Электри́ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).
Электрический ток широко используется в энергетике для передачи энергии на расстоянии.
В медицине электрический ток используют в реанимации, электростимуляции определённых областей головного мозга. Электрические разряды применяются для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии. Характеристики
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 электронов.
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. За 1 с электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм.[1]
Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического
тока равна скорости света, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.
Различают переменный (англ. alternating current, AC) и постоянный (англ. direct current, DC) токи.
- Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняется во времени.
- Переменный ток — это ток, направление и величина которого
меняется во времени. Среди переменных токов основным является ток,
величина которого 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 за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц соответствует одному периоду в секунду.
Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника, этот эффект называется скин-эффектом.
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 для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению к участку цепи и обратно пропорциональна сопротивлению проводника этого участка цепи :
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 пропорциональна напряжённости электрического поля и проводимости среды :
Плотность тока в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.
Мощность
При наличии 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:
Мощность измеряется в ваттах
В сплошной среде объёмная мощность потерь определяется скалярным произведением вектора плотности тока и вектора напряжённости электрического поля в данной точке:
Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.
Ток смещения
Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. По определению, плотность тока смещение — это векторная величина, равная быстроте изменения электрического поля во времени:
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 в конденсаторе определяется по формуле:
- ,
где — заряд на обкладках конденсатора, — разность потенциалов между обкладками, — ёмкость конденсатора.
Ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда.
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 тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:
- безопасным считается ток, длительное прохождение которого
через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких
ощущений, его величина не превышает 50 мкА;
- минимально ощутимый человеком переменный ток составляет около 1 мА;
- неотпускающим называется ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это примерно 10-15 мА, для постоянного — 50 мА;
- фибрилляционным порогом называется сила переменного тока около 100 мА, воздействие которого дольше 0.5 секунд с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц. Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.
|