Электрический ток — это поток заряженных частиц , таких как электроны или ионы , движущихся через электрический проводник или пространство. Он определяется как чистая скорость потока электрического заряда через поверхность. [1] : 2 [2] : 622 Движущиеся частицы называются носителями заряда , которые могут быть одним из нескольких типов частиц, в зависимости от проводника. В электрических цепях носителями заряда часто являются электроны , движущиеся по проводу . В полупроводниках это могут быть электроны или дырки . В электролите носителями заряда являются ионы , а в плазме , ионизированном газе, — ионы и электроны. [3]
В Международной системе единиц (СИ) электрический ток выражается в амперах ( иногда называемых «амперами» , символ А), что эквивалентно одному кулону в секунду. Ампер — это базовая единица СИ , а электрический ток — базовая величина в Международной системе величин (ISQ). [4] : 15 Электрический ток также известен как сила тока и измеряется с помощью устройства, называемого амперметром . [2] : 788
Электрические токи создают магнитные поля , которые используются в двигателях, генераторах, индукторах и трансформаторах . В обычных проводниках они вызывают джоулево нагрев , создающий свет в лампах накаливания . Изменяющиеся во времени токи излучают электромагнитные волны , которые используются в телекоммуникациях для передачи информации.
Традиционный символ тока — I , который происходит от французской фразы intensité du courant (интенсивность тока). [5] [6] Силу тока часто называют просто током . [7] Символ I был использован Андре-Мари Ампером , в честь которого названа единица электрического тока, при формулировке закона силы Ампера (1820 г.). [8] Обозначение перешло из Франции в Великобританию, где оно стало стандартом, хотя по крайней мере один журнал не менял использование C на I до 1896 года. [9]
Обычное направление тока, также известное как условный ток , [10] [11] произвольно определяется как направление, в котором текут положительные заряды. В проводящем материале движущиеся заряженные частицы, составляющие электрический ток, называются носителями заряда . В металлах, из которых состоят провода и другие проводники в большинстве электрических цепей , положительно заряженные атомные ядра атомов удерживаются в фиксированном положении, а отрицательно заряженные электроны являются носителями заряда, которые могут свободно перемещаться в металле. В других материалах, особенно в полупроводниках , носители заряда могут быть положительными или отрицательными, в зависимости от используемой примеси . Положительные и отрицательные носители заряда могут даже присутствовать одновременно, как это происходит в электролите в электрохимической ячейке .
Поток положительных зарядов дает такой же электрический ток и оказывает такое же действие в цепи, как и равный поток отрицательных зарядов в противоположном направлении. Поскольку ток может представлять собой поток как положительных, так и отрицательных зарядов, или того и другого, необходимо соглашение о направлении тока, которое не зависит от типа носителей заряда . Поэтому отрицательно заряженные носители, такие как электроны (носители заряда в металлических проводах и многих других компонентах электронных схем), текут в направлении, противоположном обычному току в электрической цепи. [10] [11]
Ток в проводе или элементе цепи может течь в одном из двух направлений. При определении переменной для представления тока необходимо указать направление, представляющее положительный ток, обычно с помощью стрелки на принципиальной схеме . [12] [13] : 13 Это называется опорным направлением тока . При анализе электрических цепей фактическое направление тока через конкретный элемент схемы обычно неизвестно до завершения анализа. Следовательно, опорные направления токов часто назначаются произвольно. Когда схема решена, отрицательное значение тока означает, что фактическое направление тока через этот элемент схемы противоположно выбранному опорному направлению. [а] : 29
Закон Ома гласит, что ток через проводник между двумя точками прямо пропорционален разности потенциалов в этих двух точках. Вводя константу пропорциональности сопротивление , [ 14] приходим к обычному математическому уравнению, описывающему эту зависимость: [15]
где I — ток через проводник в амперах , V — разность потенциалов, измеренная на проводнике в вольтах , а R — сопротивление проводника в омах . Более конкретно, закон Ома гласит, что R в этом отношении является постоянным и не зависит от тока. [16]
В системах переменного тока (AC) движение электрического заряда периодически меняет направление. Переменный ток — это форма электроэнергии , наиболее часто подаваемая на предприятия и в жилые дома. Обычная форма сигнала силовой цепи переменного тока — синусоидальная , хотя в некоторых приложениях используются альтернативные формы сигнала, такие как треугольные или прямоугольные волны . Звуковые и радиосигналы , передаваемые по электрическим проводам, также являются примерами переменного тока. Важной целью в этих приложениях является восстановление информации, закодированной (или модулированной ) в сигнал переменного тока.
Напротив, постоянный ток (DC) относится к системе, в которой движение электрического заряда происходит только в одном направлении (иногда называемом однонаправленным потоком). Постоянный ток вырабатывается такими источниками, как батареи , термопары , солнечные элементы и электрические машины коллекторного типа типа динамо . Переменный ток также можно преобразовать в постоянный с помощью выпрямителя . Постоянный ток может течь в проводнике , таком как провод, но также может течь через полупроводники , изоляторы или даже через вакуум , как в электронных или ионных пучках . Старое название постоянного тока — гальванический ток . [17]
Естественные наблюдаемые примеры электрического тока включают молнию , статический электрический разряд и солнечный ветер , источник полярных сияний .
Искусственные явления электрического тока включают поток электронов проводимости в металлических проводах, таких как воздушные линии электропередачи, которые передают электрическую энергию на большие расстояния, и более мелкие провода в электрическом и электронном оборудовании. Вихревые токи – это электрические токи, возникающие в проводниках, подвергающихся воздействию изменяющихся магнитных полей. Аналогичным образом возникают электрические токи, особенно на поверхности проводников, подвергающихся воздействию электромагнитных волн . Когда в радиоантеннах текут колебательные электрические токи с правильным напряжением , генерируются радиоволны .
В электронике другие формы электрического тока включают поток электронов через резисторы или через вакуум в вакуумной трубке , поток ионов внутри батареи и поток дырок в металлах и полупроводниках .
Биологическим примером тока является поток ионов в нейронах и нервах, отвечающих как за мышление, так и за чувственное восприятие.
Ток можно измерить с помощью амперметра .
Электрический ток можно измерить непосредственно гальванометром , но этот метод предполагает разрыв электрической цепи , что иногда неудобно.
Ток также можно измерить, не разрывая цепь, путем обнаружения магнитного поля, связанного с током. Устройства на уровне схемы используют различные методы измерения тока:
Джоулев нагрев, также известный как омический нагрев и резистивный нагрев , представляет собой процесс рассеивания мощности [20] :36 , посредством которого прохождение электрического тока через проводник увеличивает внутреннюю энергию проводника, [21] :846 преобразуя термодинамическую работу в тепло . [21] : 846, сн. 5 Это явление было впервые изучено Джеймсом Прескоттом Джоулем в 1841 году . Джоуль погрузил отрезок провода в фиксированную массу воды и измерил повышение температуры из-за известного тока, проходящего через провод, в течение 30- минутного периода. Изменяя ток и длину провода, он пришел к выводу, что выделяемое тепло пропорционально квадрату тока , умноженному на электрическое сопротивление провода.
Эта зависимость известна как закон Джоуля . [20] : 36 Единица энергии в системе СИ впоследствии была названа джоулем и получила символ J. [4] : 20 Широко известная единица мощности в системе СИ — ватт (обозначение: Вт) — эквивалентна одному джоулю в секунду. [4] : 20
В электромагните катушка проводов ведет себя как магнит, когда через нее протекает электрический ток. При отключении тока катушка немедленно теряет магнетизм. Электрический ток создает магнитное поле . Магнитное поле можно представить как узор из круглых силовых линий, окружающих провод, который сохраняется до тех пор, пока существует ток.
Магнитные поля также можно использовать для создания электрического тока. Когда к проводнику прикладывается изменяющееся магнитное поле, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) [21] : 1004 , которая запускает электрический ток, когда есть подходящий путь.
Когда электрический ток течет по проводнику подходящей формы на радиочастотах , могут генерироваться радиоволны . Они движутся со скоростью света и могут вызывать электрические токи в отдаленных проводниках.
В металлических твердых телах электрический заряд течет посредством электронов от более низкого электрического потенциала к более высокому . В других средах любой поток заряженных объектов (например, ионов) может представлять собой электрический ток. Чтобы дать определение тока независимо от типа носителей заряда, обычный ток определяется как движущийся в том же направлении, что и поток положительного заряда. Итак, в металлах, где носители заряда (электроны) отрицательны, обычный ток движется в направлении, противоположном общему движению электронов. В проводниках, где носители заряда положительны, обычный ток течет в том же направлении, что и носители заряда.
В вакууме может образоваться пучок ионов или электронов. В других проводящих материалах электрический ток возникает вследствие одновременного потока как положительно, так и отрицательно заряженных частиц. В третьих ток полностью обусловлен потоком положительного заряда . Например, электрические токи в электролитах представляют собой потоки положительно и отрицательно заряженных ионов. В обычном свинцово-кислотном электрохимическом элементе электрические токи состоят из положительных ионов гидроксония, текущих в одном направлении, и отрицательных ионов сульфата, текущих в другом. Электрические токи в искрах или плазме представляют собой потоки электронов, а также положительных и отрицательных ионов. Во льду и в некоторых твердых электролитах электрический ток полностью состоит из текущих ионов.
В металле некоторые внешние электроны в каждом атоме не связаны с отдельными молекулами, как в молекулярных твердых телах , или не образуют полные полосы, как в изоляционных материалах, но могут свободно перемещаться внутри металлической решетки . Эти электроны проводимости могут служить носителями заряда , переносящими ток. Металлы обладают особенной проводимостью, поскольку в них много свободных электронов. Без приложения внешнего электрического поля эти электроны движутся хаотично из-за тепловой энергии , но в среднем чистый ток внутри металла равен нулю. При комнатной температуре средняя скорость этих хаотичных движений составляет 10 6 метров в секунду. [22] Учитывая поверхность, через которую проходит металлическая проволока, электроны движутся по поверхности в обоих направлениях с одинаковой скоростью. Как писал Георгий Гамов в своей научно-популярной книге « Один, два, три... бесконечность» (1947): «Металлические вещества отличаются от всех других материалов тем, что внешние оболочки их атомов связаны довольно свободно и часто позволяют один из их электронов выходит на свободу. Таким образом, внутренняя часть металла заполняется большим количеством неприсоединившихся электронов, которые бесцельно перемещаются вокруг, как толпа перемещенных лиц. Когда металлическая проволока подвергается воздействию электрической силы, приложенной к ее противоположным концам, эти свободные электроны устремляются в направлении силы, образуя тем самым то, что мы называем электрическим током».
Когда металлический провод подсоединяется к двум клеммам источника напряжения постоянного тока , такого как батарея , источник создает электрическое поле через проводник. В момент установления контакта свободные электроны проводника под действием этого поля вынуждены дрейфовать к положительному полюсу. Таким образом, свободные электроны являются носителями заряда в типичном твердом проводнике.
Для устойчивого потока заряда через поверхность ток I (в амперах) можно рассчитать по следующему уравнению:
В более общем смысле электрический ток можно представить как скорость, с которой заряд протекает через данную поверхность:
Электрические токи в электролитах представляют собой потоки электрически заряженных частиц ( ионов ). Например, если к раствору Na + и Cl − приложить электрическое поле (и условия подходящие), ионы натрия движутся к отрицательному электроду (катоду), а ионы хлорида - к положительному электроду (аноду). Реакции происходят на обеих поверхностях электрода, нейтрализуя каждый ион.
Водяной лед и некоторые твердые электролиты, называемые проводниками протонов, содержат положительные ионы водорода (« протоны »), которые являются подвижными. В этих материалах электрические токи состоят из движущихся протонов, в отличие от движущихся электронов в металлах.
В некоторых смесях электролитов движущиеся электрические заряды представляют собой ярко окрашенные ионы. Медленное развитие цвета делает ток видимым. [23]
В воздухе и других обычных газах ниже поля пробоя основным источником электропроводности является относительно небольшое количество мобильных ионов, образующихся радиоактивными газами, ультрафиолетовым светом или космическими лучами. Поскольку электропроводность низкая, газы являются диэлектриками или изоляторами . Однако, как только приложенное электрическое поле приближается к значению пробоя , свободные электроны достаточно ускоряются электрическим полем, чтобы создать дополнительные свободные электроны путем сталкивания и ионизации атомов или молекул нейтрального газа в процессе, называемом лавинным пробой . В процессе распада образуется плазма , содержащая достаточно подвижных электронов и положительных ионов, чтобы сделать ее электрическим проводником. При этом он образует светоизлучающий проводящий путь, такой как искра , дуга или молния .
Плазма — это состояние вещества, при котором некоторые электроны газа отрываются или «ионизируются» от своих молекул или атомов. Плазма может быть образована при высокой температуре или при приложении сильного электрического или переменного магнитного поля, как отмечалось выше. Из-за своей меньшей массы электроны в плазме ускоряются быстрее в ответ на электрическое поле, чем более тяжелые положительные ионы, и, следовательно, переносят большую часть тока. Свободные ионы рекомбинируются с образованием новых химических соединений (например, расщепляя кислород воздуха на один кислород [O 2 → 2O], который затем рекомбинирует с образованием озона [O 3 ]). [24]
Поскольку « идеальный вакуум » не содержит заряженных частиц, он обычно ведет себя как идеальный изолятор. Однако металлические поверхности электродов могут привести к тому, что область вакуума станет проводящей, инжектируя свободные электроны или ионы посредством автоэлектронной эмиссии или термоэлектронной эмиссии . Термоэлектронная эмиссия возникает, когда тепловая энергия превышает работу выхода металла , а полевая электронная эмиссия возникает, когда электрическое поле на поверхности металла достаточно велико, чтобы вызвать туннелирование , что приводит к выбросу свободных электронов из металла в вакуум. Электроды с внешним нагревом часто используются для создания электронного облака , например, в нити накала или катоде с косвенным нагревом в вакуумных лампах . Холодные электроды также могут самопроизвольно создавать электронные облака посредством термоэлектронной эмиссии, когда образуются небольшие раскаленные области (называемые катодными или анодными пятнами ). Это раскаленные области поверхности электрода, создаваемые локализованным сильным током. Эти области могут быть инициированы автоэлектронной эмиссией , но затем поддерживаются локализованной термоэлектронной эмиссией, когда образуется вакуумная дуга . Эти небольшие области электронной эмиссии могут образовываться довольно быстро, даже взрывно, на металлической поверхности, подвергнутой сильному электрическому полю. Вакуумные лампы и спрайтроны относятся к числу электронных переключающих и усиливающих устройств, основанных на вакуумной проводимости.
Сверхпроводимость — это явление точно нулевого электрического сопротивления и изгнания магнитных полей , возникающее в некоторых материалах при охлаждении ниже характерной критической температуры . Его обнаружил Хайке Камерлинг-Оннес 8 апреля 1911 года в Лейдене . Подобно ферромагнетизму и атомным спектральным линиям , сверхпроводимость является квантовомеханическим явлением. Он характеризуется эффектом Мейснера — полным выбросом силовых линий магнитного поля из внутренней части сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Возникновение эффекта Мейсснера указывает на то, что сверхпроводимость нельзя понимать просто как идеализацию идеальной проводимости в классической физике .
В полупроводнике иногда полезно думать о токе как о потоке положительных « дырок » (подвижных носителей положительного заряда, которые представляют собой места, где в полупроводниковом кристалле отсутствует валентный электрон). Это имеет место в полупроводнике p-типа. Полупроводник имеет электропроводность , промежуточную по величине между проводимостью проводника и изолятора . Это означает проводимость примерно в диапазоне от 10 −2 до 10 4 сименсов на сантиметр (См⋅см −1 ).
В классических кристаллических полупроводниках электроны могут иметь энергии только в определенных зонах (т.е. диапазонах уровней энергии). С энергетической точки зрения эти зоны расположены между энергией основного состояния, состояния, в котором электроны прочно связаны с атомными ядрами материала, и энергией свободных электронов, причем последняя описывает энергию, необходимую электрону для полного выхода из атомного ядра. материал. Каждая энергетическая зона соответствует множеству дискретных квантовых состояний электронов, и большинство состояний с низкой энергией (ближе к ядру) заняты, вплоть до определенной зоны, называемой валентной зоной . Полупроводники и изоляторы отличаются от металлов тем, что валентная зона в любом металле почти заполнена электронами в обычных условиях эксплуатации, в то время как очень мало (полупроводник) или практически нет (изолятор) из них доступны в зоне проводимости , зоне непосредственно над валентная зона.
Легкость возбуждения электронов в полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости зависит от ширины запрещенной зоны между зонами. Размер этой энергетической запрещенной зоны служит произвольной разделительной линией (примерно 4 эВ ) между полупроводниками и изоляторами .
При ковалентной связи электрон перемещается, перепрыгивая на соседнюю связь. Принцип исключения Паули требует, чтобы электрон был поднят в более высокое разрыхляющее состояние этой связи. Для делокализованных состояний, например, в одном измерении – то есть в нанопроволоке – для каждой энергии существует состояние, в котором электроны текут в одном направлении, и другое состояние, в котором электроны текут в другом. Чтобы чистый ток протекал, должно быть занято больше состояний для одного направления, чем для другого направления. Чтобы это произошло, необходима энергия, поскольку в полупроводнике следующие более высокие состояния лежат над запрещенной зоной. Часто это формулируют так: полные зоны не вносят вклада в электропроводность . Однако, когда температура полупроводника поднимается выше абсолютного нуля , в полупроводнике появляется больше энергии, которую можно потратить на колебания решетки и на возбуждение электронов в зону проводимости. Электроны, несущие ток в зоне проводимости, известны как свободные электроны , хотя их часто называют просто электронами, если это ясно из контекста.
Плотность тока — это скорость, с которой заряд проходит через выбранную единицу площади. [25] : 31 Он определяется как вектор , величина которого равна силе тока на единицу площади поперечного сечения. [2] : 749 Как обсуждалось в разделе «Опорное направление», направление является произвольным. Условно, если движущиеся заряды положительны, то плотность тока имеет тот же знак, что и скорость зарядов. Для отрицательных зарядов знак плотности тока противоположен скорости движения зарядов. [2] : 749 В единицах СИ плотность тока (символ: j) выражается в базовых единицах СИ — амперах на квадратный метр. [4] : 22
В линейных материалах, таких как металлы, и при низких частотах плотность тока по поверхности проводника одинакова. В таких условиях закон Ома гласит, что ток прямо пропорционален разности потенциалов между двумя концами (поперек) этого металлического (идеального) резистора (или другого омического устройства ):
где сила тока, измеряемая в амперах; – разность потенциалов , измеряемая в вольтах ; и – сопротивление , измеряемое в Омах . Для переменных токов , особенно на более высоких частотах, скин-эффект приводит к неравномерному распределению тока по поперечному сечению проводника с более высокой плотностью вблизи поверхности, что увеличивает кажущееся сопротивление.
Подвижные заряженные частицы внутри проводника постоянно движутся в случайных направлениях, подобно частицам газа . (Точнее, ферми-газ .) Чтобы создать чистый поток заряда, частицы также должны двигаться вместе со средней скоростью дрейфа. Электроны являются носителями заряда в большинстве металлов и следуют по хаотичной траектории, прыгая от атома к атому, но обычно дрейфуя в направлении, противоположном электрическому полю. Скорость, с которой они дрейфуют, можно рассчитать по уравнению:
Обычно электрические заряды в твердых телах текут медленно. Например, в медном проводе сечением 0,5 мм 2 , по которому протекает ток 5 А, скорость дрейфа электронов составляет порядка миллиметра в секунду. Возьмем другой пример: в почти вакууме внутри электронно-лучевой трубки электроны движутся почти по прямым линиям со скоростью примерно в десятую часть скорости света .
Любой ускоряющийся электрический заряд и, следовательно, любой изменяющийся электрический ток порождают электромагнитную волну, которая распространяется с очень большой скоростью за пределы поверхности проводника. Эта скорость обычно составляет значительную часть скорости света, как можно вывести из уравнений Максвелла , и поэтому во много раз превышает скорость дрейфа электронов. Например, в линиях электропередачи переменного тока волны электромагнитной энергии распространяются через пространство между проводами, перемещаясь от источника к удаленной нагрузке , хотя электроны в проводах движутся вперед и назад только на небольшое расстояние.
Отношение скорости электромагнитной волны к скорости света в свободном пространстве называется коэффициентом скорости и зависит от электромагнитных свойств проводника и окружающих его изоляционных материалов, а также от их формы и размеров.
Величины (а не природа) этих трех скоростей можно проиллюстрировать аналогией с тремя аналогичными скоростями, связанными с газами. (См. также гидравлическую аналогию .)
«Интенсивность тока» обычно называют самим «током».
Закон Ома, ток, пропорциональный сопротивлению напряжению.
Закон Ома ток прямо пропорционален.
