Электрический ток это заряд в движении, в металлах, газах, вакууме

Электрический ток это заряд в движении, в металлах, газах, вакууме

Электрический ток – для лучшего понимания этого эффекта энергетики можно представить электрический заряд, находящийся в движении. Между тем, ток способен образоваться в результате природного эффекта — разряда статического электричества (удара молнии, контакта между пальцем и металлической пластиной заземления). Однако чаще всего, когда речь заходит об электрическом токе, имеется в виду контролируемая форма электричества, производимого генераторами, химическими и солнечными элементами батарей, топливными элементами.

Сущность электрического тока для физики

Значительная доля электрического заряда переносится электронами и протонами непосредственно внутри атома. Протоны обладают положительным зарядом, электроны, соответственно, отрицательным. Однако протоны в массе своей размещаются внутри атомных ядер. Соответственно, транспорт заряда из одной области к другой осуществляется электронами.

Электроны в структуре проводящего материала (металлы) допускают свободное перемещение от атома к атому в так называемых зонах проводимости, выступающих наиболее высокими электронными орбитами. Сформированная электродвижущая сила (ЭДС) создаёт дисбаланс зарядов. Этим дисбалансом электроны перемещаются (транспортируются) по структуре проводника электрическим током.

Электрический ток - движение электронов внутри проводника
Движение электронов в структуре проводника вполне сравнимо с течением воды внутри сантехнической трубы. Но это сравнение чисто условное в плане принципов транспортировки

В принципе, допустимо сравнивать электрический ток с потоком воды. Правда, следует помнить – вода и ток – вещи несовместимые.  Допустим, есть труба, полная воды. Если открыть кран на одном конце трубы, на другом конце вода появится практически мгновенно. Обусловлена такая ситуация поступающим после крана потоком воды, которая толкает жидкость уже находящуюся в трубе.

Нечто аналогичное происходит и в случае транспорта электрического тока через проводник. Электроны проводимости уже присутствуют внутри структуры провода. Остаётся организовать толчок электронам на одном конце, активируя тем самым течение тока на другом конце практически мгновенно.

Электрический ток и скорость движения

Фактическая скорость электрона по структуре провода исчисляется несколькими миллионами метров в секунду. Однако для электрона не является характерным прямолинейное движение. Электрон практически движется наугад, что физики называют скоростью дрейфа электрона.

Однако скорость передачи в целом по структуре провода практически равна скорости света (300 млн. м/сек). Для варианта переменного тока, когда направление движения меняется 50-60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не «вытекает» из тела провода.

Электрический ток статическим разрядом
Вот так, играючи с котом, вполне достижимой становится генерация статического электричества, когда образуются высокие напряжения и совсем небольшой по величине ток

Дисбаланс заряда электронов достигается несколькими способами. Один из известных способов предполагает создание статического заряда в момент трения двух разных материалов одного о другой. Например, трением меховой шкурки животного о кусок минерала — янтаря.

Между тем такой вариант «генерации» чреват образованием очень высоких напряжений при очень низкой силе тока. Получаемый разряд длится не более доли секунды. Поэтому крайне сложно использовать этот способ формирования электрического тока для какой-либо полезной работы.

Что такое постоянный электрический ток?

Другим широко известным способом образования дисбаланса заряда является электрохимическая батарея. Первое такое устройство изобрели в 1800 году. Автором изобретения выступил итальянский физик — Алессандро Вольта. В честь этого учёного названа единица измерения электродвижущей силы (напряжения) – вольт. Международными стандартами принято обозначение вольта в виде латинского символа — V.

Электрический ток электрохимической батареей - схема
Электрохимический элемент питания – упрощённая схема: 1 – коллектор; 2 – анод; 3 – корпус контейнера; 4 – катод, 5 — сепаратор

Для этого способа «генерации» используются чередующиеся цинковые и медные пластины. Пластины разделены одна с другой слоями ткани, которая пропитана солёной водой. Такая конструкция способна создавать постоянный ток (движение электронов в одном направлении). С момента изобретения и до настоящего времени электрохимические батареи прошли значительный путь совершенства.

Другие способы организации источников постоянного тока включают:

  1. Топливные элементы, где химические процессы между кислородом и водородом приводят к получению тока (электрической энергии) в процессе.
  2. Фотоэлектрическая ячейка, где фотонная энергия солнечного света поглощается электронами и преобразуется в электрический ток (энергию).

Что такое переменный электрический ток?

Значительная доля электроэнергии, используемой человеком, применяется в виде переменного тока, распределяемого по централизованной электрической сети. Переменный ток вырабатывается электрическими генераторами – машинами, действующими по закону индукции Фарадея, когда изменяющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в структуре проводника.

Генераторы наделяются вращающимися катушками из витков проволоки. Эти катушки в момент вращения пересекают магнитные поля, в результате чего производится электрический ток. Причём образуется ток, меняющий направление на каждой половине оборота. Полный цикл прямого и обратного хода (частота) выполняется 50-60 раз в секунду (50-60 Гц).

Генератор переменного тока классическая схема устройства
Классическое исполнение традиционно применяемого устройства – генератора переменного тока. Такого рода системы широко применяются для нужд народного хозяйства

Генераторы традиционно вращаются паровыми турбинами, действующими:

  • на угле,
  • на природном газе,
  • на нефтяном топливе,
  • от ядерного реактора.

Нередко электрические генераторы работают в паре с ветряными или водяными турбинами, установленными на гидроэлектростанциях.

От генератора электричество проходит через ряд трансформаторов, где повышается до нужного высокого напряжения с последующей передачей потребителям. Причина такого преобразования в том, что диаметром проводов определяется величина электрического тока (сила), переносимая без эффекта перегрева и потерь энергии. Однако величина напряжения ограничивается только качеством изоляции от земли.

Интересный факт — заряды переносятся только одним проводом, не двумя. Соответственно две транспортных линии обозначены как положительные и отрицательные. Однако, поскольку полярность переменного напряжения изменяется 50-60 раз в секунду, две стороны переменной ЭДС обозначаются как горячие и заземлённые. Магистральные линии электропередач традиционно выступают горячей стороной, тогда как заземлённая сторона проходит через Землю и завершает цепь.

Мощность и транспорт по линиям передач

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на силу заряда, допустимо передавать больше мощности по линии с той же силой, используя более высокое напряжение. Затем переданное высокое напряжение снижается распределением через сеть подстанций, пока не достигнет трансформатора потребителя. Здесь напряжение снижается до 230В (110В в странах Америки).

Как только энергия достигает конца транспортировочной линии, большая часть используется одним из двух способов:

  1. Подачей тепла и света через электрическое сопротивление.
  2. Механическим движением через электрическую индукцию.

Есть несколько других применений — люминесцентные лампы и микроволновые печи, действующие несколько иным принципом, но львиная доля энергии идёт на устройства, основанные на сопротивлении и / или индуктивности. Электрический фен, к примеру, использует оба принципа одновременно.

Завершающий штрих на электрический ток

Обозначенные выше моменты подводят к важной особенности энергии: выполнению работы. Электрический ток способен совершать разнообразную работу:

  • освещать дом,
  • стирать и сушить одежду,
  • открывать двери и окна и т.д.

Однако все более важной для современного мира становится способность энергетической передачи информации формой двоичных данных. Подключение к сети Интернет через компьютер требует, конечно, использования относительно небольшой доли энергии. Даже, например, по сравнению с обычным нагревателем (ТЭН) средней мощности. Но именно этот вариант использования энергии видится особо важным для современной жизни.



Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *