Электрический ток — это направленное упорядоченное движение электрически заряженных частиц в веществе или вакууме, сопровождаемое переносом электрического заряда за единицу времени. Количественно ток характеризуют силой тока I, равной dQ/dt, измеряемой в амперах (А).
Основные величины и параметры ⚡
Связанные с током величины описывают перенос заряда, сопротивление среды, работу источников и энергетические эффекты.
| Величина | Обозначение | Единица (СИ) | Определение/формула | Комментарии |
|---|---|---|---|---|
| Сила тока | I | А (ампер) | I = dQ/dt | Единица — ампер; через поперечное сечение за 1 с проходит заряд Q. |
| Плотность тока | j | А/м² | j = σE; также j = nqvd | E — напряжённость поля; vd — дрейфовая скорость, n — концентрация носителей, q — заряд. |
| Напряжение | U | В (вольт) | U = A/Q | Работа A поля по переносу заряда Q между точками цепи. |
| Сопротивление | R | Ω (ом) | R = ρl/S | ρ — удельное сопротивление, l — длина проводника, S — площадь сечения; R(T) растёт у металлов. |
| Проводимость | G, σ | Сименс (С), С/м | G = 1/R; σ = 1/ρ | Характеризует способность проводить ток. |
| ЭДС | ℰ | В | ℰ = Aст/Q | Работа сторонних сил источника на единицу заряда; поддерживает неравновесное распределение носителей. |
| Мощность | P | Вт | P = UI = I²R = U²/R | Скорость превращения электрической энергии в другие виды. |
| Частота (для переменного тока) | f | Гц | f = 1/T | В сетях: 50/60 Гц; ΩL=2πfL, XC=1/(2πfC). |
Носители и механизмы проводимости 🔬
Микроскопически ток — это дрейф носителей под действием электрического поля с частыми столкновениями, задающими конечную среднюю скорость.
- Металлы: носители — электроны проводимости; σ высока, линейный закон Ома хорошо выполняется.
- Полупроводники: электроны и дырки; σ сильно зависит от примесей, освещения, температуры; возможна инжекция и рекомбинация.
- Электролиты: ионы; протекают электродные реакции, возникает химическое действие тока (электролиз).
- Газы и плазма: ионизация создаёт свободные носители; характерны тлеющий и дуговой разряды, нелинейные вольт-амперные характеристики.
- Вакуум: ток — поток электронов/ионов между электродами (термо- и автоэлектронная эмиссия).
Источник ЭДС поддерживает ток, создавая и удерживая разность потенциалов, компенсируя потери на сопротивлении и других процессах.
Законы и уравнения 📐
Закон Ома (макроскопический): U = IR для участка цепи при неизменных параметрах. Для источника: I = ℰ/(R + r), где r — внутреннее сопротивление.
Закон Ома (локальная форма): j = σE. В анизотропных средах σ — тензор.
Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю (сохранение заряда).
Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма падений напряжений по замкнутому контуру равна сумме ЭДС.
Уравнение непрерывности: ∂ρ/∂t + div j = 0 — отражает локальное сохранение заряда.
Ток смещения (Максвелл): jсм = ∂D/∂t. Он необходим для согласования законов в переменных полях и существует даже в диэлектриках, где нет проводимости. Учет тока смещения обеспечивает непрерывность тока в конденсаторе.
Постоянный и переменный ток 🔁
Постоянный ток (DC): величины I и U не меняются со временем или меняются медленно; источники — батареи, выпрямители.
Переменный ток (AC): периодически меняется по величине и направлению. Для синусоиды: u(t)=Umsin(ωt), i(t)=Imsin(ωt+φ). Действующие (RMS) значения: U = Um/√2, I = Im/√2.
- Импеданс: ZR=R, ZL=jωL, ZC=1/(jωC); |Z| и фазовый сдвиг определяют ток.
- Мощность в AC: P = UIcosφ (активная), Q = UIsinφ (реактивная), S = UI (полная); важен коэффициент мощности cosφ.
- Спектральное представление: несинусоидальные токи описывают рядом Фурье; гармоники создают искажения и дополнительные потери.
Эффекты тока и применения 🧲🔥🧪
Тепловой эффект (Джоуля–Ленца): Q = I²Rt — нагрев проводников, принцип работы нагревательных приборов и плавких предохранителей.
Магнитное действие: ток создаёт магнитное поле (правило Буравчика/правой руки); взаимодействие токов лежит в основе работы электродвигателей, трансформаторов, соленоидов, магнитных захватов.
Химическое действие: электролиз (законы Фарадея), гальваностегия; в электрохимии ток управляет массопереносом и реакциями.
Световое/излучательное действие: дуговой разряд, светодиоды, люминесценция; в вакуумных приборах — термоэмиссия, вторичная эмиссия.
Биологическое действие: воздействие на ткани и нервно-мышечную систему; в медицине применяют терапевтические токи в строго нормированных режимах.
Измерение и контроль 🧰
Ток измеряют амперметрами (включаются последовательно). Для больших токов применяют шунты или трансформаторы тока; для малых — гальванометры, усилители. Непрямые методы используют закон Ома (I = U/R) при точном знании R.
- Диапазоны: от фемтоампер (электронные схемы, сенсоры) до сотен килоампер (импульсные установки).
- Динамика: важно учитывать полосы пропускания приборов при измерении импульсных и высокочастотных токов.
- Погрешности: контактные сопротивления, термо-ЭДС, наводки и утечки искажают результат и требуют калибровки и экранирования.
Безопасность и нормы ⚠️
Опасность определяется величиной тока через тело и временем воздействия. Для сетевой частоты 50–60 Гц ориентировочно: ощутимый ток ~1 мА, «неотпускающий» ~10–15 мА, опасность фибрилляции может возникать при токах порядка 30 мА и выше. Сопротивление тела сильно зависит от состояния кожи и условий.
- Используйте УЗО/дифавтоматы (номинал утечки 10–30 мА) и предохранители.
- Работайте с обесточенным оборудованием, применяйте изолированный инструмент и СИЗ.
- Соблюдайте правила заземления, двойную изоляцию и безопасные схемы измерений; избегайте замыкания цепи через тело.
В энергетике управляют токами для минимизации потерь, поддержания cosφ, снижения нагрева и электромагнитных помех.
Связь с полем и энергией 🔌
Ток не существует сам по себе — он связан с электрическим полем и источниками, которые выполняют работу по перемещению зарядов. Плотность потока энергии описывает вектор Пойнтинга S = E × H: энергия передаётся полем, а проводники лишь направляют её; потери определяются сопротивлением и условиями распространения в среде.
