Электрический ток

Электри́ческий ток — направленное движение электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в полупроводниках — электроны и так называемые «дырки» («электронно-дырочная проводимость»).

Характеристики

Направление тока

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительного заряда в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов.

Сила и плотность тока

Силой тока называется физическая величина равная отношению количества заряда, прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в системе СИ измеряется в Амперах.

По закону Ома сила тока $I$ пропорциональна приложенному напряжению $U$ и обратно пропорциональна сопротивлению проводника $R$:

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

Плотностью тока называется вектор, модуль которого равен отношению силы тока, протекающего через некоторую площадку, перпендикулярную направлению тока, к величине этой площадки, а направление вектора совпадает с направлением движения положительного заряда в токе.

Согласно закону Ома плотность тока в среде $\vec{j}$ пропорциональна напряжённости электрического поля $\vec{E}$ и проводимости среды $\ \sigma$:

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

Плотность тока в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.

Мощность

При протекании тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Эта работа 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

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.

Переменный и постоянный ток

Различают постоянный (DC от англ. direct current — постоянный ток) и переменный (AC от англ. alternating current — переменный ток) ток.

Постоянный ток — это ток, направление и величина которого слабо меняется во времени. Переменный ток меняет свои направление и/или величину.

Среди переменных токов важную роль играет гармонический ток, для которого величина тока изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Время, за которое происходит один такой цикл (время, включающее изменение тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током в одну секунду, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц соответствует одному периоду в секунду.

Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.

Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника, этот эффект называется скин-эффектом.

Ток смещения

Током смещения $\vec{j_D}$ называется эффективный ток, связанный с изменением электрического поля $\vec{E}$ во времени:

$\vec{j_D} = \frac{\partial\vec{E}}{\partial t}$

Дело в том, что при изменении электрического поля, также как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля, что делает эти два процесса похожими друг на друга. Кроме того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, при зарядке и разрядке 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

Электробезопасность

Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

• термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
• электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
• биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги)

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина проходящего через тело тока. По технике безопасности, минимально ощутимый человеком переменный ток составляет около 1 мА. Опасным для жизни человека переменный ток становится начиная с силы примерно 0,01 А, а постоянный — с 0,05 А. Под воздействием тока такой силы, человек еще способен самостоятельно оторваться от токоведущей части. Смертельным для человека считается ток начиная с силы примерно в 0,05 А.

Применение

Электрический ток широко используется для передачи энергии (электроэнергетика).

В медицине электрический ток используют в реанимации, для лечения психических заболеваний, особенно депрессии, электростимуляции определённых областей головного мозга. Также электрические разряды применяются для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии.

См. также

• Зануление
• Заземление
• Гроза
• Электрический разряд

---

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Электрический ток. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

---