Что такое электрический ток, виды и условия его существования

Вертикальные фермы

Прогнозы гласят, что около 80% населения к 2050 году будут жить в городах. Соответственно, остро станет вопрос по производству продуктов. По этой причине считается целесообразным внедрение схем вертикального взращивания культур.

Они представляют собой многоэтажные высотные теплицы. В них создаются идеальные условия за счет контроля углекислого газа, температуры и влажности воздуха. Такие конструкции помогают в экономии ресурсов воды и свободного пространства. Также, они хорошо защищают культуры от погодных катаклизмов. Пестициды практически не используются, поэтому на выходе получается экологичная продукция

Это очень важно, так как некоторые из новых технологий наносят непоправимый вред человечеству (например, ГМО)

Получение электрического тока

Электрический ток не может возникнуть сам по себе. Что же нужно создать в проводнике, чтобы в нём возник и существовал ток?

При появлении электрического поля, возникнут и электрические силы. Они приведут в движение заряженные частицы. Именно так и возникает электрический ток.

Хорошо, вот создали мы электрическое поле, появился ток. Логично предположить, что если электрическое поле исчезнет, то исчезнет и ток.

Значит, для более длительного существования тока нам необходимо поддерживать постоянное существование электрического поля.

{"questions":,"explanations":,"answer":}}}]}

Новые исследования и открытия.

А немного позже, в 1672г. Готфрид Вильгельм Лейбниц смог получить электрическую искру с помощью машины фон Герике.

Англичанин Стивен Грей в 1729г. фиксирует передачу электрозарядов на малые расстояния. И формирует основу для классификации проводников и диэлектриков. Открытие электрического тока.

В 1733г. естествоиспытатель из Франции Шарль Дюфе делает открытие, в нем дает определение разноименным зарядам (положительным и отрицательным, которые он назвал стеклянным и смоляным соответственно). Немного позже, он доказал, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Это интересно – «Техника безопасности на стройке».

Почти одновременно в 1745г. два человека, немец фон Клейст и голландец Мушенбрук, создают конденсатор (Лейденскую банку).

Лейденские банки

Бенджамин Франклин (американский политик и естествоиспытатель) проводит эксперименты с электричеством и изучает природу молний. В 1752 году он изобрел громоотвод (молниеотвод), способный увести атмосферное электричество в сторону от объекта. Он разрабатывает теорию, в которой электричество представлено как нематериальное вещество.

А спустя немного времени, он выдвигает концепцию электродвигателя. Эти открытия дают право считать его одним из первооткрывателей электрического тока наравне с фон Клейстом и Мушенбруком.

Суть электричества, его открытие

Итак, суть электричества заключается в следующем: в составе атомов и молекул находятся так называемые элементарные частицы электроны и протоны. В центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов.

Протоны — это частицы положительного заряда. Они по силе действия на другой заряд другой частицы могут отталкивать или притягивать её. Нейроны — это частицы нейтральные с точки зрения зарядов. Электроны вращаются на очень большой скорости вокруг ядра атома, и имеют отрицательный заряд. Количество элементарных частиц в атоме может быть разным в зависимости от конкретного вещества.

Суть электричества волновала человечество с античных времен. В VII веке до нашей эры) был такой философ Фалес Милетский, который впервые заметил некоторое электрическое явление. Если потереть о кусочек шерсти янтарь, то он начинает притягивать к себе имеющие небольшой вес предметы. Однако на этом развитие исследований в данной сфере почти на 2,5 тысячелетия остановилось. Продолжилось оно лишь в XVII веке. Сначала греческим философом был введен термин, затем начались активные изыскания по изучению природы электричества, возможностей его применения на благо человечества.

Наиболее значимые открытия и изобретения

• 1633 год – немецкий инженер Отто фон Герике изобретает первую в мире электростатическую машину, позволившую наблюдать различные виды взаимодействия электрических зарядов — их отталкивание и притягивание;
• 1729 год – английский ученый Стивен Грей в результате своих изысканий и экспериментов по передаче электричества на значительные расстояния обнаружил, что материалы, имеющие различную электропроводность неодинаково его пропускают через свою толщу;
• 1745 год – ученый из Нидерландов Питер ван Мушенбрук изобретает первый в мире накопитель электрического заряда (простейший конденсатор) – Лейденскую банку;
• 1800 год – итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел первый источник тока – гальванический элемент, состоящий из круглых цинковых и серебряных пластин, сложенных поочередно столбиком и разделенных между собой смоченной в солевом растворе бумагой;
• 1820 год – датским ученым-физиком Хансом Эрстедом открыто электромагнитное взаимодействие между различными по знаку электрическими зарядами и заряженными частицами;
• 1831 год– Майкл Фарадей открывает такое явление, как электромагнитная индукция ;
• 1880 год– француз Пьер Кюри открывает эффект генерирования кристаллом электрического заряда при его сжатии или другом изменении.

Никола Тесла

На рубеже XIX – XX веков одним из самых известных и загадочных ученых, занимавшихся изучением того, что такое электричество, и создавшим множество изобретений был Никола Тесла. Он раскрыл суть электричества.

Никола Тесла — выдающийся учёный в области электричества

Никола Тесла – выдающийся ученый, внесший огромный вклад в изучение данного явления. Ему принадлежит более 1000 разнообразных изобретений, около 800 из которых он запатентовал. Наиболее значительными и важными изобретениями великого ученого являются:

1. Генератор высоких частот;
2. Индукционный асинхронный электродвигатель; Высокочастотный трансформатор;
3. Мачтовая антенна для передачи и приема радиосигналов.

А ещё Тесла был первым, кто разработал и выдвинул в практику правила техники безопасности при работе с электрическим током различной частоты и силы.

Электрические токи в природе

Молния 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, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:

• при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
• напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
• атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
• место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю.

Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10−12 А/м².

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.

Недостатки переменного тока

При передаче энергии изменяющего направление тока на большие расстояния возникают затруднения. Создание Единой Энергетической Системы выявило ряд недостатков:

• пропускная способность кабельных линий низкая из-за ёмкости между проводниками и землёй;
• при объединении и кольцевании ветвей системы, расположенных друг от друга на больших расстояниях, невозможно выполнить синхронизацию станций;
• пороговый предел устойчивости, необходимый для согласования, заканчивается на длинах линий свыше 500 км, при этом требуется повышение напряжения до 450 кВ, что приводит к удорожанию оконечного оборудования.

К сведению. При повышенном напряжении у воздушных линий возникает коронный разряд. Это процесс ионизации у проводников с малым радиусом. Чтобы в этом случае не происходило стекание электричества, приходится увеличивать диаметр проводов, это ведёт к удорожанию линии.

Органы из пробирки

Уже сейчас врачи научились пересаживать органы. Но для проведения трансплантации необходим донор, а их всегда мало. Поэтому далеко не все люди могут позволить себе проведение операции. Развитие клеточных технологий позволит справиться с этой проблемой.

Созревающие стволовые клетки обладают поразительной способностью самоорганизовываться и превращаться в клетки любых тканей и органов. Лабораторные эксперименты подтверждают, что можно провести частичный ремонт сердца после перенесенного инфаркта. Суть в том, что стволовые клетки замещают рубцовую ткань. Специальные вещества регулируют активность генов и способствуют росту сосудов в области рубца. Через некоторое время, на этом месте формируется здоровая сердечная мышца.

Электрическое напряжение

Это давление на дно и есть то самое напряжение (по аналогии с гидравликой). В данном случае, дно башни – это ноль, начальный уровень отсчёта. За начальный уровень отсчёта в электронике берут вывод батарейки или аккумулятора со знаком «минус». Можно даже сказать, что уровень «воды в башне» у 12-вольтового автомобильного аккумулятора выше, чем уровень воды 1,5 Вольтовой пальчиковой батарейки.

Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа «блок питания может выдать от 0 и до 30 Вольт». Или говоря детским языком, создать «электрическое давление» на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.

источник питания постоянного тока

Электрическое напряжение  — это еще не значит, что в электрической цепи течет электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток, электроны должны двигаться в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз нет движения электронов, то и нет электрического тока.

С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания есть давление, а на другом его нет. То есть это земля, на которой стоит башня, если провести аналогию с гидравликой. Поэтому, положительный  щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп  — черным или синим.

В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше » электрическое давление», а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное «давление», а на минусе — ноль.

Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.

Новый виток исследований

Когда известный английский учёный в области физики Майкл Фарадей ознакомился с работой Х. Эрстеда, он провёл исследования в области взаимосвязи электромагнитных и электрических явлений и обнаружил, что магнит вращается вокруг проводника тока и, наоборот, проводник — вокруг магнита.

После этих опытов учёный ещё 10 лет пытался трансформировать магнетизм в электрический ток, а в результате открыл электромагнитную индукцию и основы теории электромагнитного поля, а также помог сформировать основу для появления новой отрасли науки — радиотехники. В 20 годы прошлого столетия, когда на территории СССР была начата организация масштабная электрификация, появился термин «лампочка Ильича».

Так как многие разработки проводились параллельно в разных странах, историки спорят о том, кто изобрёл электричество первым. В развитие науки об электричестве вложили свои силы и знания многие учёные-изобретатели: Ампер и Ленц, Джоуль и Ом. Благодаря таким усилиям современный человек не испытывает проблем с организацией подачи электричества в свои дома и другие помещения.

Условия существования электрического тока

Что такое электрический ток мы разобрались, теперь давайте поговорим о том, как обеспечить его протекание. Для протекания электрического тока необходимо выполнение двух условий:

1. Наличие свободных носителей заряда.
2. Электрическое поле.

Первое условие существования и протекания электричества зависит от вещества, в котором протекает (или не протекает) ток, а также его состояния. Второе условие также выполнимо: для существования электрического поля обязательно наличие разных потенциалов, между которыми находится среда, в которой будут протекать носители заряда.

Напомним: Напряжение, ЭДС – это разность потенциалов. Отсюда следует, что для выполнения условий существования тока – наличия электрического поля и электрического тока, нужно напряжение. Это могут быть обкладки заряженного конденсатора, гальванический элемент, ЭДС возникшее под действием магнитного поля (генератор).

Как он возникает, мы разобрались, давайте поговорим о том, куда он направлен. Ток, в основном, в привычном для нас использовании, движется в проводниках (электропроводка в квартире, лампочки накаливания) или в полупроводниках (светодиоды, процессор вашего смартфона и другая электроника), реже в газах (люминесцентные лампы).

Так вот основными носителями заряда в большинстве случаев являются электроны, они движутся от минуса (точки с отрицательным потенциалом) к плюсу (точке с положительным потенциалом, подробнее об этом вы узнаете ниже).

Но интересен тот факт, что за направление движения тока было принято движение положительных зарядов – от плюса к минусу. Хотя фактически всё происходит наоборот. Дело в том, что решение о направлении тока было принято до изучения его природы, а также до того, как было определено за счет чего протекает и существует ток.

Интересные факты об электричестве

• Для того чтобы добыть электричество из магнита от динамика, на него наматывают два медных провода, два их конца спаивают вместе, к оставшимся подсоединяют небольшую лампочку, светодиодную ленту. Для того чтобы сделать источник питания для лампы накаливания на 220 В, используют более мощные и крупные магниты, толстые медные провода большого сечения.
• Самой древней батарейкой считается найденное при раскопках в Египте устройство, представляющее собой медный сосуд с вставленным в него железным стержнем, не касающимся стенок.
• Для того чтобы показать, как вырабатывается и протекает электричество, при дворе короля Людовика XV проводили эксперимент с Лейденской банкой и строем солдат: взявшиеся за руки солдаты при этом образовывали ни что иное, как первую в мире полноценную живую электрическую цепь;
• Из-за большого количества смертей от даров молний в Италии в XVIII веке во многих европейских странах появилась очень странная мода на шляпки и зонтики с громоотводами;
• В скандинавских странах главный, порой и единственный, источник электроэнергии – это гидроэлектростанции. Благодаря этому, в этих государствах очень низкий уровень загрязнения атмосферы.

Знать то, как работает всем привычное электричество, очень важно для каждого человека, не только в целях самообразования и расширения кругозора, но и для обеспечения собственной безопасности в мире, где достаточно опасная электроэнергия встречается почти на каждом шагу

Как измерить силу тока

Эту характеристику можно измерить с помощью амперметра. Прибор последовательно подключается к электрической сети (плюс к плюсу, минус к минусу). Чем ниже сопротивление амперметра, тем меньше его влияние на измерения, и тем они точнее. Если сопротивление амперметра стремится к нулю, он нейтрален и не влияет на показатели сети.

Работа амперметра основана на магнитном действии тока. Чем больше сила тока, проходящего по катушки, тем сильнее она взаимодействует с магнитом и тем больше угол поворота стрелки амперметра.

При измерении силы тока амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить.

У каждой клеммы прибора стоит свой знак: “+” или “-“.

Клемму со знаком “+” нужно соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком “-”  – с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.

На электрических схемах амперметр изображают в виде кружка с буквой А.

Виды амперметров

По конструкции амперметры бывают:

• аналоговые (со стрелочной измерительной головкой);
• цифровые (с индикатором).

Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах.

По способу измерения:

1. Магнитоэлектрические, в которых отклонение чувствительной стрелки и показатели зависят от силы взаимодействия полей постоянного магнита и поля электрического тока в алюминиевой рамке, и угла поворота последней.
2. Электромагнитные, показатели которых меняются с подвижками железного сердечника под влиянием электромагнитного поля катушки.
3. Электродинамические, в которых отклонение стрелки связано с притяжением или отклонением подвижной катушки относительно неподвижной, соединенных последовательно или параллельно.
4. Тепловые, в которых при нагреве электрическим током происходит изменение длины металлической нити и положения связанной с нитью измерительной стрелки.
5. Индукционные, в которых связанный со стрелкой металлический диск отклоняется под воздействием электромагнитного поля неподвижных катушек.
6. Детекторные, в которых магнитоэлектрический прибор соединен с выпрямителем-детектором.
7. Термоэлектрические, которые состоят из нагревателя и магнитоэлектрического измерительного механизма.
8. Фотоэлектрические, в которых фотоэлектрический элемент преобразует световой поток в электрический.

Магнитоэлектрические приборы определяют только силу постоянного тока, индукционные и детекторные – переменного. Фотоэлектрические высокоточные приборы работают с постоянным током и током низкой и высокой частоты.

Остальные из перечисленных подходят для разных токов.

Приборы бывают многофункциональными, т.е. действующими в разных режимах. Например, мультиметр работает и как вольтметр, и как омметр, и как мегомметр (для высоких сопротивлений).

В всех современных измерительных приборах есть переключатель диапазона чувствительности.

Правила измерения

1. Амперметр включается в электросеть последовательно, «в разрыв цепи».
2. При включении прибора в сеть, необходимо соблюдать полярность, присоединяя «+» прибора к «+» источника тока, а «-» к «-».
3. Тестируемая линия при подключении должна быть обесточена. Иначе прикасание щупами прибора к проводам или контактам может вызвать короткое замыкание.
4. При высоких напряжениях в цепь переменного тока помимо амперметра включается трансформатор или шунт, в цепь постоянного – магнитный усилитель или шунт.
5. Тип амперметра для измерений выбирают в соответствии с типом электрического прибора или линии. Также учитывают требуемую точность показателей.

Перед подключением необходимо подробно изучить инструкцию к амперметру.

3+

Что такое электричество и откуда оно берется

О чем думают, когда слышат слово «электричество» или «электрический»? На ум приходят розетки, линии электропередач, трансформаторы или сварочные аппараты, молния, батарейки и зарядные устройства. Безусловно, электричества в современной цивилизации очень много. Кроме того, оно есть в природе. Но что мы о нем знаем?

Электричеситвом называют процесс движения заряженных частиц под воздействием электромагнитного поля:

• в одном направлении (постоянный ток);
• с периодическими сменами направления (переменный ток).

Термин имеет греческое происхождение, а «электрон» означает ‘янтарь’. Первым его использовал древнегреческий философ Фалес.

Когда вставляем вилку в розетку, включаем электрочайник или нажимаем выключатель, между источником и приемником электричества замыкается электрическая цепь, благодаря чему электрический заряд получает путь для движения, например, по спирали чайника. Описать процесс можно так:

• Источник электричества — розетка.
• Электрическим током называем электрический заряд, который двигается через проводник (например, спираль чайника).
• Проводник соединяет розетку с потребителем двумя проводами: по одному из них заряд движется к потребителю, а по второму — к розетке.
• В случае переменного тока провода по 50 раз в секунду меняются ролями.

Источник энергии для движения зарядов (то есть, источник электричества) в городах — это электростанции. На них происходит выработка электричества с помощью мощных генераторов, ротор которых приводит во вращение ядерная установка или силовая установка (например, гидротурбина).

Линии электропередач: Freepick

Трансформаторы электростанций подают сверхвысокое переменное напряжение величиной 110, 220 или 500 киловольт на высоковольтные линии электропередач (ЛЭП). Достигнув понижающих подстанций, оно снижается до уровня бытовой сети — 220 вольт. Это напряжение в наших розетках, которое используем каждый день, не задумываясь о длине того пути, которое оно проходит.

Можно ли накопить электричество для бытовых целей? Да, и мы этим тоже пользуемся. В этом помогает преобразование в химическую энергию, а именно в аккумуляторы. Химические реакции между электродами (веществами и растворами, которые проводят ток) создают ток при замкнутой на потребителя внешней цепи. Чем больше площадь электродов, тем больше тока можно получить.

Используя разный материал электродов и количество соединенных в аккумуляторе ячеек, можно генерировать разное напряжение. Например, в литий-ионном аккумуляторе стандартное напряжение для одной ячейки составляет 3,7 вольта. Работает он так:

• Ионы лития с положительными зарядами во время разряда движутся в электролите от анода (положительного электрода) из меди и графита к катоду (отрицательному электроду) из алюминия.
• Во время заряда происходит обратное движение, и образуются соединения графита с литием, то есть накопление энергии в виде химического соединения.

Такой аккумулятор полноценно работает на протяжении около 1000 циклов заряда-разряда.

Батарейка: Freepick

В современном мире все привыкли к тому, что электричество всегда есть в доме. Тысячи людей ежедневно трудятся для того, чтобы его источники работали бесперебойно.

Искусственный интеллект

Инженеры тратят много сил и времени на создание программ, способных понимать эмоции человека, распознавать речь, принимать решения в условиях неопределенности. Уже существуют некоторые программы искусственного интеллекта, способные распознавать лица, понимать грустит человек или злится. В будущем появятся роботы, которые смогут описывать происходящие события и делиться своим опытом с людьми.

Инновационные изобретения двигают прогресс и меняют мир. Они направлены на решение актуальных проблем и упрощение нашей повседневной жизни с обеспечением максимального комфорта.