Електрически ток

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Ток пренасочва насам. За други значения вижте Ток (пояснение).

Серия статии на тема

Класическа електродинамика

CoulombsLaw.svg
Електричество Магнетизъм Електромагнетизъм

Електрическият ток, най-често наричан просто ток, е физическо явление, представляващо насоченото движение на електрически заряди, така например под въздействието на електрическо поле. В проводници електрическите заряди са електрони, в електролити - йони (катиони и аниони) , а в плазма - и двата вида. В полупроводниците носителите са електрони и дупки.

Някои естествени случаи на протичане на електрически ток са светкавиците, слънчевият вятър и полярните сияния.

Електрическият ток намира широко приложение както в бита, така и в промишлеността.

Токоносители в различни материали[редактиране | edit source]

Електрическите заряди могат да се нарекат още токоносители.

Електрическите заряди могат да бъдат електрони - най-често в металите и полупроводниците, йони в електролитите и газовете, както и дупки в някои видове полупроводници. Токоносителите в металите са електрони, намиращи се в зоната на проводимостта (енергетично състояние на електрона, намиращо се непосредствено над валентната зона при металите).

Токоносителите в електролитите са йони. Например молекулите на солите и киселините във воден разтвор се разлагат на положителни и/или отрицателни йони (дисоциация). Токоносители в плазмата са както електрони, така и положителни и отрицателни йони.

Токоносителите в полупроводниците са електрони при т.нар. собствен полупроводник (без примеси). В полупроводниците в които е въведен примес от донорен или акцепторен тип, се дефинират основни и неосновни токоносители, като в полупроводник с донорен примес основните токоносители са електроните, а при акцепторен примес - дупките. Погледнато реалистично, токоносители дупки не съществуват в природата. Те са въведени като понятие, за да улеснят теорията на полупроводниците и съответстват на липсата на електрони в кристалната решетка на полупроводника, което се получава при добавяне на определен примес.

Сила и плътност на тока[редактиране | edit source]

Схема на проста електрическа верига, в която токът е представен със символа i. Връзката между напрежението (V), съпротивлението (R) итока (I) е V=IR и е известно като закон на Ом

Физичната величина, характеризираща протичането на електрическия ток, се нарича сила на тока. Силата на тока се бележи с I и е равна на заряда, преминал за единица време през напречното сечение на проводника:[1]

I = {dQ \over dt}

В международна система единици SI силата на тока се измерва в ампери и носи името на френския физик Андре-Мари Ампер. Токът е един ампер тогава, когато за една секунда през напречното сечение на проводника преминава заряд един кулон. Понякога разговорно вместо „сила на тока“ се използва израза „ампераж“, аналогично на израза „волтаж“ за електрическо напрежение.

По закона на Ом силата на тока I е пропорционална на приложеното електрическо напрежение U и обратно пропорционална на съпротивлението на проводника R:

I = \frac{U}{R}

Мощността на електрическия ток се дава с формулата:

P = IU = I^2R = \frac{U^2}{R}

Плътността на тока е векторна величина, която се дава със следната формула:

\vec{j} = \sigma\vec{E}

където \vec{j} е плътността на тока, \vec{E} - електрическото поле и \ \sigma - електрическа проводимост на средата. В SI плътността на това се измерва в ампери на квадратен метър.

Измерване на електрическия ток[редактиране | edit source]

Силата на електрическия ток може да се измери пряко и непряко (косвено):

  • Пряко чрез включване на галванометър (или амперметър), като при този метод се изисква разсъединяване на веригата, което понякога е нежелателно;
  • Косвено (без разкъсване на веригата) с помощта на детектиране (откриване) на създаденото от него магнитно поле. Устройствата, които работят по косвен метод, използват сензори (датчици) с ефект на Хол, токови клещи на Дитце и бобини на Роговски.

Посока на електрическия ток[редактиране | edit source]

Посока на електрическия ток

Насоченото движение на положително заредени частици дава същия резултат за електрическия ток както насоченото движение на отрицателно заредени частици, но в обратната посока. Тъй като електрическият ток може да се създава както от положително, така и от отрицателно заредени частици (или и от двете) е удобно да се избере такава посока, която да е независима от типа заряд.

Исторически за посока на тока условно е избрана посоката на движение на положително заредените частици. В металите например, където всички токоносители са отрицателно заредени, посоката на електрическия ток е обратна на посоката на движението на електрическите заряди.[2]

Когато се анализират електрически вериги, като правило посоката на тока е неизвестна. Обикновено се избира така, че всички електрически токове да текат към земята.

Видове ток[редактиране | edit source]

  • Постоянен ток (наричан често в практиката "прав ток"): това е електрически ток, който не изменя посоката си във времето. Източници на постоянен ток са батерии, слънчеви клетки, динамо и други генератори на постоянен ток. Постоянен ток протича по кабели (метални жици), но също така и по полупроводници и дори във вакуум. Постоянният ток се използва за зареждане на батерии и при много електронни системи за зареждането им. Много големи количества постоянен ток се използват и при производство на алуминий и други електрохимични процеси.
  • Променлив ток: това е електрически ток, който изменя периодично във времето своята посока. Честотата на промяна на посоката на тока се измерва в херци (Hz). В практиката променливият ток бива еднофазен и трифазен. Еднофазният се използва в битовата електрическа мрежа, трифазният - в промишлеността, тъй като е удобен за захранване на електрически асинхронни двигатели. Променливият ток се произвежда чрез електрически машини, които превръщат механичната енергия на въртене в електрическа енергия, използвайки принципа на индукция. Тези машини се наричат генератори. Променливият, както и постоянния ток могат да служат като носители на информация.

Въздействие на тока[редактиране | edit source]

При протичането на електрически ток се наблюдават различни резултати в зависимост от средата. То се съпътства от редица ефекти, които могат да бъдат вредни или полезни, например:

  • Топлинно действие на тока - Когато дадена електрическа верига е затворена, по нея протича ток и проводниците се нагряват, това говори за превръщането на електричната в топлинна енергия. Това е известно като ефект на Джаул-Ленц. Топлинното действие на електрическия ток се използва в домакински уреди като фурната, котлона или бойлера. Всички електроуреди имат нагреватели (проводници от специален метал със сравнително голяма площ), които отделят тази топлина, а съединителните проводници почти не се нагряват.
  • Светлинно действие на тока - То се използва в електрическите крушки и други осветителни тела. Електрическият ток нагрява жичката на

лампата до температура, при която тя започва да излъчва във видимия диапазон. Само малка част от енергията се превръща в светлина, останалата се превръща в топлина. Други уреди, които превръщат електрическата в светлинна енергия, са светодиодите.

  • Механично действие на тока - използва се в електромоторите, когато през електромотора протича ток, той превръща електричната енергия

в енергия на движението. Енергията на движение е вид механична енергия. Друг вид механична енергия е енергията на звука. Някои устройства, които преобразуват електричната енергия в звук са високоговорители, аларми, електрически звънец и други.

  • Магнитно действие на тока - най-общо казано, протичането на електрически ток винаги създава магнитно поле. Силовата структура на магнитното поле се описва чрез затворените силови линии (концентрични окръжности в случай на праволинен проводник).
  • Химично действие на тока - електролизата е пример за това действие
  • Физиологично действие на тока - това е действието върху живи същества, което е твърде сложно и многообразно. Токът засяга белите дробове, сърцето и нервната система. Може да доведе до спиране на сърцето и смърт. Пораженията зависят от силата на тока, от продължителността на действието и от това през коя част на тялото преминава. Сила на тока от порядъка на 10-20mA трябва да се счита за опасна за здравето и живота на човек.

Вижте също[редактиране | edit source]

Източници[редактиране | edit source]

  1. Електрически ток - големина, плътност и посока
  2. Постоянен електричен ток, посока и големина на тока physics-bg.org, Ваньо Георгиев