Сила тока в проводнике и средах для новичков и не только

Ремонт бытовой техники и электропроводки своими руками требует от домашнего мастера понимания физических процессов электричества. Но среди практиков встречается категория “забывчивых” людей.

Специально для напоминания им, а не только ученикам школ, я подготовил материал о том, как создается сила тока в проводнике и других различных средах.

Постарался изложить его немного упрощенным и понятным языком без сложных формул и выводов, но подробно. Читайте, знакомьтесь, вспоминайте.

При каких условиях возникает электрический ток и что такое сила тока простыми словами

Сразу обращаю внимание: определение электрического тока не относится к статическим, замершим явлениям. Оно напрямую связано с движением,динамическим состоянием.

Его создают не нейтральные, а активные частицы положительного или отрицательного электрического заряда.

И перемещаться они должны не хаотически, как жители мегаполиса во время часа пик, а направленно. Пример: движение массы автомобилей по многорядной дороге в одном направлении большого города.

Представили картину? Внутрь сплошного потока добавляются машины со стороны, какие-то водители съезжают с трассы на другие дороги. Но на общее движение эти процессы не особо влияют: направление сохраняется односторонним.

Так же происходит перемещение электрических зарядов. Внутри металлических проводников ток создают электроны. В обычном состоянии они там движутся довольно хаотически во все стороны.

Но стоит приложить к ним внешнюю силу электрического напряжения с положительными и отрицательными потенциалами на противоположных концах проводника, как начинается направленное движение зарядов.

Оно и является электрическим током. Обращаю внимание на последнее слово. Оно характеризует течение, перемещение, движение, динамику и связанные сними процессы, но не статику.

Именно величина приложенной внешней силы определяет качество направленного потока электронов в одну сторону. Чем выше ее значение, тем большая сила тока начинает протекать через проводник.

Однако здесь требуется учитывать несколько особенностей,связанных с:

• общепринятыми научными условностями;
• интенсивностью движения зарядов;
• Противодействием внутренней среды проводника.

В первом случае нам приходится преодолевать сложившиеся исторические стереотипы, когда люди смешивают общее направление электронов и электрического тока.

Внутри металлов электрический ток
создается за счет перемещения электронов в обратную сторону: они отталкиваются от одноименного минусового полюса и движутся к положительному.

Недопонимание этого положения может привести к ошибкам. Но их просто избежать: достаточно только запомнить эту особенность и использовать при расчетах или анализе действий электрических схем.

Интенсивность движения заряженных частиц характеризуют количеством их заряда, протекающего через заданную площадь за определённый промежуток времени.

Ее называют силой тока, обозначают латинской буквой I, вычисляют отношением ∆Q/∆t.

Здесь ∆Q — это количество зарядов, проходящих сквозь проводник с площадью S и длиной ∆L, а ∆t — калиброванный промежуток времени.

Для увеличения силы тока нам необходимо повысить число зарядов, проходящих через проводник за единицу времени, а для снижения — уменьшить.

Опять же присмотритесь к термину “сила тока”, вернее к его первому слову. Я специально на самой верхней картинке показал для сравнения мощный бицепс и тлеющую лампочку.

Силовой запас источника энергии может колебаться от излишнего до недостаточного для потребителя. А нам всегда требуется питать нагрузку оптимально. Для этого и введено понятие силы тока.

Чтобы ее оценивать используется единица системы измерения: ампер, обозначаемая латинской буквой A.

Теоретически, чтобы оценить 1 ампер необходимо:

• взять два очень тонких, бесконечно длинных и совершенно ровных проводника;
• разместить их на плоскости строго параллельно друг другу на расстоянии 1 метр;
• пропускать по ним одинаковый ток, постепенно повышая его величину;
• замерять силу притяжения проводов и зафиксировать момент, когда она достигнет значения 2×10-7 Ньютона.

Вот тогда и станет протекать в проводах 1 ампер.

На практике никто так не поступает. Для измерения созданы специальные приборы: амперметры. Их конструкции работают в размерах дольности и кратности: мили-, микро- и кило-.

Еще одно определение ампера связано с единицей количества электричества: кулоном (Кл), который проходит сквозь поперечное сечение провода за 1 секунду.

1A = 1Кл / 1c

Это явление позволяет выполнять замеры в самых удобных местах любой электрической схемы.

Когда создается сложная разветвленная цепь для протекания нескольких токов, то последние тоже на всех отдельных участках остаются постоянными.

Третий случай противодействия среды тоже важен. Электроны в процессе движения сталкиваются с препятствиями в виде положительно и отрицательно заряженных частиц.

Такие столкновения связаны с затратами энергии, расходуемой на выделение тепла. Их обобщили термином электрического сопротивления и описали физическими законами в математической форме.

Внутренняя структура каждого металла оказывает различное противодействие протеканию тока. Наука давно изучила эти свойства и свела в таблицы, графики и формулы удельного электрического сопротивления.

При проведении расчетов нам остается только воспользоваться уже проверенными и подготовленными сведениями. Их можно выполнять на основе формул, представленных известной шпаргалкой электрика.

Но намного проще использовать онлайн калькулятор Закона Ома. Он позволит избежать совершения типичных математических ошибок.

Для любителей смотреть видео я рекомендую ролик Павла Виктор по основам теории электропроводности металлов.

Самые важные выводы из формул силы тока для домашнего мастера

Практическую пользу представляет только полное понимание процессов протекания тока по проводникам. В быту мы должны:

1. Заранее предусмотреть токовые нагрузки на проводку. Эти сведения помогут грамотно спроектировать ее для прокладки внутри своей квартире. А если она уже проложена, то потребуется учитывать и не превышать подключаемые мощности.

• Исключить типовые ошибки монтажа проводов и оборудования, на которых происходит бесполезная потеря энергии электричества,создается излишний нагрев, возникают повреждения.

• Правильно эксплуатировать проводку.

• Предусмотреть систему защит, которые автоматически предохранят бытовую сеть от возникновения случайных повреждений как внутри схемы, так и приходящих со стороны питания.

Сейчас я не стану более подробно расшифровывать каждый из этих четырех пунктов. У меня в планах расписать их для вас более подробно сериями статей, опубликовать в рубриках сайта. Следите за информацией или подписывайтесь на рассылку, дабы быть в курсе.

Какие бывают виды электрического тока в быту

Форма сигнала токов зависит от работы источника напряжения и сопротивления среды, через которую проходит сигнал. Чаще всего на практике домашнему мастеру приходится сталкиваться со следующим видами:

• постоянный сигнал, вырабатываемый от аккумуляторов или гальванических элементов;
• синусоидальный, создаваемый промышленными генераторами частоты 50 герц;
• пульсирующий, образуемый за счет преобразований различных блоков питания;
• импульсный, проникающий в бытовую сеть за счет разряда молний в воздушные линии электропередач;
• произвольный.

Чаще всего встречается синусоидальный или переменный ток: им питаются все наши приборы.

В современной проводке, питающейся синусоидальным напряжением, работает много полупроводниковых бытовых приборов. Они обладают не линейным сопротивлением, нарушают форму гармоники.

Эти помехи складываются по всей цепи от конкретного потребителя до питающего трансформатора, искажают идеальный синус произвольным образом. В результате изменяется как форма, так и величина питающего напряжения.

Это может привести к созданию аварийного режима: отгоранию нулевого проводника в питающей трехфазной цепи. Подробно этот процесс описан отдельной статьей другого сайта.

Электрический ток в различных средах: что надо знать электрику

Заряженные частицы под действием приложенного напряжения перемещаются не только внутри металлов, как мы разобрали выше на примере электронов, но и в:

• переходном слое полупроводниковых элементов;
• жидкостях различных составов;
• среде газа;
• и даже внутри вакуума.

Все эти среды оценивают способностью пропускать ток термином, называемым проводимостью. Это величина, обратная сопротивлению. Она обозначается буквой G, оценивается через удельную проводимость, которую можно найти в таблицах.

Проводимость вычисляется по формулам:

G = 1 / R = I / U

Сила тока в проводнике из металла: как используется в бытовых условиях

Способность внутренней структуры металлов по-разному влиять на условия движения направленных зарядов применяется для реализации специфических задач.

Транспортировка электрической мощности

Чтобы передать электрическую энергию на большое расстояние используют металлические проводники повышенного сечения с высокой проводимостью: медь или алюминий. Более дорогие металлы серебро и золото работают внутри сложных электронных схемах.

Всевозможные конструкции проводов, шнуров и кабелей на их основе надежно эксплуатируются в домашней проводке.

Нагревательные элементы

Для обогревательных приборов применяют вольфрам и нихром,обладающие большим сопротивлением. Оно позволяет разогревать проводник до высоких температур при правильном подборе приложенной мощности.

Этот принцип воплотился в многочисленных конструкциях электрических нагревателей — ТЭН-ах.

Защитные устройства

Завышенная сила тока в проводнике из металла с хорошей проводимостью, но тонким сечением позволяет создавать предохранители,используемые как токовые защиты.

Они нормально работают в оптимальном режиме нагрузки, но быстро перегорают при бросках напряжения, коротких замыканиях или перегрузках.

Еще несколько десятков лет предохранители массово служили основной защитой домашней проводки. Сейчас их заменили автоматическими выключателями. Но внутри всех блоков питания они продолжают надежно работать.

Ток в полупроводниках и его характеристики

Электрические свойства полупроводников сильно зависят от внешних условий: температуры, облучения светом.

Для увеличения их собственной проводимости в состав структуры добавлены специальные примеси.

Поэтому внутри полупроводника ток создается за счет собственной и примесной проводимости внутреннего p-n перехода.

Носителями зарядов полупроводника выступают электроны и дырки. Если плюсовой потенциал источника напряжения приложен к полюсу p, а минусовой — к n, то через p-n переход станет течь ток за счет созданного ими движения.

При обратном приложении полярности p-n переход остается закрытым. Поэтому на картинке выше в первом случае показана светящаяся лампочка, а во втором — потухшая.

Аналогичные p-n переходы работают в других полупроводниковых конструкциях: транзисторах, стабилитронах, тиристорах…

Все они рассчитаны на номинальное прохождение силы тока. Для этого прямо на их корпус наносится маркировка. По ней заходят в таблицы технических справочников и оценивают полупроводник по электрическим характеристикам.

Ток в жидкостях: 3 метода применения

Если металлы обладают хорошей проводимостью, то среда жидкостей может выступать как диэлектрик, проводник и даже полупроводник. Но, последний случай не для домашнего применения.

Изоляционные свойства

Высокими диэлектрическими свойствами обладает минеральное масло высокой степени очистки и заниженной вязкости, созданное для работы внутри промышленных трансформаторах.

Дистиллированная вода тоже имеет высокие изоляционные свойства.

Аккумуляторы и гальванопластика

Если в дистиллированную воду добавить немного соли, кислоты или щелочи, то она, за счет возникновения электролитической диссоциации, станет токопроводящей средой — электролитом.

Однако здесь надо понимать: ток, протекающий в металлах, не нарушает структуру их вещества. В жидкостях же происходят разрушительные химические процессы.

Поэтому принято считать металлы проводниками первого рода, а жидкости — второго.

Ток в жидкостях так же создается под действием приложенного напряжения. Например, когда к двум электродам, опущенным в водный раствор какой-то соли, подведены положительные и отрицательные потенциалы от батарейки или аккумулятора.

Молекулы раствора образуют положительно и отрицательно заряженные частицы — ионы. По знаку заряда их называют анионы (+) и катионы (-).

Под действием приложенного электрического поля анионы и катионы начинают движение к электродам противоположных знаков: катоду и аноду.

Такое встречное движение заряженных частиц образует электрический ток в жидкостях. При этом ионы, дойдя до своего электрода,разряжаются на нем и образуют осадок.

Наглядным примером могут быть гальванические процессы,проходящие в растворе медного купороса CuSO4 с опущенными в него медными электродами.

Ионы меди Cu заряжены положительно — это анионы. На катоде они теряют свой заряд и оседают тонким металлическим слоем.

Катионами выступает кислотный остаток SO4. Они приходят на анод, разряжаются, вступают в химическую реакцию с медью электрода, образуют молекулы медного купороса, поступают обратно в раствор.

По этому принципу за счет ионной проводимости работают все электролиты в гальванопластике, когда идет изменение структуры электродов, а состав жидкости не меняется.

С помощью этого метода создают тонкие покрытия из благородных металлов на ювелирных украшениях или защитный слой различных деталей от коррозии. Силу тока подбирают под скорость протекания химической реакции в зависимости от конкретных условий среды.

По этой же схеме работают все аккумуляторные батареи. Только они еще обладают возможностью накапливать заряд от приложенной энергии генератора и отдают электричество при разряде на потребитель.

Работу никель кадмиевого аккумулятора в режиме заряда от внешнего генератора и разряда на приложенную нагрузку демонстрирует простая схема.

Ток в газах: диэлектрические свойства среды и условия протекания разрядов

Обычная газовая среда обладает хорошими диэлектрическими свойствами: она состоит из нейтральных молекул и атомов.

Примером может служить воздушная атмосфера. Ее используют как изолирующий материал даже на высоковольтных линиях электропередач, передающих очень большие мощности.

Оголенные металлические провода закреплены на опоре через изоляторы и отделены от контура земли их высоким электрическим сопротивлением,а между собой — обычным воздухом. Так работают ВЛ всех напряжений, включая 1150кВ.

Однако диэлектрические свойства газов могут быть нарушены за счет воздействия внешней энергии: нагрева до большой температуры или приложения повышенной разности потенциалов. Только тогда происходит ионизация их молекул.

Она отличается от тех процессов, которые происходят внутри жидкостей. У электролитов молекулы расщепляются на две части: анионы и катионы.Молекула же газа во время ионизации выделяет электрон и остается в виде иона положительного заряда.

Как только внешние силы, создающие ионизацию газов,прекращают действовать, сразу исчезает проводимость газовой среды. Разряд молнии в воздухе является кратковременным явлением, подтверждающим это положение.

Ток в газах, кроме разряда молнии, может создаваться за счет поддержания электрической дуги. По этому принципу работают прожектора и проекционные аппараты яркого света, а также промышленные дуговые печи.

Неоновые и люминесцентные лампы используют свечение тлеющего разряда, протекающего в среде газа.

Еще один вид разряда в газах, применяемый в технике —искровой. Он создается газовыми разрядниками для замера величин больших потенциалов.

Ток в вакууме: как используется в радиоэлектронных приборах

Латинское слово вакуум трактуется на русском языке как пустота. Она создается практическим путем за счет откачки газов из закрытого пространства вакуумными насосами.

Носителей электрических зарядов в вакууме нет. Их необходимо внести в эту среду для того, чтобы создать ток. Здесь используется явление термоэлектронной эмиссии, которая возникает при нагреве металла.

Таким способом работают радиоэлектронные лампы, у которых катод подогревается нитью накала. Освобождающиеся из него электроны, под действием приложенного напряжения, движутся к аноду, образуют ток в вакууме.

По этому же принципу создана электронно лучевая трубка кинескопного телевизора, монитора, осциллографа.

Просто в ней добавлены управляющие электроды для отклонения луча и экран, указывающий на его положение.

На этом заканчиваю. Специально для вас сделан раздел комментариев. Он позволяет просто высказывать собственное мнение о прочитанной статье.