Конвертер величин

Перевести одиниці: ампер на міліметр [А/мм] в міліампер на міліметр [мА/мм]

Microphones and Their Specifications

Лінійна, поверхнева і об’ємна густина струму

Вступ

Заряди, поміщені в електростатичне поле з різницею потенціалів приходять в рух. Цей рух називається електричним струмом, який визначається як направлений (впорядкований) рух заряджених частинок через будь-який поперечний переріз середовища, яке проводить електричний струм. Величина цього струму залежить від опору провідного середовища цьому рухові зарядів, яка, в свою чергу, залежить від поперечного перерізу провідника.

Слід зазначити, що в електротехніці основні фізичний величини, тобто одиниця виміру сили електричного струму ампер і одиниця виміру електричного заряду кулон часто бувають пов’язані між собою за допомогою одиниці довжини — метра. І це неспроста. Заряд, який протікає через поперечний переріз провідного середовища, часто буває розподілено нерівномірно. Тому цілком природно було б визначати потік заряджених частинок через одиничний поперечний переріз або одиничну довжину, іншими словами визначати густину струму. У цій статті ми порівняємо електричний струм і густину струму, а також розглянемо важливість досягнення, підтримки і вимірювання необхідної густини струму в різних областях електротехніки та електронної техніки.

Терміни

Електричний струм

Електричний струм I визначається як спрямований рух електричних зарядів уздовж лінії (наприклад, тонкого дроту), по поверхні (наприклад, по листу провідного матеріалу) або в обсязі (наприклад, в електронній або газорозрядної лампи). В СІ одиницею вимірювання електричного струму є ампер, який визначається як потік електричних зарядів через поперечний переріз провідника зі швидкістю один кулон в секунду.

Об’ємна густина струму

Густина струму (звана також об’ємною густиною струму) являє собою векторне поле в тривимірному провідному просторі. У кожній точці такого простору густину струму являє собою повний потік електричних зарядів в одиницю часу, що проходить через одиничний поперечний переріз. Позначається об’ємна густина векторним символом J. Якщо ми розглянемо звичайний випадок провідника зі струмом, то струм в амперах ділиться на поперечний переріз провідника. В СІ об’ємна густина струму вимірюється в амперах на квадратний метр (А/м²).

Наприклад, якщо по потужної шині електричної підстанції з поперечним перерізом 3 х 33,3 мм = 100 мм² = 0,0001 м² тече струм 50 ампер, то густина струму в такому провіднику становитиме 500 000 А/м².

Лінійна густина струму

Іноді в електронних пристроях струм тече через дуже тонку плівку металу або тонкий шар металу, що має змінну товщину. У таких випадках дослідників і конструкторів цікавлять тільки ширина, а не загальний поперечний переріз таких дуже тонких провідників. У цьому випадку вони вимірюють лінійну густину струму — векторну величину, рівну границі твору густини струму провідності, що протікає в тонкому шарі біля поверхні тіла, на товщину цього шару, коли остання прямує до нуля (це визначення по ГОСТ 19880-74). У Міжнародній системі одиниць (СІ) лінійна густина струму вимірюється в амперах на метр і в системі СГС в ерстедах. 1 eрстед дорівнює напруженості магнітного поля в вакуумі при індукції 1 гаус. Інакше лінійну густину струму визначають як струм, який припадає на одиницю довжини в напрямку, перпендикулярному току.

Наприклад, якщо струм величиною 100 мА тече в тонкому провіднику шириною 1 мм, то лінійна густина струму дорівнює 0,0001 A : 0,001 m = 10 ампер на метр (А/м). Лінійна густина струму позначається векторним символом А.

Поверхнева густина струму

Лінійна густина струму тісно пов’язана з поняттям поверхневої густини струму, яка визначається як сила електричного струму, що протікає через поперечний переріз провідного середовища одиничної площі і позначається векторним символом K. Як і лінійна густина струму, поверхнева густина струму також є векторною величиною, модуль якої є електричний струм через поперечний переріз провідного середовища в даному місці, а напрямок перпендикулярно до площі поперечного перерізу провідника. Такий провідним середовищем може бути, наприклад, провідник зі струмом, електроліт або іонізований газ. В системі СІ густина струму вимірюється в амперах на квадратний метр.

Вектор або скаляр?

Відзначимо, що на відміну від векторної густини струму, сам струм є скалярною величиною. Це можна пояснити тим фактом, що струм визначається як кількість зарядів, які прямують в одиницю часу; тому було б недоцільно додавати напрямок до величини, що представляє кількість в одиницю часу. Водночас, густина струму розглядається в обсязі з безліччю поперечних перерізів, через які проходить струм, тому має сенс визначати густину струму як вектор або як векторний простір. Можна також відзначити, що густина струму є вектором у зв`язку з тим, що це твір густини заряду на швидкість його переміщення в будь-якому місці простору.

Густина струму в електротехніці і електроніці

Висока лінійна густина струму в проводах призводить до неприємних наслідків. Всі провідники електричного струму мають кінцевий опір, через який при протіканні струму вони нагріваються і розсіюють енергію в формі тепла. У зв`язку з цим густина струму повинна підтримуватися невисокою, щоб провідник при експлуатації не нагрівався вище допустимої температури і, тим більше, не розплавлявся. Перегрів може привести до руйнування ізоляції або зміни електричних властивостей, наприклад, через утворення оксидного шару. Такий оксидний шар зменшує поперечний переріз провідника, що, в свою чергу, веде до ще більшого збільшення густини струму через провідник.

Мікропроцесор Pentium P54CS містить 3,3 мільйона транзисторів на кристалі площею 90 кв. міліметрів або близько 40 тисяч транзисторів на квадратний міліметр

Лінійна густина струму широко використовується при розрахунку і конструюванні електронних і електричних систем. Вона важлива, наприклад, при розрахунку інтегральних мікросхем, щільність елементів яких (кількість елементів на одиницю об’єму) постійно підвищується. Незважаючи на те, що кожен елемент споживає дуже малі струми, густини струму в мікросхемі можуть бути дуже високими для досягнення максимально можливої кількості елементів в одній мікросхемі. На зорі розвитку мікроелектроніки кількість елементів в інтегральних схемах подвоювалася кожен рік. Зараз (в 2016 році) воно подвоюється приблизно раз в два роки. Ця закономірність називається Законом Мура на ім’я одного із засновників Intel, який в 1965 році прийшов до висновку про експоненціальне зростання продуктивності обчислювальних пристроїв і зробив відповідний прогноз на найближчі десять років. Пізніше, в 1975 році, Мур переглянув свій прогноз і передбачив, що продуктивність мікропроцесорів буде подвоюватися кожні два роки.

Наприклад, у випущеному в 1971 році четирехбітному мікропроцесорі Intel 4004 було всього 2300 транзисторів на кристалі площею 3х4 мм або 12 кв. мм, що становило всього близько 200 транзисторів на квадратний міліметр. Для порівняння, у випущеному в 2013 році 12-ядерному процесорі Power8 4,2 мільярда транзисторів розташовуються на кристалі розміром 650 кв. мм. Тобто на кожному кв. міліметрі розташовано близько 6,5 млн. транзисторів. При цьому кожен транзистор споживає певний, хоч і вельми малий струм. Оскільки всі вони розташовані в дуже малому обсязі, на повний зріст постає проблема охолодження таких мікросхем.

Котушки магнітних антен радіомовних приймачів середньохвильового і довгохвильового діапазонів зазвичай намотують літцендратом в шовкової чи іншої ізоляції для зменшення втрат, пов’язаних зі скін-ефектом

На змінному струмі, особливо на високих частотах, провідна зона проводів знаходиться тільки в їх поверхневому шарі, в результаті чого збільшується щільність струму в проводах, що призводить до втрат енергії на нагрів або навіть на розплавлення дроту. Це явище зменшення амплітуди електромагнітних хвиль у міру їх проникнення вглиб провідника називається скін-ефектом або поверхневим ефектом. Для зменшення втрат на високих частотах провідники покривають сріблом або золотом — матеріалами з малим питомим опором. Також часто замість одного товстого дроту використовують кілька (від трьох до тисячі і більше) ізольованих тонких проводів (літцендрата). Зокрема, саме літцендратом намотують котушки індуктивності в індукційних печах.

При високій густині струму відбувається реальне переміщення матеріалів в з’єднаннях, зване електроміграцєю. Таке переміщення викликано дрейфом іонів матеріалу, що виникає внаслідок обміну кількістю руху при зіткненнях між носіями провідності і атомної решіткою провідника. Ефект електроміграціі грає істотну роль в тих випадках, коли струми мають велику щільність, наприклад, все в тій же мікроелектроніці, про яку говорилося вище. Чим більша досягнута щільність великих інтегральних мікросхем, тим помітніший цей ефект. В результаті електроміграціі може статися як повне руйнування провідника, так і виникнути новий провідник там, де його не повинно бути, тобто відбувається коротке замикання. Таким чином, підвищена густина струму призводить до зменшення надійності інтегральних схем. При конструюванні мікросхем зазвичай враховують вплив електроміграціі, тому сучасні мікросхеми великому ступені інтеграції рідко виходять з ладу з цієї причини.

Термін «густина струму» або, більш конкретно, поверхнева густина струму в мА/см², що виробляється одиничної площею фотоелемента сонячної батареї, часто використовується в описі характеристик сонячних батарей. Густина струму короткого замикання фотоелемента є важливою характеристикою ефективності перетворення сонячної енергії в електричну. Такий підхід корисний для порівняння сонячних батарей різних виробників. У той час, як напруга сонячної батареї визначається кількістю індивідуальних фотоелементів, струм, що віддає батарея, залежить головним чином від площі поверхні батареї, що освітлюється сонячним світлом, і ефективності фотоелементів. Фотоелементи часто випускаються розміром 100 × 100 мм = 100 см² і дозволяють отримати струм 3,5 А або густина струму 3,5 : 100 = 35 мА/см² від кожного фотоелемента. Відзначимо, що визначення поверхневої густини струму в фотоелементах відрізняється від наведеного вище визначення поверхневої густини струму.

Хромована душова головка; поверхня пластмаси спочатку покривається в гальванічної ванні шаром міді, потім нікелю і останнім наноситься шар хрому

Густина струму є однією з основних характеристик, що визначають якість виробів з гальванічним покриттям хромом і іншими металами. При хромування на виріб з металу або пластмаси наноситься тонкий шар хрому, який має декоративні властивості і високу стійкість до корозії. Хромування використовується також для збільшення твердості і зносостійкості поверхонь і для зменшення тертя і підвищення стійкості до корозії в парах тертя, що працюють в жорстких умовах. Також хромування застосовується для нарощування зношених поверхонь деталей з метою відновлення їх початкових розмірів.

Для використання в автомобільній промисловості на сталеві вироби наносять кілька гальванічних покриттів, які забезпечують стійкість деталей до змін температури і вологості при експлуатації на відкритому повітрі. Зазвичай використовується потрійне покриття: перший шар міді, потім нікель і, нарешті, хром. Температура і густина струму у ванні впливає на однорідність хромового покриття, що забезпечує його чистоту, і, отже, відбивну здатність.

Вимірювання густини струму

Гальванічна ванна, в якій наносяться покриття металами — якраз те місце, де необхідно вимірювати густина струму в рідкому провідному середовищі — електроліті в гальванічної ванні. При цьому необхідно розрахувати або виміряти площу поверхні, що покривається металом деталі, а також виміряти струм, що протікає в ванні від анода до деталі. Випускаються прилади, що дозволяють безпосередньо виміряти густину струму в будь-якій точці ванни. Вони дозволяють працівникам гальванічного цеху точно виміряти як йде процес покриття металом в кожної точки виробу. Вимірювач густини струму електроліту найчастіше складається з датчика з маленькою тороідальною котушкою і вимірювального блоку з дисплеєм, який вимірює струм, індукований в котушці струмом в електроліті всередині неї. Процесор таких приладів визначає значення густини струму в точці вимірювання виходячи з виміряного струму і площі котушки і виводить його на дисплей прямо в А/фут² або A/дм².

Ще одним прикладом вимірювання густини струму є сонячні батареї. Зазвичай густини струмів короткого замикання розподілені нерівномірно по поверхні фотоелементів. Відмінності в густині струму можуть бути обумовлені різними термінами існування носіїв в фотоелементі, різними відстанями до виводів і іншими факторами. Дослідникам цікаво отримати карту розподілу густини струмів по всій площі фотоелемента. Для вимірювання густини струму фотоелемент освітлюють дуже вузьким потоком електронів або променем світла, який сканує поверхню фотоелемента. При цьому реєструється виникаючий фотострум. Таким чином створюється карта щільності струму, яку в подальшому можна використовувати для оптимізації пристрою.

Перетворення міліампер в ампер: все, що вам потрібно знати

Ласкаво просимо до Polarities! Цього разу ми заглибимося в захоплюючий світ електроніки та дізнаємося все, що вам потрібно знати про перетворення міліампер в ампер. Якщо ви коли-небудь задавалися питанням, як виконати це перетворення точно та легко, ви потрапили в потрібне місце. У цій статті ми розберемо всі ключові поняття та надамо вам необхідні інструменти, щоб ви могли ефективно виконувати це перетворення. Ви готові поринути у всесвіт електричних струмів? Читайте далі та дізнайтеся все, що вам потрібно знати про перетворення міліампер в ампер!

Простий метод перетворення мА в ампер: дізнайтеся, як це зробити всього за кілька кроків!

Якщо ви шукаєте швидкий і простий спосіб перетворити мА в ампер, ви в потрібному місці. У цій статті я покажу вам простий метод, який дозволить вам виконати це перетворення всього за кілька кроків. Не хвилюйтеся, якщо ви не фахівець з фізики, цей метод простий у застосуванні!

Перш ніж почати, важливо зрозуміти, які одиниці вимірювання ми використовуємо. мА — це скорочення від міліампер, одиниці електричного струму. З іншого боку, ампер є основною одиницею електричного струму в Міжнародній системі одиниць (СІ).

Тепер давайте подивимося, як ми можемо перетворити мА в ампер за допомогою наступного методу:

1. Визначте значення в мА, яке потрібно перетворити в ампери. Наприклад, припустимо, що ми маємо значення 500 мА.

2. Розділіть значення мА на 1000. Це пояснюється тим, що 1000 ампер містить 1 мА. Слідуючи нашому прикладу, ми розділимо 500 на 1000, що дасть нам 0.5.

3. Готовий! Результатом цього ділення є еквівалентне значення в амперах. У нашому прикладі 500 мА еквівалентно 0.5 ампера.

Висновок
Перетворення мА в ампер — це простий процес, який вимагає лише кількох кроків. Розділивши значення в мА на 1000, ми отримаємо еквівалентне значення в амперах. Пам’ятайте, що це перетворення корисно, коли нам потрібно виразити значення електричного струму в різних одиницях.

Сподіваюся, цей спосіб був вам корисний і допоміг зрозуміти, як швидко і легко перевести мА в ампер. Тепер ви зможете виконувати ці перетворення без проблем!

Ключі до розрізнення між амперами та міліамперами: як ви знаєте, що є що?

Говорячи про електрику, зазвичай зустрічаються такі терміни, як ампер і міліампер. Ці одиниці вимірювання використовуються для кількісного визначення сили електричного струму. Однак важливо розуміти різницю між обома поняттями та знати, як визначити, що є що. У цій статті ми надамо вам необхідні ключі, щоб розрізнити ампер і міліампер.

Ампер, позначений літерою «А», є стандартною одиницею вимірювання, яка використовується для кількісного визначення сили електричного струму. Один ампер еквівалентний струму в один кулон за секунду. Іншими словами, ампер – це кількість електричного заряду, який проходить через провідник за одну секунду.

Міліампер, позначений буквою «мА», є субодиницею ампер. Один міліампер дорівнює одній тисячній ампера, що означає, що 1000 міліампер дорівнює 1 амперу.

Як відрізнити ампер від міліампера?

Щоб розрізнити ампер і міліампер, важливо звернути увагу на використовувану шкалу вимірювання. Якщо значення електричного струму виражається в амперах, буде використовуватися одиниця «А». Наприклад, якщо ми посилаємося на струм 2 ампера, це буде написано як «2A».

З іншого боку, якщо значення електричного струму виражається в міліамперах, буде використовуватися одиниця «мА». Наприклад, якщо ми посилаємося на струм 500 міліампер, це буде написано як «500 мА».

Важливо мати на увазі, що ампери та міліампери використовуються в різних контекстах і застосуваннях. Ампери зазвичай використовуються в ланцюгах з більшою потужністю, а міліампери використовуються в ланцюгах з меншою потужністю, наприклад у електронних пристроях малої потужності.

Співвідношення між амперами та міліамперами: скільки ампер еквівалентно 1 мАг?

Співвідношення між амперами та міліамперами є фундаментальною темою в галузі електрики. Щоб зрозуміти цю залежність, ми повинні спочатку зрозуміти, що таке ампер і що таке міліампер.

Один ампер (A) Це основна одиниця вимірювання електричного струму в Міжнародній системі одиниць (СІ). Він являє собою кількість електричного заряду, який проходить через провідник за одну секунду. Це міра сили електричного струму.

Крім того, один міліампер (мА) Це субодиниця ампера. Він еквівалентний одній тисячній ампера, тобто 0.001 А. Його зазвичай використовують для вимірювання слабких струмів, таких як ті, що зустрічаються в електронних пристроях і акумуляторах.

Тепер, скільки ампер еквівалентно 1 мАг?

Відповідь така 1 мАг еквівалентний 0.001 ампера. Це тому, що міліампер становить одну тисячну частину ампера. Отже, якщо ми помножимо 1 мАг на коефіцієнт перетворення 0.001, ми отримаємо еквівалентність в амперах.

Важливо відзначити, що це співвідношення справедливо тільки для постійних електричних струмів. У випадках, коли є коливання струму або складніші схеми, можуть знадобитися додаткові розрахунки.

Дозвольте мені показати вам, що перетворити міліампер в ампер не так складно, як здається! Якщо ви ще не збожеволіли з розрахунками, вам пощастило. Настав час попрощатися з міліамперами і вітаємо підсилювачі! Тепер ви можете вразити своїх друзів своїми знаннями в електриці та похвалитися тим, що вмієте перетворювати струми, як справжній експерт. Отже, тепер ви знаєте, дістаньте свій калькулятор і конвертуйте, ніби завтра не буде! До побачення, міліампер, привіт, ампер!

Подробнее об электрическом токе

Современному комфорту нашей жизни мы обязаны именно электрическому току. Он освещает наши жилища, генерируя излучение в видимом диапазоне световых волн, готовит и подогревает пищу в разнообразных устройствах вроде электроплиток, микроволновых печей, тостеров, избавляя нас от необходимости поиска топлива для костра. Благодаря ему мы быстро перемещаемся в горизонтальной плоскости в электричках, метро и поездах, перемещаемся в вертикальной плоскости на эскалаторах и в кабинах лифтов. Теплу и комфорту в наших жилищах мы обязаны именно электрическому току, который течёт в кондиционерах, вентиляторах и электрообогревателях. Разнообразные электрические машины, приводимые в действие электрическим током, облегчают наш труд, как в быту, так и на производстве. Воистину мы живём в электрическом веке, поскольку именно благодаря электрическому току работают наши компьютеры и смартфоны, Интернет и телевидение, и другие умные электронные устройства. Недаром человечество столько усилий прилагает для выработки электричества на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях — электричество само по себе является самой удобной формой энергии.

Как бы это парадоксально не звучало, но идеи практического использования электрического тока одними из первых взяла на вооружение самая консервативная часть общества — флотские офицеры. Понятно, пробиться наверх в этой закрытой касте было сложным делом, трудно было доказать адмиралам, начинавшим юнгами на парусном флоте, необходимость перехода на цельнометаллические корабли с паровыми двигателями, поэтому младшие офицеры всегда делали ставку на нововведения. Именно успех применения брандеров во время русско-турецкой войны в 1770 году, решившими исход сражения в Чесменской бухте, поставил вопрос о защите портов не только береговыми батареями, но и более современными на тот день средствами защиты — минными заграждениями.

Разработка подводных мин различных систем велась с начала 19-го века, наиболее удачными конструкциями стали автономные мины, приводимые в действие электричеством. В 70-х гг. 19-го века немецким физиком Генрихом Герцем было изобретено устройство для электрической детонации якорных мин с глубиной постановки до 40 м. Её модификации знакомы нам по историческим фильмам на военно-морскую тематику — это печально известная «рогатая» мина, в которой свинцовый «рог», содержащий ампулу, наполненную электролитом, сминался при контакте с корпусом судна, в результате чего начинала работать простейшая батарея, энергии которой было достаточно для детонации мины.

Моряки первыми оценили потенциал тогда ещё несовершенных мощных источников света — модификаций свечей Яблочкова, у которых источником света служила электрическая дуга и светящийся раскалённый положительный угольный электрод — для использования в целях сигнализации и освещения поля боя. Использование прожекторов давало подавляющее преимущество стороне, применивших их в ночных сражениях или просто использующих их как средство сигнализации для передачи информации и координации действий морских соединений. А оснащённые мощными прожекторами маяки упрощали навигацию в прибрежных опасных водах.

Не удивительно, что именно флот принял на ура способы беспроводной передачи информации — моряков не смущали большие размеры первых радиостанций, поскольку помещения кораблей позволяли разместить столь совершенные, хотя на тот момент и весьма громоздкие, устройства связи.

Электрические машины помогали упростить заряжание корабельных пушек, а электрические силовые агрегаты поворота орудийных башен повышали маневренность нанесения пушечных ударов. Команды, передаваемые по корабельному телеграфу, повышали оперативность взаимодействия всей команды, что давало немалое преимущество в боевых столкновениях.

Самым ужасающим применением электрического тока в истории флота было использование рейдерских дизель-электрических подлодок класса U Третьим Рейхом. Субмарины «Волчьей стаи» Гитлера потопили много судов транспортного флота союзников — достаточно вспомнить о печальной судьбе конвоя PQ-17.

Британским морякам удалось добыть несколько экземпляров шифровальных машин «Энигма» (Загадка), а британская разведка успешно расшифровала её код. Один из выдающихся ученых, который над этим работал — Алан Тьюринг, известный своим вкладом в основы информатики. Получив доступ к радиодепешам адмирала Дёница, союзный флот и береговая авиация смогли загнать «Волчью стаю» обратно к берегам Норвегии, Германии и Дании, поэтому операции с применением подлодок с 1943 года были ограничены краткосрочными рейдами.

Гитлер планировал оснастить свои подлодки ракетами Фау-2 для атак на восточное побережье США. К счастью, стремительные атаки союзников на Западном и Восточном фронтах не позволили этим планам осуществиться.

Современный флот немыслим без авианосцев и атомных подводных лодок, энергонезависимость которых обеспечивается атомными реакторами, удачно сочетающими в себе технологии 19-го века пара, технологии 20-го века электричества, и атомные технологии 21-го века. Реакторы атомоходов генерируют электрический ток в количестве, достаточном для обеспечения жизнедеятельности целого города.

Помимо этого, моряки вновь обратили своё внимание на электричество и апробируют применение рельсотронов — электрических пушек для стрельбы кинетическими снарядами, имеющими огромную разрушительную силу.

Историческая справка

С появлением надёжных электрохимических источников постоянного тока, разработанных итальянским физиком Алессандро Вольта, целая плеяда замечательных учёных из разных стран занялись исследованием явлений, связанных с электрическим током, и разработкой его практического применения во многих областях науки и техники. Достаточно вспомнить немецкого учёного Георга Ома, сформулировавшего закон протекания тока для элементарной электрической цепи; немецкого физика Густава Роберта Кирхгофа, разработавшего методы расчёта сложных электрических цепей; французского физика Андре Мари Ампера, открывшего закон взаимодействия для постоянных электрических токов. Работы английского физика Джеймса Прескотта Джоуля и российского учёного Эмиля Христиановича Ленца, привели, независимо друг от друга, к открытию закона количественной оценки теплового действия электрического тока.

Дальнейшим развитием исследования свойств электрического тока были работы британского физика Джеймса Кларка Максвелла, заложившего основы современной электродинамики, которые ныне известны как уравнения Максвелла. Также Максвелл разработал электромагнитную теорию света, предсказав многие явления (электромагнитные волны, давление электромагнитного излучения). Позднее немецкий учёный Генрих Рудольф Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн; его работы по исследованию отражения, интерференции, дифракции и поляризации электромагнитных волн легли в основу создания радио.

Работы французских физиков Жана-Батиста Био и Феликса Савара, экспериментально открывшими проявления магнетизма при протекании постоянного тока, и замечательного французского математика Пьера-Симона Лапласа, обобщившего их результаты в виде математической закономерности, впервые связали две стороны одного явления, положив начало электромагнетизму. Эстафету от этих учёных принял гениальный британский физик Майкл Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции и положивший начало современной электротехнике.

Огромный вклад в объяснение природы электрического тока внёс нидерландский физик-теоретик Хендрик Антон Лоренц, создавший классическую электронную теорию и получивший выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля.

Электрический ток. Определения

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. В силу этого ток определяется как количество зарядов, прошедшее через сечение проводника в единицу времени:

I = q / t где q — заряд в кулонах, t — время в секундах, I — ток в амперах

Другое определение электрического тока связано со свойствами проводников и описывается законом Ома:

I = U/R где U — напряжение в вольтах, R — сопротивление в омах, I — ток в амперах

Электрический ток измеряется в амперах (А) и его десятичных кратных и дольных единицах — наноамперах (миллиардная доля ампера, нА), микроамперах (миллионная доля ампера, мкА), миллиамперах (тысячная доля ампера, мА), килоамперах (тысячах ампер, кА) и мегаамперах (миллионах ампер, МА).

Размерность тока в системе СИ определяется как

Особенности протекания электрического тока в различных средах. Физика явлений

Электрический ток в твердых телах: металлах, полупроводниках и диэлектриках

При рассмотрении вопроса протекания электрического тока надо учитывать наличие различных носителей тока — элементарных зарядов — характерных для данного физического состояния вещества. Само по себе вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным. Уникальным примером таких состояний, наблюдаемых в обычных условиях, могут служить состояния дигидрогена монооксида, или, иначе, гидроксида водорода, а попросту — обыкновенной воды. Мы наблюдаем её твердую фазу, доставая кусочки льда из морозильника для охлаждения напитков, основой для большей части которых является вода в жидком состоянии. А при заварке чая или растворимого кофе мы заливаем его кипятком, причём готовность последнего контролируется появлением тумана, состоящего из капелек воды, которая конденсируется в холодном воздухе из газообразного водяного пара, выходящего из носика чайника.

Существует также четвёртое состояние вещества, называемое плазмой, из которой состоят верхние слои звёзд, ионосфера Земли, пламя, электрическая дуга и вещество в люминесцентных лампах. Высокотемпературная плазма с трудом воспроизводится в условиях земных лабораторий, поскольку требует очень высоких температур — более 1 000 000 K.

Эти высоковольтные воздушные коммутаторы содержат две основные детали: рубильник и изолятор, который устанавливаются в разрыв провода

С точки зрения структуры твёрдые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. Кристаллические вещества имеют упорядоченную геометрическую структуру; атомы или молекулы такого вещества образуют своеобразные объёмные или плоские решётки; к кристаллическим материалам относятся металлы, их сплавы и полупроводники. Та же вода в виде снежинок (кристаллов разнообразных не повторяющих форм) прекрасно иллюстрирует представление о кристаллических веществах. Аморфные вещества кристаллической решётки не имеют; такое строение характерно для диэлектриков.

В обычных условиях ток в твёрдых материалах протекает за счёт перемещения свободных электронов, образующихся из валентных электронов атомов. С точки зрения поведения материалов при пропускании через них электрического тока, последние подразделяются на проводники, полупроводники и изоляторы. Свойства различных материалов, согласно зонной теории проводимости, определяются шириной запрещённой зоны, в которой не могут находиться электроны. Изоляторы имеют самую широкую запрещённую зону, иногда достигающую 15 эВ. При температуре абсолютного нуля у изоляторов и полупроводников электронов в зоне проводимости нет, но при комнатной температуре в ней уже будет некоторое количество электронов, выбитых из валентной зоны за счет тепловой энергии. В проводниках (металлах) зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому при температуре абсолютного нуля имеется достаточно большое количество электронов — проводников тока, что сохраняется и при более высоких температурах материалов, вплоть до их полного расплавления. Полупроводники имеют небольшие запрещённые зоны, и их способность проводить электрический ток сильно зависит от температуры, радиации и других факторов, а также от наличия примесей.

Трансформатор с магнитопроводом из пластин. На краях хорошо видны Ш-образные и замыкающие пластины из трансформаторной стали

Отдельным случаем считается протекание электрического тока через так называемые сверхпроводники — материалы, имеющие нулевое сопротивление протеканию тока. Электроны проводимости таких материалов образуют ансамбли частиц, связанные между собой за счёт квантовых эффектов.

Изоляторы, как следует из их названия, крайне плохо проводят электрический ток. Это свойство изоляторов используется для ограничения протекания тока между проводящими поверхностями различных материалов.

Помимо существования токов в проводниках при неизменном магнитном поле, при наличии переменного тока и связанного с ним переменного магнитного поля возникают эффекты, связанные с его изменением или так называемые «вихревые» токи, иначе называемые токами Фуко. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи, которые не текут по определённым путям в проводах, а, замыкаясь в проводнике, образуют вихревые контуры.

Вихревые токи проявляют скин-эффект, сводящийся к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника, что приводит к потерям энергии. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют разделение магнитопроводов переменного тока на отдельные, электрически изолированные, пластины.

Электрический ток в жидкостях (электролитах)

Все жидкости, в той или иной мере, способны проводить электрический ток при приложении электрического напряжения. Такие жидкости называются электролитами. Носителями тока в них являются положительно и отрицательно заряженные ионы — соответственно катионы и анионы, которые существуют в растворе веществ вследствие электролитической диссоциации. Ток в электролитах за счёт перемещения ионов, в отличие от тока за счёт перемещения электронов, характерного для металлов, сопровождается переносом вещества к электродам с образованием вблизи них новых химических соединений или осаждением этих веществ или новых соединений на электродах.

Это явление заложило основу современной электрохимии, дав количественные определения грамм-эквивалентам различных химических веществ, тем самым превратив неорганическую химию в точную науку. Дальнейшее развитие химии электролитов позволило создать однократно заряжаемые и перезаряжаемые источники химического тока (сухие батареи, аккумуляторы и топливные элементы), которые, в свою очередь, дали огромный толчок в развитии техники. Достаточно заглянуть под капот своего автомобиля, чтобы увидеть результаты усилий поколений учёных и инженеров-химиков в виде автомобильного аккумулятора.

Большое количество технологических процессов, основанных на протекании тока в электролитах, позволяет не только придать эффектный вид конечным изделиям (хромирование и никелирование), но и защитить их от коррозии. Процессы электрохимического осаждения и электрохимического травления составляют основу производства современной электроники. Ныне это самые востребованные технологические процессы, число изготавливаемых компонентов по этим технологиям исчисляется десятками миллиардов единиц в год.

Электрический ток в газах

Электрический ток в газах обусловлен наличием в них свободных электронов и ионов. Для газов, в силу их разрежённости, характерна большая длина пробега до столкновения молекул и ионов; из-за этого протекание тока в нормальных условиях через них относительно затруднено. То же самое можно утверждать относительно смесей газов. Природной смесью газов является атмосферный воздух, который в электротехнике считается неплохим изолятором. Это характерно и для других газов и их смесей при обычных физических условиях.

Протекание тока в газах очень сильно зависит от различных физических факторов, как-то: давления, температуры, состава смеси. Помимо этого, действие оказывают различного рода ионизирующие излучения. Так, например, будучи освещёнными ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, или находясь под действием катодных или анодных частиц или частиц, испускаемых радиоактивными веществами, или, наконец, под действием высокой температуры, газы приобретают свойство лучше проводить электрический ток.

Эндотермический процесс образования ионов в результате поглощения энергии электрически нейтральными атомами или молекулами газа называется ионизацией. Получив достаточную энергию, электрон или несколько электронов внешней электронной оболочки, преодолевая потенциальный барьер, покидают атом или молекулу, становясь свободными электронами. Атом или молекула газа становятся при этом положительно заряженными ионами. Свободные электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, образуя отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы могут обратно захватывать свободные электроны при столкновении, становясь при этом опять электрически нейтральными. Этот процесс называется рекомбинацией.

Прохождение тока через газовую среду сопровождается изменением состояния газа, что предопределяет сложный характер зависимости тока от приложенного напряжения и, в общем, подчиняется закону Ома только при малых токах.

Различают несамостоятельный и самостоятельные разряды в газах. При несамостоятельном разряде ток в газе существует только при наличии внешних ионизирующих факторов, при их отсутствии сколь-нибудь значительного тока в газе нет. При самостоятельном разряде ток поддерживается за счёт ударной ионизации нейтральных атомов и молекул при столкновении с ускоренными электрическим полем свободными электронами и ионами даже после снятия внешних ионизирующих воздействий.

Несамостоятельный разряд при малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе называется тихим разрядом. При повышении напряжения сила тока сначала увеличивается пропорционально напряжению (участок ОА на вольт-амперной характеристике тихого разряда), затем рост тока замедляется (участок кривой АВ). Когда все частицы, возникшие под действием ионизатора, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок графика ВС). При дальнейшем повышении напряжения ток снова возрастает, и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд. Разновидность несамостоятельного разряда — тлеющий разряд, который создаёт свет в газоразрядных лампах различного цвета и назначения.

Переход несамостоятельного электрического разряда в газе в самостоятельный разряд характеризуется резким увеличением тока (точка Е на кривой вольт-амперной характеристики). Он называется электрическим пробоем газа.

Все вышеперечисленные типы разрядов относятся к установившимся типам разрядов, основные характеристики которых не зависят от времени. Помимо установившихся разрядов, существуют разряды неустановившиеся, возникающие обычно в сильных неоднородных электрических полях, например у заостренных и искривлённых поверхностей проводников и электродов. Различают два типа неустановившихся разрядов: коронный и искровой разряды.

При коронном разряде ионизация не приводит к пробою, просто он представляет собой повторяющийся процесс поджига несамостоятельного разряда в ограниченном пространстве возле проводников. Примером коронного разряда может служить свечение атмосферного воздуха вблизи высоко поднятых антенн, громоотводов или высоковольтных линий электропередач. Возникновение коронного разряда на линиях электропередач приводит к потерям электроэнергии. В прежние времена это свечение на верхушках мачт было знакомо морякам парусного флота как огоньки святого Эльма. Коронный разряд применяется в лазерных принтерах и электрографических копировальных устройствах, где он формируется коротроном — металлической струной, на которую подано высокое напряжение. Это необходимо для ионизации газа с целью нанесения заряда на фоточувствительный барабан. В данном случае коронный разряд приносит пользу.

Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою и имеет вид прерывистых ярких разветвляющихся, заполненных ионизированным газом нитей-каналов, возникающих и исчезающих, сопровождаемые выделением большого количества теплоты и ярким свечением. Примером естественного искрового разряда может служить молния, где ток может достигать значений в десятки килоампер. Образованию собственно молнии предшествует создание канала проводимости, так называемого нисходящего «тёмного» лидера, образующего совместно с индуцированным восходящим лидером проводящий канал. Молния представляет собой обычно многократный искровой разряд в образованном канале проводимости. Мощный искровой разряд нашёл своё техническое применение также и в компактных фотовспышках, в которых разряд происходит между электродами трубки из кварцевого стекла, наполненной смесью ионизированных благородных газов.

Длительный поддерживаемый пробой газа носит название дугового разряда и применяется в сварочной технике, являющейся краеугольным камнем технологий создания стальных конструкций нашего времени, от небоскрёбов до авианосцев и автомобилей. Он применяется как для сварки, так и для резки металлов; различие в процессах обусловлено силой протекающего тока. При относительно меньших значениях тока происходит сварка металлов, при более высоких значениях тока дугового разряда — идёт резка металла за счёт удаления расплавленного металла из-под электрической дуги различными методами.

Другим применением дугового разряда в газах служат газоразрядные лампы освещения, которые разгоняют тьму на наших улицах, площадях и стадионах (натриевые лампы) или автомобильные галогенные лампы, которые сейчас заменили обычные лампы накаливания в автомобильных фарах.

Электрический ток в вакууме

Вакуум является идеальным диэлектриком, поэтому электрический ток в вакууме возможен только при наличии свободных носителей в виде электронов или ионов, которые генерируются за счёт термо- или фотоэмиссии, или иными методами.

Такие передающие телевизионные камеры использовались в восьмидесятых годах прошлого века. Канадский музей науки и техники, Оттава

Основным методом получения тока в вакууме за счёт электронов является метод термоэлектронной эмиссии электронов металлами. Вокруг разогретого электрода, называемого катодом, образуется облако из свободных электронов, которые и обеспечивают протекание электрического тока при наличии второго электрода, называемого анодом, при условии наличия между ними соответствующего напряжения требуемой полярности. Такие электровакуумные приборы называются диодами и обладают свойством односторонней проводимости тока, запираясь при обратном напряжении. Это свойство применяется для выпрямления переменного тока, преобразуемого системой из диодов в импульсный ток постоянного направления.

Добавление дополнительного электрода, называемого сеткой, расположенной вблизи катода, позволяет получить усилительный элемент триод, в котором малые изменения напряжения на сетке относительно катода позволяют получить значительные изменения протекающего тока, и, соответственно, значительные изменения напряжения на нагрузке, включённой последовательно с лампой относительно источника питания, что и используется для усиления различных сигналов.

Применение электровакуумных приборов в виде триодов и приборов с большим числом сеток различного назначения (тетродов, пентодов и даже гептодов), произвело революцию в деле генерации и усиления радиочастотных сигналов, и привело к созданию современных систем радио и телевещания.

Исторически первым было развитие именно радиовещания, так как методы преобразования относительно низкочастотных сигналов и их передача, равно как и схемотехника приёмных устройств с усилением и преобразованием радиочастоты и превращением её в акустический сигнал были относительно просты.

При создании телевидения для преобразования оптических сигналов применялись электровакуумные приборы — иконоскопы, где электроны эмитировались за счёт фотоэмиссии от падающего света. Дальнейшее усиление сигнала выполнялось усилителями на электронных лампах. Для обратного преобразования телевизионного сигнала служили кинескопы, дающие изображение за счёт флюоресценции материала экрана под воздействием электронов, разгоняемых до высоких энергий под воздействием ускоряющего напряжения. Синхронизированная система считывания сигналов иконоскопа и система развёртки изображения кинескопа создавали телевизионное изображение. Первые кинескопы были монохромными.

В дальнейшем были созданы системы цветного телевидения, в котором считывающие изображение иконоскопы реагировали только на свой цвет (красный, синий или зелёный). Излучающие элементы кинескопов (цветной люминофор), за счёт протекания тока, вырабатываемого так называемыми «электронными пушками», реагируя на попадание в них ускоренных электронов, излучали свет в определённом диапазоне соответствующей интенсивности. Чтобы лучи от пушек каждого цвета попадали на свой люминофор, использовали специальные экранирующие маски.

Современная аппаратура телевидения и радиовещания выполняется на более прогрессивных элементах с меньшим энергопотреблением — полупроводниках.

Одним из широко распространённых методов получения изображения внутренних органов является метод рентгеноскопии, при котором эмитируемые катодом электроны получают столь значительное ускорение, что при попадании на анод генерируют рентгеновское излучение, способное проникать через мягкие ткани тела человека. Рентгенограммы дают в руки медиков уникальную информацию о повреждениях костей, состоянии зубов и некоторых внутренних органов, выявляя даже такое грозное заболевание, как рак лёгких.

Вообще, электрические токи, сформированные в результате движения электронов в вакууме, имеют широчайшую область применения, к которой относятся все без исключения радиолампы, ускорители заряженных частиц, масс-спектрометры, электронные микроскопы, вакуумные генераторы сверхвысокой частоты, в виде ламп бегущей волны, клистронов и магнетронов. Именно магнетроны, кстати, подогревают или готовят нам пищу в микроволновых печах.

Большое значение в последнее время имеет технология нанесения плёночных покрытий в вакууме, которые играют роль как защитно-декоративного, так и функционального покрытия. В качестве таких покрытий применяются покрытия металлами и их сплавами, и их соединениями с кислородом, азотом и углеродом. Такие покрытия изменяют электрические, оптические, механические, магнитные, коррозионные и каталитические свойства покрываемых поверхностей, либо сочетают сразу несколько свойств.

Сложный химический состав покрытий можно получать только с использованием техники ионного распыления в вакууме, разновидностями которой являются катодное распыление или его промышленная модификация — магнетронное распыление. В конечном итоге именно электрический ток за счёт ионов производит осаждение компонентов на осаждаемую поверхность, придавая ей новые свойства.

Именно таким способом можно получать так называемые ионные реактивные покрытия (плёнки нитридов, карбидов, оксидов металлов), обладающих комплексом экстраординарных механических, теплофизических и оптических свойств (с высокой твёрдостью, износостойкостью, электро- и теплопроводностью, оптической плотностью), которые невозможно получить иными методами.

Электрический ток в биологии и медицине

Учебная операционная в Научно-исследовательском институте им. Ли Кашина, Торонто, Канада. Используемые при обучении роботизированные пациенты-манекены умеют моргать, дышать, кричать, демонстрировать симптомы болезней и кровотечения

Знание поведения токов в биологических объектах даёт в руки биологов и медиков мощный метод исследования, диагностики и лечения.

С точки зрения электрохимии все биологические объекты содержат электролиты, вне зависимости от особенностей структуры данного объекта.

При рассмотрении протекания тока через биологические объекты необходимо учитывать их клеточное строение. Существенным элементом клетки является клеточная мембрана — внешняя оболочка, ограждающая клетку от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды за счёт ее избирательной проницаемости для различных веществ. С точки зрения физики, клеточную мембрану можно представить себе в виде параллельного соединения конденсатора и нескольких цепочек из соединенных последовательно источника тока и резистора. Это предопределяет зависимость электропроводности биологического материала от частоты прилагаемого напряжения и формы его колебаний.

Объемное представление нервных путей, соединяющих различные области мозга. Изображение получено с помощью диффузионной тензорной визуализации (ДТВ) — неинвазивного метода исследований мозга.

Биологическая ткань состоит из клеток собственно органа, межклеточной жидкости (лимфы), кровеносных сосудов и нервных клеток. Последние в ответ на воздействие электрического тока отвечают возбуждением, заставляя сокращаться и расслабляться мышцы и кровеносные сосуды животного. Следует отметить, что протекание тока в биологической ткани носит нелинейный характер.

Классическим примером воздействия электрического тока на биологический объект могут служить опыты итальянского врача, анатома, физиолога и физика Луиджи Гальвани, ставшего одним из основателей электрофизиологии. В его опытах пропускание электрического тока через нервы лапки лягушки приводило к сокращению мышц и подергиванию ножки. В 1791 году в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие. Сами явления, открытые Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях назывались «гальванизмом». Этот термин и доныне сохраняется в названии некоторых аппаратов и процессов.

Дальнейшее развитие электрофизиологии тесно связано с нейрофизиологией. В 1875 году независимо друг от друга английский хирург и физиолог Ричард Кэтон и русский физиолог В. Я. Данилевский показали, что мозг является генератором электрической активности, то есть были открыты биотоки мозга.

Биологические объекты в ходе своей жизнедеятельности создают не только микротоки, но и большие напряжения и токи. Значительно раньше Гальвани английский анатом Джон Уолш доказал электрическую природу удара ската, а шотландский хирург и анатом Джон Хантер дал точное описание электрического органа этого животного. Исследования Уолша и Хантера были опубликованы в 1773 году.

Функциональная магнитно-резонансная томография или фМРТ — неинвазивная методика нейровизуализации, позволяющая измерять активность мозга по изменениям в токе крови в кровеносных сосудах

В современной биологии и медицине применяются различные методы исследования живых организмов, как инвазивные, так и неинвазивные.

Классическим примером инвазивных методов является лабораторная крыса с пучком вживлённых в мозг электродов, бегающая по лабиринтам или решающая другие задачки, поставленные перед ней учёными.

К неинвазивным методам относятся такие, всем знакомые исследования, как снятие энцефалограммы или электрокардиограммы. При этом электроды, считывающие биотоки сердца или мозга, снимают токи прямо с кожи обследуемого. Для улучшения контакта с электродами кожа смачивается физиологическим раствором, который является неплохим проводящим электролитом.

Помимо применения электрического тока при научных исследованиях и техническом контроле состояния различных химических процессов и реакций, одним из самых драматических моментов его применения, известного широкой публике, является запуск «остановившегося» сердца какого-либо героя современного фильма.

Действительно, протекание кратковременного импульса значительного тока лишь в единичных случаях способно запустить остановившееся сердце. Чаще всего происходит восстановление его нормального ритма из состояния хаотичных судорожных сокращений, называемого фибрилляцией сердца. Приборы, применяющиеся для восстановления нормального ритма сокращений сердца, называются дефибрилляторами. Современный автоматический дефибриллятор сам снимает кардиограмму, определяет фибрилляцию желудочков сердца и самостоятельно решает – бить током или не бить – может быть достаточно пропустить через сердце небольшой запускающий импульс. Существует тенденция установления автоматических дефибрилляторов в общественных местах, что может существенно сократить количество смертей из-за неожиданной остановки сердца.

У практикующих врачей скорой помощи не возникает никакого сомнения по поводу применения метода дефибрилляции – обученные быстро определять физическое состояние пациента по кардиограмме, они принимают решение значительно быстрее автоматического дефибриллятора, предназначенного для широкой публики.

Тут же уместно будет упомянуть об искусственных водителях сердечного ритма, иначе называемых кардиостимуляторами. Эти приборы вживляются под кожу или под грудную мышцу человека, и такой аппарат через электроды подаёт на миокард (сердечную мышцу) импульсы тока напряжением около 3 В, стимулируя нормальную работу сердца. Современные электрокардиостимуляторы способны обеспечить бесперебойную работу в течение 6–14 лет.

Характеристики электрического тока, его генерация и применение

Электрический ток характеризуется величиной и формой. По его поведению с течением времени различают постоянный ток (не изменяющийся с течением времени), апериодический ток (произвольно изменяющийся с течением времени) и переменный ток (изменяющийся с течением времени по определённому, как правило, периодическому закону). Иногда для решения различных задач требуется одновременное наличие постоянного и переменного тока. В таком случае говорят о переменном токе с постоянной составляющей.

Токамак-де-Варен — токамак-реактор в г. Варен, пров. Квебек в 1981 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Исторически первым появился трибоэлектрический генератор тока, который вырабатывал ток за счёт трения шерсти о кусок янтаря. Более совершенные генераторы тока такого типа сейчас называются генераторами Ван де Граафа, по имени изобретателя первого технического решения таких машин.

Как указывалось выше, итальянским физиком Алессандро Вольта был изобретён электрохимический генератор постоянного тока, ставший предшественником сухих батарей, аккумуляторов и топливных элементов, которые мы пользуемся и поныне как удобными источниками тока для разнообразных устройств — от наручных часов и смартфонов до просто автомобильных аккумуляторов и тяговых аккумуляторов электромобилей Tesla.

Помимо этих генераторов постоянного тока, существуют генераторы тока на прямом ядерном распаде изотопов и магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) тока, которые пока имеют ограниченное применение в силу своей маломощности, слабой технологической основы для широкого применения и по другим причинам. Тем не менее, радиоизотопные источники энергии широко применяются там, где нужна полная автономность: в космосе, на глубоководных аппаратах и гидроакустических станциях, на маяках, бакенах, а также на Крайнем Севере, в Арктике и Антарктике.

В электротехнике генераторы тока подразделяются на генераторы постоянного тока и генераторы переменного тока.

Все эти генераторы основаны на явлении электромагнитной индукции, открытой Майклом Фарадеем в 1831 году. Фарадей построил первый маломощный униполярный генератор, дающий постоянный ток. Первый генератор переменного тока был предложен анонимным автором под латинскими инициалами Р.М. в письме к Фарадею в 1832 году. После опубликования письма, Фарадей получил благодарственное письмо от того же анонима со схемой усовершенствованного генератора в 1833 году, в котором использовалось дополнительное стальное кольцо (ярмо) для замыкания магнитных потоков сердечников обмоток.

Однако в то время для переменного тока еще не нашлось применения, так как для всех практических применений электричества того времени (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели) требовался постоянный ток. Поэтому в последующем изобретатели направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей разнообразные коммутационные устройства.

Одним из первых генераторов, получившим практическое применение, был магнитоэлектрический генератор российского академика Б. С. Якоби. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов. Улучшенные модификации генератора Якоби до сих пор используются для удалённого приведения в действие минных зарядов, что нашло широкое отображение в военно-исторических фильмах, в которых диверсанты или партизаны подрывают мосты, поезда или другие объекты.

В дальнейшем борьба между генерацией постоянного или переменного тока с переменным успехом велась среди изобретателей и инженеров–практиков, приведшая к апогею противостояния титанов современной электроэнергетики: Томаса Эдисона с компанией Дженерал Электрик с одной стороны, и Николой Тесла с компанией Вестингауз, с другой стороны. Победил мощный капитал, и разработки Тесла в области генерации, передачи, и трансформации переменного электрического тока стали общенациональным достоянием американского общества, что, в немалой степени, позднее способствовало технологическому доминированию США.

Помимо собственно генерации электричества для разнообразных нужд, основанной на преобразовании механического движения в электричество, за счёт обратимости электрических машин появилась возможность обратного преобразования электрического тока в механическое движение, реализуемая электродвигателями постоянного и переменного тока. Пожалуй, это самые распространённые машины современности, включающие в себя стартеры автомобилей и мотоциклов, приводы промышленных станков и разнообразных бытовых устройств. Используя различные модификации подобных устройств, мы стали мастерами на все руки, мы умеем строгать, пилить, сверлить и фрезеровать. А в наших компьютерах, благодаря миниатюрным прецизионным двигателям постоянного тока, крутятся приводы жёстких и оптических дисков.

Кроме привычных электромеханических двигателей, за счёт протекания электрического тока работают ионные двигатели, использующие принцип реактивного движения при выбросе ускоренных ионов вещества, Пока, в основном, они применяются в космическом пространстве на малых спутниках для выведения их на нужные орбиты. А фотонные двигатели 22-го века, которые существуют пока только в проекте и которые понесут наши будущие межзвёздные корабли с субсветовой скоростью, скорее всего, тоже будут работать на электрическом токе.

Для создания электронных элементов и при выращивании кристаллов различного назначения по технологическим причинам требуются сверхстабильные генераторы постоянного тока. Такие прецизионные генераторы постоянного тока на электронных компонентах называются стабилизаторами тока.

Измерение силы электрического тока

Необходимо отметить, что приборы для измерения тока (микроамперметры, миллиамперметры, амперметры) весьма отличаются друг от друга в первую очередь по типу конструкций и принципам действия — это могут быть приборы постоянного тока, переменного тока низкой частоты и переменного тока высокой частоты.

По принципу действия различают электромеханические, магнитоэлектрические, электромагнитные, магнитодинамические, электродинамические, индукционные, термоэлектрические и электронные приборы. Большинство стрелочных приборов для измерения токов состоит из комбинации подвижной/неподвижной рамки с намотанной катушкой и неподвижного/подвижного магнитов. Вследствие такой конструкции типичный амперметр имеет эквивалентную схему из последовательно соединённых индуктивности и сопротивления, шунтированных ёмкостью. Из-за этого частотная характеристика стрелочных амперметров имеет завал по высоким частотам.

Подвижная рамка с катушкой, стрелкой и пружинами, используемая в гальванометре показанного выше мультиметра. Некоторые до сих пор предпочитают пользоваться стрелочными приборами, конструкция которых с конца 19-го века остается практически неизменной

Основой для них является миниатюрный гальванометр, а различные пределы измерения достигаются применением дополнительных шунтов — резисторов с малым сопротивлением, которое на порядки ниже сопротивления измерительного гальванометра. Таким образом, на основе одного прибора могут быть созданы приборы для измерения токов различных диапазонов – микроамперметры, миллиамперметры, амперметры и даже килоамперметры.

Вообще, в измерительной практике важно поведение измеряемого тока — он может быть функцией времени и иметь различную форму — быть постоянным, гармоническим, негармоническим, импульсным и так далее, и его величиной принято характеризовать режимы работ радиотехнических цепей и устройств. Различают следующие значения токов:

Мгновенное значение тока I _i — это значение тока в определенный момент времени. Его можно наблюдать на экране осциллографа и определять для каждого момента времени по осциллограмме.

Амплитудное (пиковое) значение тока I_m — это наибольшее мгновенное значение тока за период.

Среднее квадратичное (действующее) значение тока I определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений тока.

Все стрелочные амперметры обычно градуируются в среднеквадратических значениях тока.

Среднее значение (постоянная составляющая) тока — это среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения.

Разность между максимальным и минимальным значениями тока сигнала называют размахом сигнала.

Сейчас, в основном, для измерения тока используются как многофункциональные цифровые приборы, так и осциллографы — на их экранах отображается не только форма напряжения/тока, но и существенные характеристики сигнала. К таким характеристикам относится и частота изменения периодических сигналов, поэтому в технике измерений важен частотный предел измерений прибора.

Измерение тока с помощью осциллографа

Иллюстрацией к вышесказанному будет серия опытов по измерению действующего и пикового значения тока синусоидального и треугольного сигналов с использованием генератора сигналов, осциллографа и многофункционального цифрового прибора (мультиметра).

Общая схема эксперимента №1 представлена ниже:

Генератор сигналов (FG) нагружен на последовательное соединение мультиметра (MM), сопротивление шунта R_s=100 Ом и сопротивление нагрузки R в 1 кОм. Осциллограф OS подключен параллельно сопротивлению шунта R_s. Значение сопротивления шунта выбирается из условия R_s

Опыт 1

Подадим на сопротивление нагрузки сигнал синусоидальной формы с генератора частотой 60 Герц и амплитудой 9 Вольт. Нажмем очень удобную кнопку Auto Set и будем наблюдать на экране сигнал, показанный на рис. 1. Размах сигнала — около пяти больших делений при цене деления 200 мВ. Мультиметр при этом показывает значение тока в 3,1 мА. Осциллограф определяет среднеквадратичное значение напряжения сигнала на измерительном резисторе U=312 мВ. Действующее значение тока через резистор R_s определяется по закону Ома:

I_RMS = U_RMS/R = 0,31 В / 100 Ом = 3,1 мА,

что соответствует показаниям мультиметра (3,10 мА). Отметим, что размах тока через нашу цепь из включенных последовательно двух резисторов и мультиметра равен

I_P-P = U_P-P/R = 0,89 В / 100 Ом = 8,9 мА

Известно, что пиковое и действующее значения тока и напряжения для синусоидального сигнала отличаются в √2 раз. Если умножить I_RMS = 3,1 мА на √2, получим 4,38. Удвоим это значение и мы получим 8,8 мА, что почти соответствует току, измеренному с помощью осциллографа (8,9 мА).

Опыт 2

Уменьшим сигнал от генератора вдвое. Размах изображения на осциллографе уменьшится ровно приблизительно вдвое (464 мВ) и мультиметр покажет приблизительно уменьшенное вдвое значение тока 1,55 мА. Определим показания действующего значения тока на осциллографе:

I_RMS = U_RMS/R = 0,152 В / 100 Ом = 1,52 мА,

что приблизительно соответствует показаниям мультиметра (1,55 мА).

Опыт 3

Увеличим частоту генератора до 10 кГц. При этом изображение на осциллографе изменится, но размах сигнала останется прежним, а показания мультиметра уменьшатся — сказывается допустимый рабочий частотный диапазон мультиметра.

Опыт 4

Вернёмся к исходной частоте 60 Герц и напряжению 9 В генератора сигналов, но изменим форму его сигнала с синусоидальной на треугольную. Размах изображения на осциллографе остался прежним, а показания мультиметра уменьшились по сравнению со значением тока, которое он показывал в опыте №1, так как изменилось действующее значение тока сигнала. Осциллограф также показывает уменьшение среднеквадратичного значения напряжения, измеренного на резисторе R_s=100 Ом.

Техника безопасности при измерении тока и напряжения

Самодельный пьедестал-стойка с полнофункциональным телесуфлёром и мониторами для домашней видеостудии

• Поскольку в зависимости от класса безопасности помещения и его состояния при измерении токов даже относительно невысокие напряжения уровня 12–36 В могут представлять опасность для жизни, необходимо выполнять следующие правила:
• Не проводить измерения токов, требующих определённых профессиональных навыков ( при напряжении свыше 1000 В).
• Не производить измерения токов в труднодоступных местах или на высоте.
• При измерениях в бытовой сети применять специальные средства защиты от поражения электрическим током (резиновые перчатки, коврики, сапоги или боты).
• Пользоваться исправным измерительным инструментом.
• В случае использования многофункциональных приборов (мультиметров), следить за правильной установкой измеряемого параметра и его величины перед измерением.
• Пользоваться измерительным прибором с исправными щупами.
• Строго следовать рекомендациям производителя по использованию измерительного прибора.