Энергия в движении: как работает электрический ток

Люди повсеместно используют электрический ток: обеспечивает освещение домов и улиц, работу метро, зарядку мобильных устройств и множество других важных процессов. О том, что такое электрический ток, как он возникает и какие его разновидности существуют, — в материале ТАСС

Как появляется электрический ток

Представьте, что вы включаете электрический чайник. В этот момент замыкается электрическая цепь и внутри проводов начинается движение заряженных частиц — в металлических проводах это электроны. Хотя их невозможно увидеть невооруженным глазом, результат — нагрев воды — очевиден. Направленное упорядоченное движение заряженных частиц и есть электрический ток.

Для его существования необходимо наличие:

свободных заряженных частиц;
электрического поля для создания разности потенциалов;
замкнутой электрической цепи.

Различают следующие виды электрического тока:

постоянный, параметры которого — сила и направление — не изменяются во времени;
переменный, изменяющийся во времени по величине и/или направлению. В общем случае к переменному относят различные виды импульсных, пульсирующих, периодических и квазипериодических токов.

В настоящее время используются оба вида электрического тока. Но область применения переменного гораздо больше. Это связано с тем, что он лучше подходит для передачи электроэнергии на большие расстояния. Его можно легко преобразовывать с помощью трансформаторов, что позволяет уменьшать потери при передаче. Кроме того, генерация переменного тока на электростанциях технически проще и экономичнее,

рассказала старший научный сотрудник отдела истории науки и техники и изучения коллекции Политехнического музея Ольга Тихомирова.

Источники тока

Для существования электрического тока необходимы источники. Среди них выделяют четыре основных вида:

химические: преобразовывает энергию окислительно-восстановительной реакции в электрическую. Так, к примеру, работают аккумуляторы;
механические: преобразовывают механическую энергию в электрическую. Принцип работы можно рассмотреть на примере ветрогенератора: ветер крутит лопасти, соединенные с валом генератора;
тепловые: термопары и термогенераторы, преобразующие тепловую энергию в электрическую за счет разности температур. Так устроены термоэлектрические модули в некоторых холодильниках;
световые: преобразовывают солнечную энергию в электрическую. Аналогично работают солнечные батареи и фотоэлементы.

В чем измеряется ток

У электрического тока есть несколько характеристик.

Сила тока. Определяется количеством заряженных частиц, которые проходят через поперечное сечение проводника в единицу времени. Чем больше зарядов проходит за короткий промежуток времени, тем выше сила. В международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (А).

Напряжение. Это отношение работы, которую совершает электрическое поле для перемещения заряда, к величине этого перемещаемого заряда. Это мера того, насколько сильно электрическое поле "толкает" или "поднимает" электрический заряд при его перемещении. В СИ измеряется в вольтах (В).

Сопротивление. Характеризует способность проводника оказывать препятствие прохождению электрического тока. В СИ измеряется в омах (Ом).

Работа электрического тока. Это работа, которую электрическое поле затрачивает на перемещение электрических зарядов по проводнику. Единица измерения в СИ — джоуль (Дж).

Мощность электрического тока. Показатель того, сколько работы электрический ток выполняет за единицу времени (скорость выполнения работы). Единица измерения в СИ — ватт (Вт).

При чем здесь закон Ома

Закон Ома описывает взаимосвязь между тремя основными величинами: силой тока, напряжением и сопротивлением. Он действует, когда показатели окружающей среды постоянны, например температура. Согласно закону Ома сила электрического тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

К примеру, если увеличить напряжение при постоянном сопротивлении, сила тока увеличится, а если увеличить сопротивление при постоянном напряжении, сила тока уменьшится.

Закон Ома может применяться для:

полной цепи: позволяет рассчитать ток с учетом всех сопротивлений в цепи, включая внутренние потери в источнике тока;
замкнутой цепи: позволяет описать распределение напряжения в полностью замкнутой цепи;
участка цепи: позволяет рассчитать силу тока через отдельный элемент или часть цепи при известном напряжении на его концах.

Так, закон Ома нужен для проектирования, анализа и диагностики электрических устройств.

Электрический ток в природе

Электрический ток существует на Земле с тех пор, как появилась сама планета. Его можно увидеть в природе в самых удивительных явлениях, которые происходят вокруг нас. К примеру, это могут быть:

молнии: если разность потенциалов между облаками или облаками и Землей становится слишком большой, наблюдается сильный электрический разряд, который сопровождается вспышкой света и громом. Сила тока в разряде молнии на Земле достигает 10–500 кА;

Молния — это вид кратковременного электрического тока. Разновидность электрических разрядов в газах. Все условия существования тока соблюдены: наличие свободных зарядов, разность потенциалов, своеобразный вариант замкнутой цепи. Просто величина силы тока и напряженность электрического поля огромны,

уточнила Ольга Тихомирова.

жизнь под водой: морские обитатели используют электрический ток для охоты, коммуникации и ориентации в пространстве. Так, к примеру, электрический угорь (Electrophorus electricus) во время атаки способен вырабатывать напряжение до 1300 В при силе тока около 1 А;
электрические процессы в теле человека: миллиарды нейронов в человеческом мозге обрабатывают и переносят в головной мозг сигналы, которые поступают из окружающего мира или тела. Каждый из этих сигналов — это короткий электрический импульс, который возникает за счет движения заряженных частиц через мембрану клетки. Когда человек планирует поднять руку или пошевелить пальцами на руках, мозг посылает через нервы в мышечное волокно электрический сигнал, при помощи чего и происходит движение.

Знания о токе — ключ к сохранению техники

Сейчас набирают популярность быстрые зарядные устройства. К примеру, классический адаптер для телефона потребляет 1 А, а современные быстрые модели — 2 А или даже 3 А.

Чтобы безопасно пользоваться быстрыми зарядками, используемое устройство должно поддерживать ее. Так, современные мобильные устройства оснащены защитой от перезарядки. Они могут автоматически определять, потребление какой мощности будет безопасным. Если телефон не поддерживает быструю зарядку, зарядное устройство переключится в обычный режим. Несмотря на это, на рынке существует много подделок.

Также не рекомендуется использовать зарядные устройства от одних типов техники для других. К примеру, зарядка от ноутбука не подходит для телефона, и наоборот. Если подключить устройство к зарядке с высоким для него напряжением, это может привести к перегреву аккумулятора и повреждению устройства. А если попытаться зарядить ноутбук с помощью зарядки от телефона, то мощности может не хватить — в результате зарядка будет медленной или не начнется вовсе.