Содержание
Сила тока – это физическая величина, характеризующая скорость движения заряда в проводнике. Процесс в проводнике сопровождается выделением определённого количества энергии по закону Джоуля-Ленца. Ток открыт Алессандро Вольтом на основе опытов Гальвани, а теория под опытные явления подведена в 1794 году.
Как образуется электрический ток
За 2,5 тысячи лет до нашей эры в Древнем Египте знали об электрических рыбах и считали их защитниками водных обитателей. Имели представление на этот счёт греки и римляне, порой указанную особенность пытались использовать для лечения головной боли или подагры. Замечено, что заряд отлично передаётся металлическими предметами. Первым пытался изучать статическое электричество за 600 лет до н. э. Фалес Милетский. Тогда уже узнали свойство янтаря, потёртого шерстью, притягивать разнородные диэлектрические материалы. Но учёный муж быстро зашёл в тупик.
Понятие электричество начало развиваться в 1600-х годах Вильямом Гилбертом, который экспериментировал с рудой магнитного железняка и натёртым янтарём. Термин происходит из греческого языка. В переводе электричество означает «подобный янтарю», проявляющий аналогичные свойства. По-видимому, первым печатным изданием, затрагивающим тематику, является Pseudodoxia Epidemica Томаса Брауна, изданная в 1646 году.
Запуск ключа в небо Б.Франклином
Дальнейшие исследования идут вразнобой. К примеру, в 1752 году Бенджамин Франклин привязал металлический ключ к воздушному змею и пустил в грозовое небо. Лицезрел соскакивающие на руку искры и высказал предположение об электрической природе молний. На арабском языке, кстати, природное явление издавна называется одинаковым словом с названием электрических скатов. Бенджамин Франклин полагал, что любая материя содержит флюид, недостаток которого проявляется в отрицательном заряде, а избыток – в положительном. По непонятным причинам к первому типу материалов отнесли стекло, ко второму – резину. Движение флюида образует электрический ток.
В результате описанного допущения получилось, что направление течения флюида противоположно направлению движения электронов. И сегодня в физике ток указывается стрелкой, направленной в обратную сторону. Движение это небыстрое и образуется не исключительно электронами. Скорость хода элементарных частиц составляет единицы сантиметров в секунду. А электрическая волна движется намного быстрее. Поэтому ток возникает в среде и распространяется приблизительно со скоростью света и быстро исчезает.
Возвратимся к опытам с резиной и стеклом. Замечено, что потёртые, они притягиваются, но отталкивают кусок из идентичного материала. Так возникло представление о двух типах флюида. Тела, способные демонстрировать аналогичные резине или стеклу свойства, стали называть электрически заряженными. Отдельные материалы содержат положительный, а иные отрицательный флюид, отталкиваются стеклом, но притягиваются резиной, и наоборот.
Ток способен переноситься электронами (отрицательными частицами) либо протонами (положительными частицами). Часто в теории полупроводников используется термин «дырка». Это место, где в определённый момент наблюдается недостаток электронов. Заряд подобного носителя положительный. Часто нет разницы, частицами какого знака образован ток.
Электрический ток
Единица измерения электрического тока
Электрический ток представляется как объем заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади сечения материала. Единицей измерения признан Ампер, а в качестве обозначения применяется латинская буква I, происходящая от французского словосочетания intensité de courant. Этот символ использовался Ампером, именем которого названа единица, хотя до 1896 года частные журналы продолжали использовать С. В физике бытует иное определение ампера: «Это сила тока, которая между двумя параллельными проводниками, расположенными на удалении одного метра друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия на участке длиной 1 метр величиной 0,2 мкН».
Толкование обусловлено фактом, что протекающий ток создаёт вокруг проводника магнитное поле, успешно взаимодействующее с прочими. Процесс нормируется законом Ампера, выведенным в 1820 году. Изначально в формулу входила магнитная индукция, но потом оказалась установлена необязательность величины. Она зависит от величины тока, расстояния до исследуемой точки и магнитной постоянной (физическая константа).
Переменный ток
Прежде не акцентировали внимание, но в быту гораздо удобнее использовать переменный ток. Его проще передавать по цепям, благодаря возможности использования трансформаторов, осуществляющих развязку отдельных сегментов и преобразование параметров. Частоты промышленной сети обычно укладываются в диапазон 50 – 60 Гц, и большинство людей интересуется причинами показателей. К примеру, Никола Тесла показал, что ток частотой свыше 700 Гц практически не наносит вреда человеческому телу, продвигаясь по поверхности (кожа).
Указанный эффект широко известен в электротехнике. Называется – поверхностным (на английском skin – кожный). Явление сводится к факту, что ток с повышением частоты проникает все меньше в толщу материалов. Для медных проводников на частоте 60 Гц глубина достигает 8,57 мм. По названной причине жилы на большие токи делают часто полыми. Ввиду большого диаметра ток все равно никогда не проникнет в сердцевину. Полые проводники позволяют экономить на материалах и снижать массу проводов.
Цикл переменного тока
Здесь и кроется причина, почему промышленность пока не перешла на новый уровень. Ведь использование тока частотой 700 Гц ощутимо обезопасит сети для рядовых граждан. Подобный шаг потребует коренным образом пересмотреть конструкцию многофазных двигателей, значительно повысить их КПД (для снижения объёма передаваемой мощности). Что часто невозможно на нынешнем этапе развития техники.
Переменный ток образуется обычно в проводнике за счёт смены направления внешнего магнитного поля. Так происходит на электростанции. Массивный вал турбины совершает от силы пару оборотов в секунду, а высокая частота образуется за счёт коммутации обмотки статора. Так изменение промышленных стандартов выполняется относительно просто. Ходят слухи, что с повышением частоты растут потери в ферромагнитных материалах на вихревые токи. Причём зависимость квадратичная. В это охотно верится, мощность индукционных плит часто повышается путём роста частоты импульсов в питающем инверторе.
В литературе говорится, что Никола Тесла предложил напряжение переменного тока 220 В частотой 60 Гц, как оптимальное для работы собственных двухфазных двигателей (изобрёл асинхронные машины, доказал, что на частоте 60 Гц достигается максимальный экономический эффект от применения собственных наработок). Из-за ряда неувязок в согласовании и лоббирования частных интересов параметры иные в США и Европе.
Николу Тесла считают отцом переменного тока и асинхронных двигателей. Упомянутый род движения носителей заряда отличается от постоянного: «Переменным током называется течение носителей заряда, совершаемое попеременно в обоих направлениях вдоль проводника».
Определение допустимо отнести к флюидам. Переменный ток образуется то за счёт одного заряда, то за счёт другого. На практике это принято представлять как поток электронов, дважды за период меняющий направление. Частота процесса измеряется в Гц, график (плотности потока частиц) близок к синусоиде. В промышленных сетях присутствует три фазы (родоначальник – М. О. Доливо-Добровольский, первым обнаружил ошибки в теоретических ограничениях КПД двигателей многофазного тока). Представим как независимые синусоиды, сдвинутые равномерно друг относительно друга на 120 градусов. Пока один график переходит через нуль, второй уже переходит треть периода, а оставшийся – две трети.
Три фазы в промышленных агрегатах позволяют создать вращающееся магнитное поле (детище Николы Тесла), двигающее роторы электрических моторов. В этом случае значительно удаётся сэкономить на меди нулевого провода (нейтрали), большая часть тока уходит из установки по фазным проводам, где в это время цикла потенциал ниже. Схемотехника сетей 380 В значительно отличается от 220.
Явления, связанные с электрическим током
Магнитные поля
Уже замечено, что протекающий по проводнику электрический ток создаёт вокруг него магнитное поле. На этом принципе основано действие приборов, среди числа упомянутых простейшими считаются электрические замки. Создавая катушки из проволоки, возможно сложить эффект образовавшегося поля от каждого витка. Чем пользуются на практике, образуя малым током силу притяжения якоря замка в несколько центнеров при смехотворной номинальной мощности в десяток Вт. Так работает большинство систем типа Домофон.
Магнитные поля
Аналогичным образом эффект возникновения магнитного поля применяется для:
- Погрузки и разгрузки чёрного металла в пунктах приёма и переработки.
- Разнообразных реле.
- Электрических двигателях всех модификаций.
Тепловой эффект
Ток при протекании по проводнику вызывает эффект нагревания. Явление описывается законом Джоуля-Ленца, где говорится, что термический эффект прямо пропорционален квадрату электрического тока и сопротивлению проводника. На этом базируется главное непонимание техники новичками. При пониженном напряжении большинство приборов для поддержания прежней мощности потребляют больший ток. Ярким примером станут лампочки накала, где на вольтаж 27 В прежняя интенсивность достигается исключительно десятикратным увеличением тока.
Это вызывает ударный перегрев питающего провода. По эффекту Джоуля-Ленца выходит, что мощность зависит от квадрата тока. И при увеличении последнего в 10 раз тепловой эффект повышается на два порядка (100 раз). Этим объясняется столь высокий разогрев места сварочной дуги, хотя провод питания остаётся холодным. Передаваемая мощность остаётся прежней, но напряжение на электроде сильно ниже входных 220 В. Возникает эффект повышения температуры.
Тепловой эффект применяется в нагревателях, где считается явлением побочным, но полезным. Что касается лампочек с нитями накала, здесь большая часть энергии пропадает впустую. Нить греется при протекании электрического тока, но малая энергия преобразуется в световую. Масса передаётся излучением в инфракрасном, невидимом спектре. Эта сложность решена в энергосберегающих лампочках, где ток образует дугу в газовой среде или испускает фотоны, проходя через p-n-переход особой конструкции.
В электрических обогревателях КПД пытаются повысить за счёт создания свойств направленности при помощи зеркал и прочих рефлекторов.
Передача информации
Замечено, что ток высокой частоты распространяется преимущественно по поверхности проводника, а не в толще. В результате металлический стержень активно излучает энергию в пространство. В обычных проводах для блокировки эффекта применяется экран, если его намеренно убрать, получается антенна. Это используется в передающих информацию через эфир устройствах. Никола Тесла планировал описанным методом транслировать на расстояние энергию. Но исследования остались засекречены ФБР, а во всеуслышание объявили, что последние работы учёного поставленную задачу решить не могут.
