Прежде чем говорить о токе, одном из параметров, характеризующих электричество, посмотрим на историю развития этого понятия. Информации по данному вопросу настолько много, что приходится быть очень кратким, чтобы в данной статье осветить хоть какие-нибудь основы.
Электричество – немного истории.
Задолго до того, как появились какие-либо знания об электричестве, люди знали о свойствах электрических рыб. Древнеегипетские тексты, датируемые 2750 годом до н. э., упоминают этих рыб как «Громовержцев Нила» и описывают их как «защитников» всех других рыб.
Тысячелетия спустя об электрических рыбах вновь сообщали древнегреческие, римские и арабские естествоиспытатели и врачи. Некоторые древние писатели, такие как Плиний Старший и Скрибоний Ларг, свидетельствовали о парализующем действии электрических разрядов, производимых электрическими сомами и электрическими скатами, и знали, что такие разряды могут перемещаться вдоль проводящих объектов. Пациентам, страдающим от таких недугов, как подагра или головная боль, предписывалось дотрагиваться до электрических рыб — в надежде, что мощный разряд излечит их.
Древние культуры Средиземноморья знали, что некоторые предметы, такие как янтарные палочки, можно натереть кошачьим мехом, чтобы привлечь лёгкие предметы, такие как перья. Фалес Милетский сделал ряд наблюдений статического электричества около 600 г. до н. э., из которых он заключил, что трение делает янтарь магнитным — в отличие от минералов, таких как магнетит, которые не нуждаются в натирании. Фалес был неправ, полагая, что притяжение вызвано магнитным эффектом, но позже наука докажет связь между магнетизмом и электричеством.
Долгое время знание об электричестве не шло дальше подобных представлений. Хотя и существует основанная на открытии в 1936 году так называемой багдадской батареи полемическая теория, предполагающая использование гальванических элементов ещё в древности, однако неясно, был ли упомянутый артефакт электрическим по своей природе.
В 1600 году Уильям Гилберт ввёл в обращение сам термин электричество («янтарность», от др.-греч. ἤλεκτρον: [электрон] — янтарь), а в 1663 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. В 1729 году англичанин Стивен Грей провёл опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество. В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества, стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть. В 1745 году голландец создаёт первый электрический конденсатор — Лейденскую банку. Примерно в эти же годы работы по изучению атмосферного электричества вели и русские учёные — Г. В. Рихман и М. В. Ломоносов.
Первую теорию электричества создаёт американец Бенджамин Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения с электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний. Изучение электричества переходит в категорию точной науки после открытия в 1785 году закона Кулона.
Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 году Василий Петров обнаружил вольтову дугу.
С этого открытия русского учёного началась история электрической лампочки или лампы накаливания. В дальнейшем основной вклад в создание электрической лампочки внесли русские инженеры Павел Николаевич Яблочков и Александр Николаевич Лодыгин.
В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830).
Майкл Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле. Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создаёт на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привёл Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы — частицы материи. «Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами», — утверждает он. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель — проволочка с током, вращающаяся вокруг магнита. Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка британским (шотландским) физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в 1873 году.
В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 год).
В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества — электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.
В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 году был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединённую теорию электрослабых взаимодействий.
История открытия электрического тока.
Кто открыл электрический ток? Луи Ампер (20 января 1775 — 10 июня 1836) — французский физик, математик и естествоиспытатель, в начале XIX века провёл серию экспериментов, которые привели к открытию электрического тока. Он обнаружил, что электрический ток генерируется посредством прохождения заряда через проводник. Это открытие стало фундаментом для развития электротехники и привело к созданию электрических цепей и генераторов.
Также Ампер установил правило для определения направления действия магнитного поля на магнитную стрелку (правило Ампера), провёл множество опытов по исследованию взаимодействия между магнитом и электрическим током, обнаружил, что магнитное поле Земли влияет на движущиеся проводники с током. В 1881 году в честь Ампера была названа единица силы тока.
Алессандро Вольта открыл постоянный ток в 1800 году, создав первый источник постоянного тока — вольтов столб, состоящий из чередующихся дисков цинка и меди, разделённых влажными прокладками.
Никола Тесла открыл переменный электрический ток.
Основные электрические величины.
Электрическая цепь (гальваническая цепь) — совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение.
Некоторые электрические величины и их описание:
• Напряжение (U). Характеризует разность потенциалов между двумя точками электрической цепи. Единица измерения — вольт (В).
• Ток (I). Упорядоченное движение электрических зарядов (электронов) в проводнике. Ток показывает, какое количество заряда проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени. Единица измерения — ампер (А).
• Сопротивление (R). Свойство материала препятствовать прохождению электрического тока. Единица измерения — ом (Ω). Сопротивление зависит от материала, длины и площади поперечного сечения проводника.
• Мощность (P). Это скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии (тепло, свет, механическую работу). Единица измерения — ватт (Вт). Мощность рассчитывается как произведение напряжения на ток: P = U * I.
• Энергия (E). Это количество работы, которое может совершить электрический ток. Единица измерения — джоуль (Дж). В быту чаще используется внесистемная единица — киловатт-час (кВтч), которая показывает, сколько киловатт мощности потреблялось в течение часа.
• Электрическая ёмкость. Способность проводника накапливать электрический заряд. Единица измерения — фарад (Ф).
• Индуктивность. Величина, характеризующая способность контура, по которому протекает электрический ток, создавать и накапливать магнитное поле. Единица измерения — генри (Гн).
• Электрическая проводимость. Величина, показывающая способность тела проводить электрический ток. Обратная величина сопротивлению. Единица измерения — сименс (См).
Теория электрических зарядов.
Электрический заряд — это свойство тел (количественно характеризуемое физической величиной того же названия), проявляющееся, прежде всего, в способности создавать вокруг себя электрическое поле и посредством него оказывать воздействие на другие заряженные (то есть обладающие электрическим зарядом) тела. Электрические заряды разделяют на положительные и отрицательные (выбор, какой именно заряд назвать положительным, а какой отрицательным, считается в науке чисто условным, однако этот выбор уже исторически сделан и теперь — хоть и условно — за каждым из зарядов закреплён вполне определённый знак). Тела, заряженные зарядом одного знака, отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются. При движении заряженных тел (как макроскопических тел, так и микроскопических заряженных частиц, переносящих электрический ток в проводниках) возникает магнитное поле и, таким образом, имеют место явления, позволяющие установить родство электричества и магнетизма (электромагнетизм) (Эрстед, Фарадей, Максвелл). В структуре материи электрический заряд как свойство тел восходит к заряженным элементарным частицам, например, электрон и антипротон имеют отрицательный заряд, а протон и позитрон — положительный.
Наиболее общая фундаментальная наука, изучающая электрические заряды, их взаимодействие и поля, ими порождаемые и действующие на них, то есть практически полностью покрывающая тему электричества, за исключением таких деталей, как электрические свойства конкретных веществ, как-то электропроводность (и т. п.) — это электродинамика. Квантовые свойства электромагнитных полей, заряженных частиц (и т. п.) изучаются наиболее глубоко квантовой электродинамикой, хотя часть из них может быть объяснена более простыми квантовыми теориями.
Современные знания об электрическом токе.
Электрический ток или электроток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Последующее электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а посредством электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного взаимодействия (поля) или скорость электромагнитного излучения достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда.
Носителями электрического заряда могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определённых условиях — электроны, в полупроводниках — электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость). С точки зрения квантовой теории поля переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон.
Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения в пространстве электрического поля.
Электрический ток имеет следующие проявления:
• нагревание проводников (не происходит в сверхпроводниках);
• изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);
• создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).
Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционным.
Различают постоянный и переменный электрические токи, а также всевозможные разновидности переменного тока. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.
• Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени.
• Переменный ток — электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.
• Периодический ток — электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
• Синусоидальный ток — периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
• Квазистационарный ток — «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же, как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется. Электромагнитные возмущения распространяются по электрической цепи со скоростью света.
• Ток высокой частоты — переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей.
• Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.
• Вихревые токи (токи Фуко) — «замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока», поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.
Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.
В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).
Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.
Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.
Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.
Электрические токи в природе.
Атмосферное электричество — электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин. В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы. Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А. Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма — естественный коронный электрический разряд.
Биотоки — движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.
Вот, в общем-то, и вся краткая история, развитие и современное понимание, что такое электрический ток.
Критика современных представлений об электрическом токе.
Но, в последнее время появились вполне обоснованные сомнения в правильности этих взглядов. И зародил эти сомнения никто иной, как Никола Тесла.
«День за днем я задавался вопросом, что же такое электричество, и не находил ответа. С тех пор прошло восемьдесят лет, и я по-прежнему задаю себе тот же вопрос, но не в состоянии ответить на него.» (Никола Тесла).
Мне очень понравилась статья «Думаете электричество течёт по проводам? Вы заблуждаетесь.» (Энциклопедия Заблуждений). Вот выдержки из неё.
Многие считают электричество и электрический ток одним и тем же, хотя это разные понятия. Также многие уверены, что электрический ток — это некий поток электронов, движущийся по проводам от источника питания к электроприбору. Как вода в шланге. И что именно этот поток приводит в движение электроприборы.
Но вот несколько причин, по которым данное представление не может быть верным (помимо того, что ток идёт не от «плюса», а от «минуса»).
• Скорость движения свободных электронов в медном проводнике сечением 1,5 мм2 (стандарт для бытовой системы освещения) составляет 0,05 мм/с. На этом отрезке умещается более 100 тысяч атомов. Если представить их цепочкой бильярдных шариков, то они будут располагаться с дистанцией между ними примерно равным самим шарикам. Если бы энергия передавалась простым физическим столкновением электронов, им бы потребовалось некоторое время на передачу по цепочке импульса к движению. При такой скорости, после нажатия клавиши выключателя на стене, лампочка на потолке загорится отнюдь не мгновенно.
• В отличии от батареек, в наших электросетях переменный ток. Это означает, что он постоянно меняет своё направление. Так что электроны в проводе вообще никуда не движутся. Они просто колеблются туда-сюда практически на одном месте. В России это происходит 50 раз в секунду.
• Проводов, идущих без разрывов от электростанции до наших домов, не существует в природе. На этом пути стоит множество подстанций с трансформаторами, в которых нет прямого контакта проводов. Электроны физически не в состоянии перескочить там с одной катушки на другую.
Из всего этого можно сделать вывод, что не сами электроны приводят в действие электроприборы. Так что же, а главное, каким образом течёт по нашим проводам? Электроэнергия вообще не передаётся внутри провода. Для передачи энергии провода не являются обязательным условием, т.к. передаётся она электромагнитным полем.
Очень интересные доводы.
Так какова же реальность?
Парадоксально, но реальность такова, что никакого электрического тока в Природе не существует. Различные тела и образования имеют свойство накапливать электрический заряд. При соединении этих тел или образований электрической цепью вдоль этой цепи моментально возникает электромагнитное поле, с помощью которого происходит уменьшение разницы потенциалов соединённых тел, или аннигиляция электрических зарядов, то есть ликвидация электрической энергии в телах, соединённых электрической цепью. Скорость аннигиляции тем выше, чем меньше сопротивление электрической цепи. Так, при соединении тел коротким «голым» проводником (например, металлическим проводом) происходит так называемое «короткое замыкание», то есть, мгновенная аннигиляция разницы потенциалов между заряженными телами.
В природе накопление электрических зарядов в телах происходит в условиях, когда эти тела находятся в диэлектрической среде, то есть, изолированы друг от друга. Роль диэлектрика (или изолятора) выполняют различные газы или материалы, не проводящие электричество, например, воздух или материал между накопительными пластинами в батарейках. Однако, разность потенциалов между заряженными телами иногда начинает превышать диэлектрические возможности изолирующих материалов, и, в этом случае, происходит так называемый «пробой диэлектрика», то есть, образование между заряженными телами в изоляторе канала с нулевым сопротивлением, и, соответственно, моментальная аннигиляция электрических зарядов. Например, в атмосфере Земли это явление называется молнией. Нужно отметить, что и свойства диэлектриков, и возможности их пробоя хорошо изучены и описаны, например, в Википедии.
Подводя итог, ещё раз отметим, что никакого электрического тока в Природе не существует. Однако, понятие электрического тока, пускай и условное, хорошо описывает напряжённость электромагнитного поля в электрической цепи, соединяющей заряженные тела. И поэтому, имеет право на существование.
С уважением, Vasin.
- Код ссылки на тему, для размещения на персональном сайте | Показать
