условия существования электрического тока, какие условия

Вопросы и ответы

Классификация

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел по отношению к определенной среде, такой ток называется током электропроводности. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называется конвекционным током.

Различают переменный ток (AC), постоянный ток (DC) и пульсирующий электрический ток, а также их различные комбинации. В таких терминах слово «электрический» часто опускается. Постоянный ток – это ток, направление и величина которого мало меняются во времени.

Переменный ток – это ток, величина и направление которого меняются со временем. В самом широком смысле переменный ток — это любой ток, не являющийся постоянным. Среди переменных токов наибольшее значение имеет ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону.

По проводам высоковольтных линий течет ток, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы это тоже электрический ток.

При этом 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 (в том числе через нулевой потенциал).

В результате возникает ток, который непрерывно меняет направление: при движении в одном направлении он увеличивается, при достижении максимума, называемого амплитудным значением, затем уменьшается, в какой-то момент становится равным нулю, затем снова возрастает, но уже в другом направлении и также, когда максимальное значение , падает, а затем снова проходит через нуль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Таблица электрического тока и его единиц измерения Таблица электрического тока и его единиц измерения.

Квазистационарный ток

Это «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого законы постоянного тока выполняются с достаточной точностью» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, как и постоянный, имеет одинаковую силу тока на всех участках неразветвленной цепи.

При расчете квазистационарных токовых цепей за счет возникающих напр д.с емкости и индуктивности индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются общепромышленные потоки, за исключением потоков в дальних линиях электропередачи, где условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

Высокочастотный переменный ток — это ток, в котором уже не выполняется условие квазистационарности, ток проходит по поверхности проводника и обтекает его со всех сторон. Этот эффект называется скин-эффектом.

Пульсирующий ток

Ток, при котором изменяется только величина, но направление остается постоянным.

Вихревые токи (токи Фуко)

Замкнутые электрические токи в твердом проводнике, возникающие при изменении пронизывающего его магнитного потока», поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не протекают по определенным путям в провода, но при замыкании в проводник образуют вихреобразные контуры.

Наличие вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть переменный электрический ток и магнитный поток распространяются преимущественно в поверхностном слое проводника. Вихретоковый нагрев проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока.

Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи магнитные цепи переменного тока разделены на отдельные пластины, изолированные друг от друга и размещенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и значительно уменьшает размеры этих токи.

При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитоэлектрики, где вихревые токи практически не возникают из-за очень высокого сопротивления.

Характеристики

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

Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, температуры окружающей среды, приложенной разности потенциалов и много меньше скорости света.

За 1 секунду электроны в проводнике совершают упорядоченное движение менее чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения реального электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны).

То есть место, где электроны меняют свою скорость после изменения напряжения, движется со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Молния – пример природного электричества Молниеносный разряд – пример природного электричества

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков проводники содержат свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, обычно разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток.

Вольт-амперная характеристика (зависимость тока от напряжения) — важнейшая характеристика проводника. Для металлических проводников и электролитов он имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Таблица электрического тока в различных средах Таблица электрического тока в различных средах.

  • Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые обычно рассматриваются как электронный газ, явно проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.
  • Плазма – это ионизированный газ. Электрический заряд несут ионы (положительные и отрицательные) и свободные электроны, образующиеся под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и др.) и (или) нагревания.
  • Электролиты — это «жидкие или твердые вещества и системы, в которых ионы присутствуют в любой заметной концентрации, вызывающей прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации.

При нагревании сопротивление электролитов уменьшается из-за увеличения числа молекул, распадающихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы приближаются к электродам, нейтрализуются и осаждаются на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделяющегося на электродах.

Это также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых устройствах.

Электрический ток в различных средах

Одним из параметров, характеризующих электрический ток, является его проводимость, которая изменяется в зависимости от внешних условий. В каждом отдельном случае степень проводимости может быть разной, поэтому для изучения и лучшего понимания процессов используют таблицу электрического тока в средах.

С его помощью можно более четко узнать и представить, какими свойствами обладает электрический ток в тех или иных случаях.

Фактически электрический ток может течь в пяти различных типах сред:

  1. Металлы.
  2. Вакуум.
  3. Полупроводники.
  4. Жидкости.
  5. Газы.

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение электронов, движущихся в заданном направлении под действием электрического поля. Многочисленные эксперименты показали, что при протекании токов ионы самого металла остаются на месте и не принимают участия в движении заряда.

Все металлы, находящиеся в твердом состоянии, обычно имеют кристаллическую структуру. В узлах кристаллической решетки закреплены положительные ионы, а остальное пространство заполнено свободными электронами.

Электроны не имеют ничего общего с ядрами. В этом случае ситуация внутри металла уравновешивается, так как суммарный отрицательный заряд свободных электронов в нормальном состоянии равен по абсолютной величине положительному заряду всех ионов, составляющих структуру решетки.

Таким образом, металлы в обычном состоянии электрически нейтральны, и все свободные электроны внутри структуры совершают хаотическое движение.

Как только в металле образуется электрическое поле, свободные электроны под действием внешних электрических сил начинают совершать направленное движение. Так возникает электрический ток. Примечательно, что направленное движение этих электронов происходит хаотично.

Как только в проводнике появляется электрическое поле, оно распространяется по всей длине проводника с огромной скоростью (скорость движения электрического тока близка к скорости света, что составляет 300 тысяч км в секунду)!

Читайте также: Как выбрать стабилизатор напряжения?

Электрический ток в вакуумной среде

Отличительной чертой вакуума является отсутствие заряженных частиц. По сути, это диэлектрик. Свободные электроны присутствуют в больших количествах в металлах. Если температура окружающей среды близка к комнатной, электроны (в соответствии с законами кулоновского притяжения) не могут покинуть металл и остаются в структуре. Но как только начинается процесс нагревания металла, из него начинают в большом количестве вылетать электроны.

Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Для запуска его в вакуум в качестве одного из электродов помещается тонкая проволочная нить из особо тугоплавкого металла (это так называемая нить).

При подключении к источнику тока из этого провода начинают вылетать горячие электроны, которые попадают в электрическое поле, расположенное между двумя электродами. Начинается упорядоченное движение, создается электрический ток.

Это явление послужило основой для работы электронных ламп, диодов, триодов, работающих в вакууме.

Электрический ток в средах-полупроводниках

Полупроводники – это вещества, находящиеся в некотором промежуточном состоянии между проводниками и диэлектриками. (Типичным примером являются кристаллы кремния или германия). Здесь, когда атомы соединены друг с другом, это ковалентная связь.

Эта связь разрывается, когда материал нагревается, и атомы ионизируются. В результате появляется все больше свободных электронов, а также свободных участков («дырок») с положительным зарядом.

Точно так же появляются «дырки» в соседних атомах. Более того, эти дырки вместе со свободными электронами начинают свободно перемещаться по кристаллу. В результате после помещения кристалла в электрическое поле начинается упорядоченное движение вышеуказанных частиц и возникает электрический ток.

Электрический ток в различных средах: жидкости

Жидкие проводники второго типа представляют собой растворы солей, оснований и кислот. Обратите внимание, что в этот список не входит вода. Дело в том, что в чистом виде молекулы в воде имеют полярность, присущую диэлектрикам.

Следовательно, для создания условий существования электрического тока в жидкости необходимо ввести извне вещество, которое будет обеспечивать свободные носители для перемещения заряда.

Электрический ток в различных средах: газы

В нормальных стандартных условиях рептилии представляют собой нейтральные молекулы, которые по существу являются диэлектрическими. Чтобы получить ток, необходимо оторвать молекулы от атома, «ионизировать» среду. Это достигается как нагреванием, так и различными методами облучения. В результате образуются три типа носителей заряда

  • положительные ионы;
  • отрицательные ионы;
  • электроны.

Упорядоченное движение этих частиц также начинается под действием внешнего электрического поля. Но здесь происходит разнонаправленное движение, одни движутся к катоду, другие — к аноду.

Общие выводы

Рассматривая тему о том, как распространяется электрический ток в разных средах, можно отметить: в газах упорядоченное движение начинается под действием электрического поля.

Электрический ток в различных средах — растворах и расплавах электролитов. Многие электролиты в обычном состоянии являются изоляторами. Но после растворения в воде эти вещества становятся проводниками.

Этот процесс называется электролитической диссоциацией. Электрический ток в различных средах протекает под действием внешнего электрического поля. При этом одни ионы движутся к катоду, а другие к аноду.

Подведем итог

Таблица наиболее наглядно помогает увидеть, как протекает электрический ток в разных средах. Очевидно, что условия течения зависят от структуры материала, но процесс всегда начинается под влиянием внешнего.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector