей заряда в одном из наиболее распространенных материалов - меди. Возьмем для примера силу тока I = 1 А, и пусть площадь поперечного сечения провода составляет
1 мм 2 = 10 –6 м 2 . Тогда плотность тока равна j = 10 6 А/м 2 . Теперь воспользуемся соотношением (4.7)

Носителями зарядов в меди являются электроны (е = 1.6·10 -19 Кл), и нам осталось оценить их концентрацию . В таблице Менделеева медь помещается в первой группе элементов, у нее один валентный электрон, который может быть отдан в зону проводимости. Поэтому число свободных электронов примерно совпадает с числом атомов. Берем из справочника плотность меди - r Cu =8,9·10 3 кг/м3. Молярная масса меди указана в таблице Менделеева - M Cu = 63,5·10 –3 кг/моль. Отношение

Это число молей в 1 м 3 . Умножая на число Авогадро Na = 6,02·10 23 моль –1 , получаем число атомов в единице объема, то есть концентрацию электронов

Теперь получаем искомую оценку дрейфовой скорости электронов

Для сравнения: скорости хаотического теплового движения электронов при 20°С в меди по порядку величины составляют 10 6 м/с, то есть на одиннадцать порядков величины больше.

Возьмем произвольную воображаемую замкнутую поверхность S , которую в разных направлениях пересекают движущиеся заряды. Мы видели, что полный ток через поверхность равен

где dq - заряд, пересекающий поверхность за время dt . Обозначим через q " заряд, находящийся внутри поверхности. Его можно выразить через плотность заряда , проинтегрированную по всему объему, ограниченному поверхностью

Из фундаментального закона природы - закона сохранения заряда - следует, что заряд dq , вышедший через поверхность за время dt , уменьшит заряд q " внутри поверхности точно на эту же величину, то есть dq " = –dq или

Подставляя сюда написанные выше выражения для скоростей изменения заряда внутри поверхности , получаем математическое соотношение, выражающее закон сохранения заряда в интегральной форме

Напомним, что интегрирования ведутся по произвольной поверхности S и ограниченному ею объему V .

Невозможно. Понятие о токе является основой, на которой, словно дом на надежном фундаменте, выстраиваются дальнейшие расчеты электроцепей и приводятся новые и новые определения. Сила тока представляет собой одну из величин международной поэтому универсальной единицей измерения является Ампер (А).

Физический смысл данной единицы поясняют следующим образом: сила тока в один ампер возникает при движении обладающих зарядом частиц по двум проводникам бесконечной протяженности, между которыми промежуток в один метр. При этом возникающая на каждом метровом участке проводников численно равна 2*10 в степени -7 Ньютон. Обычно добавляют, что проводники расположены в вакууме (что позволяет нивелировать влияние промежуточной среды), а их сечение стремится к нулю (при этом проводимость максимальна).

Однако, как это обычно бывает, классические определения понятны лишь специалистам, которым, по сути, уже не интересны азы. А вот незнакомый с электричеством человек «запутается» еще больше. Поэтому поясним, что такое сила тока, буквально «на пальцах». Представим обыкновенную батарейку, от полюсов которой к лампочке идут два изолированных провода. В разрыв одного провода подключен выключатель. Как известно из начального курса физики, электрический ток - это движение частиц, обладающих собственным Обычно ими принято считать электроны (действительно, именно электрон обладает единичным отрицательным зарядом), хотя на самом деле все немного сложнее. Данные частицы характерны для проводящих материалов (металлы), а вот в газовых средах дополнительно переносят заряд ионы (вспоминаем термины «ионизация» и «пробой воздушного промежутка»); в полупроводниках проводимость не только электронная, но и дырочная (положительный заряд); в электролитических растворах проводимость чисто ионная (например, автомобильные аккумуляторы). Но вернемся к нашему примеру. В нем ток формирует движение именно свободных электронов. Пока выключатель не включен, цепь разомкнута, частицам двигаться некуда, следовательно, сила тока равна нулю. Но стоит «собрать схему», как электроны устремляются от отрицательного полюса батарейки к положительному, проходя через лампочку и вызывая ее свечение. Сила, заставляющая их двигаться, происходит от электрического поля, создаваемого батарейкой (ЭДС - поле - ток).

Сила тока - это отношение заряда ко времени. То есть фактически речь идет о количестве электричества, проходящего по проводнику за условную единицу времени. Можно привести аналогию с водой: чем сильнее открыт кран, тем больший объем воды пройдет по трубопроводу. Но если воду измеряют литрами (кубометрами), то ток - количеством носителей заряда или, что также верно, амперами. Вот так все просто. Нетрудно понять, что увеличить силу тока можно двумя способами: убрав из цепи лампочку (сопротивление, препятствие движению), а также повысив создаваемое батарейкой электрическое поле.

Собственно, мы подошли к тому, как в общем случае выполняется расчет силы тока. Существует много формул: например, для полной цепи, учитывающей влияние характеристик источника питания; для переменного и для многофазных систем и пр. Однако всех их объединяет единое правило - знаменитый закон Ома. Поэтому приведем его общий (универсальный) вид:

где I - ток, в Амперах; U - напряжение на выводах источника питания, в Вольтах; R - сопротивление цепи или участка, в Омах. Эта зависимость лишь подтверждает все вышесказанное: увеличения тока можно добиться двумя способами, через сопротивление (наша лампочка) и напряжение (параметр источника).

← Вернуться