Про ток

Ну вот… кто из вас помнит занудную школьную фразу о том, что ток — этонаправленное движение положительно заряженных частиц? Ага — вспомнили? Хотя на самом-то деле это движение электронов — отрицательно заряженных частиц. Только на момент открытия всяческих там законов это еще не было известно, поэтому просто приняли так и всё. «А как же тогда всё это скажется на формулах?», — могут спросить самые догадливые. А никак. Просто в формулах все минусы поменяются на плюсы, а плюсы, соответственно, на минусы. И, собственно, числовые значения вычислений от этого не изменятся. Так как себе представить визуально, что такое ток? А это всего лишь навсего некоторое количество электронов (хотя ранее подразумевались положительные заряды), успевающих продвинуться за промежуток времени (1с) через поперечное сечение проводника (1 кв.мм). Это количество определяет величину тока. Чем больше зарядов успевает пройти через поперечное сечение проводника за это время, тем больше будет значение этого тока.

Для наглядности можно себе представить, что ток 1А(один Ампер) — это 1 электрон, пролетающий через кристаллическую решетку металла сечением 1кв.мм за 1с. Приблизительно как на рисунке слева. Тогда, например, ток величиной в 3А будет представлят собой пробег трех электронов через это же сечение за ту же 1с. Приблизительно как на рисунке слева. Так работает постоянный ток — заряды движутся в одном направлении. Правда, в действительности, при токе 1А и 3А будут двигаться не один и не три заряда, но в одном и том же проводнике за одно и то же время их количество будет отличаться именно в три раза. Кстати, а вы в курсе, что за 1с электроны в проводнике перемещаются меньше чем на 0,1мм? «А почему ж тогда лампочки зажигаются мгновенно?», — спросят некоторые. А потому как при включении электрической цепи вдоль проводов со скоростью света распространяется электрическое поле, приводящее в движение электрические заряды почти одновременно во всех проводниках электрической цепи. Чтобы разобраться в этом, представим себе несколько десятков кубиков, плотно сложенных на гладкой поверхности. Если толкнем первый кубик, то толчок дойдет до последнего кубика почти моментально, однако, скорость каждого кубика в отдельности не будет очень большой. Таким же образом при замыкании электрической цепи электрическое поле распространяется по проводнику с огромной скоростью и почти одновременно приводит в движение как близкие, так и дальние электроны.

Хотя в наше время это проще всего представить на примере принципа домино. Видели, наверно, какие можно выкладывать фигуры из домино. Только здесь не надо таковых выкладывать, а просто выложить дорожку. И пронестись над ней вихрем со скоростью 300000км/c(скоростью света). Условно, конечно. Произойдет их моментальное перемещение. То есть цепная реакция. Первая доминушка толкнет вторую и т.д. Хотя каждая из них пройдет не такое уж и большое расстояние за доли секунды. Ну вот, где-то так. Величина тока измеряется специальным прибором, который называется амперметр. Его включают в цепь таким образом, чтобы протекающий через него электрическиий ток «входил» в положительную клемму, а «выходил» из отрицательной (рис.1). А вот для измерения переменного тока (того, что в нашей домашней сети) соблюдение такой полярности значения не имеет.

Иногда амперметры являются частью комбинированных приборов (их называют тестерами или авометрами, или если полностью — ампервольтомметрами — он изображен в начале главы), снабженным соответствующим переключателем. Также, наверняка вы знаете, что есть так называемый переменный ток. Затрагивая тему постоянного тока, конечно же, в первую очередь необходимо знать закон Ома. Для тех, кому это сложно, придуман вот такой вот рисунок справа, рассчитанный на визуальную память. Он демонстрирует формулу закона Ома. Ведь без него — никуда.Помните, что единица величины тока называется Ампер (А) в честь французского ученого Андре Мари Ампера (1775 — 1836).

Ну, а те, кто желает познакомиться с током с более научной точки мышления — читаем почти то же самое дальше. Согласно электронной теории электропроводности валентные электроны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся положительными ионами. Ионы образуют в твердом теле кристаллическую решетку с пространственной периодичностью. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решетки между атомами (тепловое движение), сталкиваясь с ними. Под действием продольного электрического поля напряженностью ε (читается как «эпсилон»), создаваемого в проводнике длиной L источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) и дополнительно перемещаются в одном направлении вдоль проводника.

В общем случае постоянный ток в проводящей среде представляет собой упорядоченное движение положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля. Например, в электролитах и газах движутся навстречу друг другу ионы с положительными и отрицательными зарядами. Так как направления движения положительных и отрицательных зарядов противоположны, то необходимо было выбрать движение каких именно зарядов следует считать направлением тока. Принято было считать направлением тока направление движения положительных зарядов, т.е. направление, обратное направлению движения электронов в проводнике под действием электрического поля. В случае необходимости направление тока на участках схемы может быть указано стрелкой (рис.2).

Необходимо запомнить следующее

Электрическая цепь постоянного тока в общем случае содержит источники электрической энергии, приемники электрической энергии, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные линии и провода.

В источниках электрической энергии осуществляется преобразование в электрическую энергию каких-либо других форм энергии, например, энергии химических процессов в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловой энерги в термопреобразователях на основе термопар.

В приемниках электрической энергии электрическая энергия преобразуется, например, в механическую (двигатели постоянного тока), тепловую (электрические печи), химическую (электролизные ванны).

Коммутационная аппаратура, линии и измерительные приборы служат для передачи электрической энергии от источников, распределения ее между приемниками и контроля режимов работы всех электротехническихъ устройств.

С точки зрения физики постоянный ток I равен: I = [Q]/t, где t — время равномерного перемещения суммарного заряда [Q] через поперечное сечение рассматриваемого участка цепи. Это, так сказать, физическая сущность самого тока.

При расчетах в электротехнике ток определяется как отношение напряжения на данном участке к сопротивлению данного участка: I = U/R.

Основная единица тока в международной системе единиц, как и отмечалось выше — Ампер (А), единица заряда — Кулон (Кл). Шарль Огюстен де Кулон (14 июня 1736— 23 августа 1806) — французский военный инженер и учёный-физик, исследователь электромагнитных и механических явлений. В честь открытия именно им этой единицы она так и названа.

При расчете цепи действительные направления токов в ее элементах в общем случае заранее неизвестны. Поэтому необходимо предварительно выбрать условные положительные или, короче, положительные направления токов во всех элементах цепи.

Положительное направление тока в элементе с сопротивлением R или в ветви выбирается произвольно и указывается стрелкой. Если при выбранных положительных направлениях токов в результате расчета режима работы цепи ток в данном элементе получится положительным, т.е. имеет положительное значение, то действительное реальное направление тока совпадает с выбранным положительным. В противном случае действительное направление противоположно выбранному положительному.