Общие сведения. Понятие электрического тока

Понятие электрического тока. На изолированный проводник, как носитель свободных зарядов, помещенный в электрическое поле напряженностью Е, в соответствии с законом Кулона, действует сила

,

под действием которой происходит кратковременное перемещение зарядов. Это перемещение создает внутреннее (собственное) электрическое поле, компенсирующее действие внешнего поля. В итоге электростатическое поле внутри проводника будет отсутствовать.

Однако если на концах этого проводника создать разность потенциалов (электрическое поле), то в проводнике возникнет движение носителей свободных зарядов – электрический ток. Его величина определяется количеством (величиной) заряда, переносимого полем через поперечное сечение проводника в единицу времени

,

где i – ток, измеряемый в амперах, А,

q – заряд в кулонах, Кл,

t – время, с.

Понятие электрического тока ввел французский академик Андре Мари Ампер.

В Международной системе единиц СИ единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.

Электрические токи проводимости, переноса и смещения. Полный электрический ток принято разделять на следующие основные виды: ток проводимости, ток переноса и ток смещения. Эти виды тока определяются различиями механизмов протекания тока в веществах с различными свойствами: проводниках, полупроводниках и диэлектриках.

Электрическим током проводимости называется всякое упорядоченное движение свободных электрических зарядов в некотором объеме пространства (вещества). Он имеет место в металлах, угле и электролитах.

Ток численно равен скорости изменения электрического заряда во времени

.

Так как током называют и явление, и его количественную меру, складывается впечатление, что ток – величина векторная. Если величину тока определить упрощенно, то ток – это количество зарядов через поперечное сечение проводника в единицу времени. Очевидно, что это величина скалярная.

Величина, равная пределу отношения тока Δi к площади элемента поверхности, нормальной к направлению движения заряженных частиц Δs

называется плотностью тока, [j] = А/м². Например, плотность тока в обмотках электрических машин плотность тока составляет 3…7 А/мм².

Плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля

.

Коэффициент пропорциональности в последнем выражении γ – удельная электрическая проводимость, [γ] = [А∙м/B∙м²] = [А/B∙м] = сименс/м, обратная ей величина – ρ = 1/γ – удельное электрическое сопротивление вещества, [ρ] = [B м/А м²] = [Ом· м].

Тогда связь между напряженностью электрического поля и плотностью тока имеет вид

.

Электрический ток переноса – явление переноса электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Примерами тока переноса могут служить токи создаваемые зарядами в вакууме или в газах. Для них справедливо соотношение

.

Электрический ток смещения – упорядоченное движение связанных носителей электрических зарядов. Этот вид тока можно наблюдать в диэлектриках. Он состоит в перемещении элементарных зарядов под воздействием электрического поля и накоплении их в приповерхностном слое диэлектрика. При этом внутри материала диэлектрика создается внутреннее электрическое поле, препятствующее дальнейшему движению зарядов и в постоянном электрическом поле ток становится равным нулю. В переменном электрическом поле попеременное перемещение зарядов создает некоторый переменный ток, величина которого будет определяться величиной напряженности поля и частотой смены направления поля.

Ток электрического смещения имеет две составляющие:

− ток поляризации, обусловленный смещением заряженных частиц атомов и молекул под действием поля (тока смещения в пустоте);

− ток движения заряженных элементарных частиц в веществе диэлектрика.

Плотность тока электрического смещения равна сумме плотностей указанных токов

,

где − вектор электрического смещения в пустоте, − вектор электрического смещения в веществе диэлектрика.

Полный электрический ток есть скалярная величина, равная сумме тока проводимости и тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность

.

Сумма токов всех родов — проводимости, переноса и смещения — сквозь любую замкнутую поверхность равна нулю.

Действие электрического тока на организм человека. Человек начинает ощущать ток в своем теле при его величине 0,005 А. Ток величиной 0,05 А опасен для жизни. Ток в люминесцентной лампе – 0,15 А, в лампе накаливания – 0,2 – 1 А, в холодильнике – 0,5 – 0,8 А, в бытовых нагревательных приборах – 2 – 8 А, в электродвигателе трамвайного вагона – от 100 А и выше, в индукторе печи для плавления алюминия – 18000 А.

Электрический потенциал– количество энергии, затраченной на перемещение единичного заряда из бесконечности (точки с нулевым потенциалом) в какую-либо точку электромагнитного поля.

Потенциал φ некоторой точки электрической цепи определяется как величина, равная отношению потенциальной энергии w, которой обладает заряд q, находящийся в данной точке, к этому заряду

φ = w/q.

Другими словами, потенциальная энергия w равна энергии, расходуемой зарядом при его перемещении из данной точки электрической цепи в точку, имеющую нулевой потенциал.

Электрическое напряжение – количество энергии, затраченной на перемещение единичного заряда из одной точки электромагнитного поля в другую.

Электрическое напряжение определяется как разность потенциалов между двумя точками электрической цепи.

u = φ₁ – φ₂,

где u – напряжение, измеряемое в вольтах (В);

φ₁, φ₂ – потенциалы 1 и 2 точек в вольтах (В).

Единица измерения напряжения – вольт (В) названа в честь итальянца Алесандро Вольта, создателя первого источника электрической энергии – «Вольтова столба». Он также первым ввел понятие электрического напряжения.