С физической точки зрения электрический ток

По сравнению с другими видами повреждений элек­тротравма имеет небольшой удельный вес, но исходом ее часто бывает смерть или инвалидность.

Обстоятельства электротравмы.Производственные электротравмы встречаются чаще, чем бытовые, при­чем в основном в сельском хозяйстве, при строительно-монтажных работах, на электростанциях и в промыш­ленности. Поражения возникают из-за небрежности или неосторожности самих пострадавших или вследст­вие несовершенства конструкций и неисправности тех­нических сооружений, электрооборудования и электро­изделий.

Большинство бытовых электротравм связано с по­вреждениями эректропроводки, неправильным обраще­нием с электроприборами (по неосведомленности или небрежности) и отсутствием надзора за детьми.

Около 80% электротравм вызывается переменным током, главным образом при напряжении 380/220 в и 127 в. Поражения от постоянного тока встречаются значительно реже. В установках с напряжением до 1000 в основными источниками поражения являются электрические сети, электрокраны и ручной электро­инструмент. В установках с напряжением выше 1000 в поражения возникают преимущественно при обслужи­вании электросетей, распределительных устройств и трансформаторных подстанций. Большинство электро­травм наблюдается в жаркое время года у мужчин мо­лодого и среднего возраста — рабочих различных спе­циальностей (электромонтеры, слесари и др.).

В судебно-медицинской практике встречается глав­ным образом смертельная электротравма в результате несчастного случая на производстве или в быту, изред­ка как способ самоубийства. Известны и случаи убий­ства электротоком. При несмертельных поражениях иногда для определения степени утраты трудоспособ­ности возникает необходимость в производстве судебно-медицинской экспертизы.

Факторы и условия действия тока на организм.Спе­цифическое действие электрического тока на человека проявляется при контакте с токоведущим предметом и прохождении тока через тело, которое оказывается составной частью электрической цепи. В редких слу­чаях при токе высокого напряжения такое действие возможно на некотором (близком) расстоянии от источ­ника тока вследствие перехода электронов с него на тело.

Некоторые повреждения могут быть связаны с электрическим током, например термические ожоги от электрической дуги, акустическая травма у телефони­сток, но происходят не от действия тока, а от термиче­ского, светового и других его эффектов. Более 2 /₃ всех поражений представляет собой контактную электро­травму. Она возникает или при двухполюсном включе­нии, когда человек соприкасается сразу с двумя полю­сами (фазами) и ток идет через тело от одной фазы к другой, или при однополюсном включении (электро­травма с заземлением), когда человек соприкасается с одним полюсом (место входа тока) и ток идет через тело в землю (место выхода тока). При этом он дол­жен преодолеть сопротивление отделяющих человека от земли предметов (обувь, пол и т. д.).

Если человек, касающийся одного полюса, одновре­менно прикоснется к заземленным предметам — бата­рее центрального отопления, водопроводной или газо­вой трубе и др. — то это способствует поражению. 80% электротравм возникает вследствие однополюсно­го включения. При однополюсном включении без за­земления действие тока не проявляется, так как он не проходит через тело человека.

Степень реакции организма на прохождение элект­рического тока и исход электротравмы могут быть раз­личными и зависят от сочетания ряда факторов и усло­вий, основными из которых являются характер тока, состояние организма, условия внешней среды.

С физической точки зрения тело человека — слож­ный проводник электрического тока. В этом отношении к нему применимы общие законы физики. Вот почему мощность тока или энергия, образующаяся в организме при его прохождении, в основном зависит от напряже­ния тока, сопротивления тела и времени воздействия.

Сопротивление тела человека в зависимости от со­стояния организма и условий внешней среды колеблется в очень широких пределах и поэтому имеет сущест­венное значение для исхода электротравмы, особенно при напряжении тока до 500 в (при высоких напряже­ниях сопротивление имеет меньшее значение). Основ­ное сопротивление оказывают кожные покровы, оно может колебаться от 2000 ом до 2000000 ом, что зави­сит от напряжения тока (чем выше напряжение, тем меньше сопротивление), от состояния кожи (толстая, сухая кожа обладает большим сопротивлением) и ор­ганизма в целом (его реактивности, состояния нервной, эндокринной и других систем). Имеет значение также количество потовых желез в коже, степень ее кровена­полнения, загрязнения различными веществами. По­этому сопротивление кожи неодинаково у разных людей, на различных участках тела одного человека и на одном участке в разное время. Особенно большое зна­чение имеет влажность (потливость) кожи. Сопротив­ление кожи, смоченной водой, падает на 40%. Этим объясняется повышенная опасность электротравмы в жаркое время года и в «горячих», влажных помещениях.

Имеет значение сопротивление кожи как на месте «входа», так и «выхода» тока. Обычно контакт возни­кает на поверхности тела, не защищенной одеждой (руки, голова, босые подошвы). Если контакт происхо­дит через одежду, то она оказывает дополнительное сопротивление электрическому току. Поэтому качество (электропроводность) и состояние (влажность) одежды имеют значение, в частности, при контакте с заземле­нием — состояние обуви, а также состояние пола (су­хой или влажный, деревянный, земляной и т. д.). Внут­ренние органы и ткани имеют сопротивление лишь око­ло 500 — 1000 ом.

Напряжение. В связи с большим диапазоном вели­чины сопротивления тела напряжение, опасное для че­ловека, колеблется в широких пределах — от 10 в до сотен тысяч вольт переменного тока. Чем выше напря­жение, тем легче ток преодолевает сопротивление и тем он опаснее, но эта зависимость не строго пропорцио­нальна. Для жизни наиболее опасно напряжение 120 — 500 в, наибольшее число моментальных смертельных исходов наблюдается при напряжении 127 — 220 — 380 в переменного тока. Это объясняется свойством такого тока вызывать нарушение сердечной деятельности. При поражении током 1000 в и выше опасность для жизни несколько снижается, поскольку при контакте, как пра­вило, возникает электрическая дуга и образуются ожо­ги с обугливанием тканей, что препятствует прохожде­нию тока через организм.

Величина (сила) тока. Согласно закону Ома (I=V/R), отношение напряжения к сопротивлению опре­деляет количество электричества, проходящего через проводник в единицу времени, т. е. величину тока, ко­торой удобно пользоваться для характеристики тока и оценивать его действие на организм. Человек начинает ощущать ток с величины 1 миллиампер (пороговая ре­акция). При дальнейшем нарастании величины тока по­является боль, судорожное сокращение мышц (судо­рожная реакция). При 12 — 15 ма судорожные сокра­щения не позволяют освободить руку, держащую элек­трический провод. Ток величиной около 100 ма явля­ется смертельным (смертельная реакция). Такая вели­чина тока может быть как при низком напряжении (до 100 в) и малом сопротивлении тела человека (око­ло 1000 ом), так и при напряжении выше 1000 в и большом сопротивлении тела. Однако в последних слу­чаях смертельный исход чаще наступает от ожогов, а не от непосредственного действия тока.

Частота тока. Переменный ток обычной, так назы­ваемой промышленной частоты (50 герц) наиболее опасен для жизни человека, так как при этой частоте легко возникает опасное расстройство сердцебиения. Снижение опасности действия тока проявляется с ча­стоты от 1000 герц и выше. При частоте более 70000 герц ток безопасен, поскольку преобладает его тепло­вое действие. Токи частотой в сотни тысяч и миллионы периодов в секунду применяются с лечебной целью (диатермия, УВЧ и др.).

Чем продолжительнее время воздействия тока и плотнее контакт, тем больше электрической энергии проходит через организм и тем опаснее ее действие.

Сравнительная-опасность переменного и постоянно­го тока зависит от напряжения: до 400 в — опаснее пе­ременный ток (частотой 50 герц), около 500 в — опас­ность одинаковая, выше 500 в — опаснее становится постоянный ток.

Механизм действия токаможно разделить в основном на два вида.

Непосредственное действие на органы и ткани, че­рез которые проходит ток, возникает при переходе ча­сти электричества в другие виды энергии и заключа­ется в тепловом, физико-химическом и механическом воздействии, которое проявляется как в живой, так и мертвой ткани. Согласно закону Джоуля-Ленца, чем больше величина тока и сопротивление, чем длительнее время контакта, тем больше нагревается провод­ник. Поэтому в коже, обладающей большим сопротив­лением, на месте контактов значительно повышается температура и образуются ожоги, от незначительных по величине «электрометок», или «знаков тока», до глу­бокого обугливания. Температура внутренних органов и тканей, через которые проходит ток, также может повышаться, особенно костной ткани, в которой про­исходит очаговое расплавление с последующим затвер­дением составляющих ее веществ и образованием круглых полых внутри «костяных бус», величиной до горошины. Они являются специфичными для действия тока. Физико-химическое действие состоит в электро­лизе, т. е. разложении составных частей жидкостей на их химические компоненты, в результате которого на коже в месте контакта можно наблюдать образование продуктов разложения жира. Механическое действие тока проявляется в нарушении целости кожных покро­вов и других тканей (с образованием ссадин, ран, изо­лированных трещин костей), а также во внедрении ча­стиц металла проводника в кожу на месте контакта (металлизация). Тепловое, физико-химическое и меха­ническое действие непосредственно нарушает структуру и функции тканей в месте прохождения тока.

Общее действие. Электрический ток действует как раздражитель, вызывая рефлекторную реакцию. Раз­дражение нервов возникает по всему пути прохождения тока через организм и передается во все отделы нервной системы. Сначала происходит возбуждение, а затем угнетение ее и расстройство иных регулирующих систем организма, что приводит к нарушению жизненных функ­ций — кровообращения, дыхания и др.

Результат как непосредственного, так и рефлектор­ного действия тока в известной степени связан с путем прохождения тока (пли «петлей тока») через те или другие органы и ткани организма. Путь тока записи? от места расположения контактов. Считают, что он проходит по тканям, имеющим наименьшее сопротивле­ние, — по кровеносным сосудам или мышцам. Ток, про­ходящий через сердце, более опасен, поскольку вызы­вает нарушение сердечной деятельности. Наиболее опасны пути тока, когда контакты расположены на обеих руках и ногах, на левой руке и ногах, на правой руке и левой ноге, на обеих руках. Так называемая нижняя петля — от ноги к ноге — считается менее опасной. Путь тока имеет относительное значение, так как наблюдаются смертельные электротравмы при рас­положении «входа» и «выхода» тока на одной руке или ноге.

Различают четыре степени электротравмы:

I — частичные судороги мышц (без потери созна­ния) ;

II — общие судороги (с потерей сознания или без нее);

III — тяжелое беспомощное состояние после отклю­чения тока (с потерей сознания или без нее);

IV — смертельное поражение.

Во время действия электрического тока возникает сильная боль, кожа становится бледной, мышцы резко со­кращаются, сокращение дыхательных мышц затрудняет дыхание, пострадавшие не могут кричать, нарушается сердечная деятельность. При токах низкого напряжения сокращение мышц рук не позволяет освободиться от провода. Токи высокого напряжения проявляют свое действие уже на некотором расстоянии (электрическая дуга), поэтому происходящее мощное сокращение мышц отбрасывает человека.

Если тяжелая электротравма не привела к смерти, то у пострадавшего появляются расстройства со сто­роны центральной нервной системы (головная боль, головокружение, психическое угнетение), падает кровя­ное давление, нарушается пульс, дыхание, обмен ве­ществ. .Эти расстройства могут сохраняться длительное время, приводя к полной или частичной утрате трудо­способности. Электрические ожоги характеризуются безболезненностью, длительностью, слабым развитием воспаления.

Причины и механизмы смерти.Смертельные исходы наступают: 1) в момент поражения током — мгновен­ная смерть, 2) в ближайшее время после поражения — замедленная смерть, 3) после выведения из тяжелого состояния — прерванная смерть, 4) спустя некоторое время после поражения — поздняя смерть.

Причины смерти при злектротравмах различны и обусловлены характером тока, путем его прохождения, реакцией и состоянием организма, а также другими факторами. Возможны одна из трех причин смерти или их сочетание: нарушение деятельности сердца (фибрил­ляция), остановка дыхания и шок. Они могут возни­кать как при непосредственном действии электрическо­го тока соответственно на сердце или головной мозг, так и рефлекторно при воздействии на другие части тела. Большое значение в механизме развития этих состояний имеет острое кислородное голодание тканей. В большинстве случаев причиной мгновенной смерти служит нарушение сердечной деятельности при дейст­вии тока низких напряжений (110, 220, 380 в) и не­большой величины. При более высоком напряжении и величине переменного тока чаще возникает поражение центральной нервной системы и остановка дыхания. При шоке смерть наступает медленнее.

Признаки смертельной электротравмы.Переменный ток низкого напряжения (ПО, 220, 380 в), проходя че­рез тело с низким сопротивлением кожных покровов (влажная, тонкая кожа, плотный, большой по площади контакт), может не оставлять на них следов. Измене­ний кожи при смертельной электротравме не удается обнаружить в 25 — 30% случаев.

Тот же ток, действуя на кожу, обладающую высо­ким сопротивлением (сухая, толстая, омозолелая), как правило, образует на месте контакта электрометку. При двухполюсном включении электрометки образуются на месте обоих контактов, при однополюсном — на месте входа, а на месте выхода тока указанных напряжений образуются редко или бывают слабо выражены. Элек­трометки могут иметь различный вид. Наиболее ти­пичные представляют собой плотный, серый или серо-желтый округлый участок кожи размером в несколько миллиметров, с возвышающимися краями и неболь­шим вдавленнём в центре (рис. 26). В отличие от термических ожогов края электрометки хорошо ог­раничены, окружающая кожа на вид не измене­на, а волосы не опалены. Небольшие электромет­ки можно обнаружить только с помощью лупы. При достаточно боль­шой площади контакта они могут повторять контур проводника. Ино­гда электрометки имеют вид небольших ссадин, кровоизлияний, борода­вок или мозолей. При подозрении на электротравму подобные изменения кожи необходимо подвергать мик­роскопическому исследованию.

Рис. 26. Электроотметка типа «пробоя» кожи

Если на месте контакта с кожей величина тока оказывается более значительной (при 380 в и выше) то возникает электрический ожог III или IV степени который захватывает всю толщу кожи и может сопро­вождаться обугливанием (рис. 27). Участок ожога имеет темно-желтый, бурый или черный цвет, четкие границы; площадь его зависит от величины тока и площади контакта. Иногда ожоги образуются и по ходу тока — в локте­вых, паховых и других сгибах, где соприкасают­ся два слоя кожи, через которые проходит ток. Обширные ожоги с обуг­ливанием кожи и повреж­дением глубжележащих мягких тканей и даже костей возникают при действии тока напряже­нием около 1000 в и выше. Они часто сочетают­ся с ожогами от действия электрической ду­ги и воспламенившейся одежды, т. е. с обычными термическими ожо­гами.

Рис. 27. Электрический ожог с обугливанием

В некоторых случаях ток, проявляя свое механиче­ское действие, пробивает кожу, образуя раны округлой формы или рваные.

Большое диагностическое значение имеет микроско­пическое исследование кожи из области электрометки. Оно позволяет обнаружить весьма характерные измене­ния клеток и тканей.

В коже на месте входа тока отмечается внедрение мельчайших частиц металла проводника, так называе­мая металлизация, которая возникает как при плотном контакте с проводником, так и при действии электриче­ской дуги. Наличие металла и его характер (медь, сви­нец и др.) можно установить специальными исследова­ниями, как непосредственно при исследовании трупа, так и в лаборатории. Полученные данные служат для иден­тификации металлов в области электрометки с токоведущим предметом. Хотя некоторые изменения клеток кожи и металлизация встречаются и при ожогах раска­ленным металлом, а также при действии электрическо­го тока на труп, выраженная степень этих явлений ха­рактерна для прижизненного действия электротока и га совокупности с другими изменениями в коже позволяет устанавливать диагноз.

Изменения кожи в области электроожога микроско­пически не отличаются от термического ожога соответ­ствующей степени. Иногда в зоне ожога можно устано­вить изменения, свойственные электрометке.

Изменения внутренних органов и тканей обусловле­ны главным образом рефлекторной реакцией организма на раздражение электрическим током, поэтому они в большинстве своем не имеют признаков, специфических для действия электричества. Изменения отмечаются со стороны почти всех внутренних органов и тканей. При действии тока небольшой величины (низком напряже­нии) и быстрой смерти они не успевают развиться и про­являются слабо, при большей величине тока (высоком напряжении) и замедленной смерти — становятся более выраженными. При вскрытии, как правило, отмечаются общие признаки быстронаступившей смерти: резкое пол­нокровие, мелкие кровоизлияния и отек мозговых обо­лочек, мозга, легких, печени, почек и т. д. Часто наблюдается вздутие легких. Вследствие сильного сокращения мышц, вызываемого током, в местах прикрепления массивных мышечных пучков возможны переломы костей и вывихи. Они встречаются чаще при действии тока на­пряжением 110 — 380 в. Кроме того, при падении постра­давших возможно образование кровоподтеков, ран, пе­реломов костей, повреждений внутренних органов, кото­рые будут иметь признаки прижизненных.

Диагностика смертельной электротравмы.В связи с непостоянством и неспецифичностью большинства приз­наков смерти от действия электричества судебно-медицинская диагностика ее основывается на совокупности данных, полученных при осмотре места происшествия, исследовании трупа, одежды, обуви, а также данных, ха­рактеризующих обстоятельства случая, — заключении технической экспертизы, показаниях свидетелей и т. д.

При исследовании трупа наиболее ценным для диаг­ностики является наличие характерной электрометки с металлизацией. Микроскопическое исследование элек­трометки обязательно. Отдельные изменения органов и тканей при смертельной электротравме могут быть обус­ловлены различными предшествовавшими болезненны­ми состояниями, а также встречаться при других видах быстрой смерти. Однако совокупность признаков, свой­ственных действию тока, позволяет дифференцировать их и диагностировать электротравму, для чего необхо­димо производить гистологическое исследование орга­нов и тканей. В сложных случаях для исключения у по­страдавшего заболеваний необходимо изучить его амбу­латорную карту и другие медицинские документы.

При отсутствии электрометки и других характерных признаков действия тока заключение о смерти от злектротравмы может быть только предположительным.

Судебно-медицинское исследование трупа должно обязательно сопровождаться исследованием одежды и обуви На них могут быть следы механического, тепло­вого и электролитического действия тока в виде разры­вов и пробоин, опаления и мелких прожогов брызгами расплавленного металла проводника (при действии электрической дуги), оплавления металлических дета­лей одежды и обуви и окраски окружающей их тка­ни (вследствие электролиза металлических деталей). Указанные изменения, как правило, встречаются при действии высоковольтного тока и молнии и в некоторых случаях с несомненностью указывают на действие элек­тричества.

Данные осмотра места происшествия весьма важны как для установления причины смерти, так и при рас­следовании случая для его правовой оценки. Иногда, особенно в случаях самоубийств, при осмотре места про­исшествия могут быть получены прямые указания на смерть от действия электричества. В сложных электро­технических условиях осмотр следует производить с по­мощью специалиста-электрика, который устанавливает технические условия возникновения электротравмы (ха­рактер тока, неисправности изоляции и т. д.). Осмотр трупа можно производить только тогда, когда он отклю­чен от электрической цепи. В протоколе необходимо от­ражать условия, при которых произошла электротравма! на открытом воздухе — состояние погоды в момент трав­мы (дождь, мокрый снег, жаркая, влажная погода, характер и влажность грунта), в помещении — темпера­туру воздуха, влажность, состояние пола; у пострадав­шего, кроме обычного осмотра, необходимо отмечать состояние рук (влажность, наложение посторонних ве­ществ), характер и влажность обуви и одежды. Необхо­димо помнить, что к моменту осмотра обстановка места происшествия может быть изменена заинтересованными лицами.

Действие атмосферного электричества (молнии). По­ражения человека во время грозы молнией встречаются реже, чем техническим электричеством. Они наблюдают­ся главным образом на открытом воздухе вблизи высо­ких предметов — металлических конструкций, деревьев и т. п., но могут происходить и в помещении через теле­фон, радиоприемник, а также через открытые окна и печные трубы. Известны случаи поражения молнией в трамвае и троллейбусе. При ударе молнии вследствие растекания тока по земле нередки поражения близко находящихся людей.

Молния является огромным по напряжению (милли­оны вольт) и величине (более десяти тысяч ампер) разря­дом атмосферного электричества. При ее действии проис­ходят процессы, сходные с действием высоковольтного технического электричества, но имеющие большую ко­личественную выраженность. Тепловая и механическая энергия молнии при действии на человека может приве­сти к распространенным ожогам I, II, и III степени, к опалению части или всего волосяного покрова, разры­вам внутренних органов и отрывам частей тела. Иногда на коже образуются своеобразные «фигуры молнии» в виде красного отпечатка древовидной формы. Эти фигу­ры на трупе через сутки, а иногда и раньше исчезают. Вот почему важно отметить их наличие при осмотре трупа на месте происшествия.

Иногда при поражении молнией следы ее действия на трупе отсутствуют. В таких случаях большое значе­ние приобретает исследование одежды и осмотр места происшествия. На одежде и обуви могут быть обширные механические и термические повреждения (разрывы, опаления, обгорания), расплавление и деформация ме­таллических деталей и предметов, находившихся в одеж­де. На месте происшествия можно обнаружить повреж­дения строений, деревьев, следы их обгорания, пожаров, деформацию металлических предметов и т. д.

Поражение молнией не всегда ведет к смертельному исходу. Часто отмечаются потеря сознания, судороги, иногда возникает инфаркт миокарда и другие наруше­ния, после которых надолго остаются болезненные рас­стройства. В редких случаях поражение молнией может пройти без какого-либо вреда для здоровья.

Дата добавления: 2015-02-03 ; просмотров: 959 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Каждому обывателю знакомы на слух электрические величины — ток, напряжение, — от них зависит работа бытовых приборов, но полное понимание определения электротока есть у немногих людей. Показательно сравнение электрического тока с течением реки, только в нем двигаются частицы, имеющие заряд, а в реке — вода. Надо понимать, что ток движется только в одном направлении, для его существования должны быть созданы условия, рассмотрим эти процессы подробней.

Основные определения

Электричество каждый день окружает нас, но что такое электрический ток и связанные с ним величины — понимает не каждый человек, однако они важны для повседневной жизни. Есть несколько толкований понятия электротока:

1. Принятое в школьном учебнике определение, что электрический ток — это движение частиц, имеющих заряд за счет воздействия на них электрического поля. Частицами являются: протоны, дырки, электроны, ионы.
2. В электрической литературе высших учебных заведений пишется, что электрический ток это — скорость, с которой заряд изменяется с течением времени. Принимается отрицательный заряд электронов, положительный у протонов и нейтральный у нейтронов.

Схема протекания электротока в цепи:

В электротехнике специалисты отмечают значение такого понятия, как сила тока — это количество частиц, имеющих заряд, которые проходят через сечение проводника с течением времени. Движение тока в проводнике можно описать следующим образом: «…Все токопроводящие материалы имеют внутреннее строение (молекулы, атомы, ядра с вращающимися электронами), когда на материал воздействует химическая реакция, электроны от одного атома перебегают к другому. Создается ситуация, при которой одни атомы испытывают недостаток в электронах, а другие — их избыток, что показывает противоположность заряда. Электроны стремятся к переходу из одного вещества в другое, это движение и есть электрический ток».

Специалисты акцентируют внимание на том, что в этом случае ток течет только до того момента, пока не произойдет уравнивание зарядов в двух веществах.

Для понимания движения тока важно знать определение напряжения — это разность потенциалов, которые берутся в двух точках электрического поля, измеряются в вольтах.

Электрическая энергия

В разных регионах, в частности, и в Украине простой обыватель интересуется: «Що таке електричний струм?», с какой целью он применяется, из чего происходит. Повседневно мы пользуемся электрической энергией, которая представлена переменным током в электрических сетях.

Переменный ток в проводнике — это когда частицы, имеющие заряд за определенный промежуток времени, меняют его по направлению, а также по величине. Графически переменный ток представляется синусоидой. Создается он генераторами, в которых вращаются катушки с проводами и в процессе вращения пересекают магнитное поле. В период вращения катушки могут открываться и закрываться по отношению к магнитному полю, что создает электрический ток, который меняется в проводниках по направлению, а полный цикл проходит за одну минуту.

Электрический ток в генераторах, принцип устройства машин:

Вращение генераторов происходит от паровых турбин, имеющих разные источники питания: уголь, газ, атомный реактор, нефть. Далее через систему трансформаторов повышается напряжение тока, через проводники нужного диаметра он переносится без потерь на длительное расстояние. Диаметр провода, по которому проходит ток, определяет его силу и величину, горячими линиями в энергетике называются магистральные линии передачи энергии, есть и заземленные варианты, когда передача электроэнергии происходит под землей.

Где применяется электрический ток?

Именно ток значительно облегчает нам жизнь, создавая комфорт в доме. Он применяется для освещения помещений, улицы, для просушки вещей, в нагревательных элементах электроплиты, в других бытовых приборах и устройствах, выполняет работу подъема гаражных дверей и т.д.

Работа электротока в быту:

Условия, необходимые для получения электротока

Для существования электротока нужны следующие условия: наличие частиц, имеющих заряд, электропроводный материал, по которому будут двигаться частицы, источник напряжения. Важным условием получения электротока является наличие напряжения, которое определяется разностью потенциалов. Иными словами, сила, создаваемая заряженными частицами отталкивания, в одной точке больше, чем в другой.

Природных источников напряжения не существует, по этой причине вокруг нас равномерно распределяются электроны, но такие изобретения, как батарейки дали возможность накапливать в них электрическую энергию.

Другим важным условием является электрическое сопротивление, или проводник, по которому будут двигаться частицы, имеющие заряд. Материалы, в которых это действие возможно, называются электропроводными, а те, в которых нет свободного движения электронов, — изоляторами. Обыкновенный провод имеет проводящую металлическую жилу и изолирующую оболочку.

Электроток в проводниках

В любом проводнике есть носители электрического заряда, которые приходят в движение под воздействием силы поля, создаваемого электрической машиной.

Металлические проводники переносят заряд при помощи электронов. Чем выше температура проводника и нагрев провода, тем хуже протекает ток, так как в нем начинается хаотическое движение атомов от теплового воздействия, увеличивается сопротивление проводящего материала. Чем ниже температура проводника (в идеале — стремление к нулю), тем меньше его сопротивление.

Движение заряженных частиц в проводнике:

Жидкости могут проводить электроток при помощи ионов (электролиты). Перемещение происходит к электроду, имеющему противоположный с ионом знак, и, оседая на нем, ионы осуществляют процесс электролиза. Анионы — положительно заряженные ионы, двигающиеся к катоду. Катионы — ионы, имеющие отрицательный заряд, двигаются к аноду. В процессе нагревания электролита уменьшается его сопротивление.

Газ также имеет проводимость, электроток в нем — плазма. Движение происходит при помощи заряженных ионов или свободных электронов, которые получаются в процессе излучения.

Электронно-лучевая трубка — это пример электротока в вакууме от стержня катода к стержню анода.

Электроток в полупроводниках

Для понимания прохождения тока в этом материале дадим ему определение. Полупроводник — промежуточный материал между проводником и изолятором, зависит от удельной проводимости, наличия в нем примесей, температурного состояния и воздействующего на него излучения. Чем ниже температура, тем больше сопротивление полупроводника, свойства его влияют на измерения характеристик. Электроток в полупроводнике — это сумма электронного и дырочного тока.

Когда повышается температура полупроводника, происходит разрыв ковалентных связей от действия тепловой энергии на валентные электроны, образуются свободные электроны, в точке разрыва получается дырка. Она занимается валентным электроном другой пары, а сама перемещается далее в кристалле. Когда свободный электрон встречается с дыркой, между ними происходит рекомбинация, восстановление электронных связей. Когда на полупроводник воздействуют энергией электромагнитного излучения, появляются в нем электронно-дырочные пары.

Возникновение электротока в полупроводнике:

Законы электрического тока

В электротехнике применяются основные законы, которые дают определение электрического тока. Один из главнейших — закон Ома, особенностью которого является быстрота передачи энергии без изменения ее формы из одной точки в другую.

Этот закон показывает связь между напряжением и силой тока, а также сопротивлением проводника или участка цепи. Сопротивление измеряется в омах.

Работу электротока определяют законом Джоуля-Ленца, который говорит о том, что в любой точке цепи ток выполняет работу.

Фарадей открыл магнитную индукцию, а также опытным способом установил, что при пересечении линии магнитной индукции поверхностью замкнутого проводника в нем появляется электроток. Он вывел закон электромагнитной индукции:

Не замкнутые проводники, пересекающие линии магнитного поля, получают на концах напряжение, что говорит о появлении ЭДС индукции. Если магнитный поток неизменен и пересекает замкнутый контур, то в нем не возникает электротока. ЭДС индукции замкнутого контура, когда меняется магнитный поток, равен модулю его скорости изменения.

Когда по проводнику протекает электрический ток, он его нагревает, по этой причине необходимо соблюдать меры безопасности, работая с электрическими приборами и устройствами. Нельзя допускать перегрузки линии передачи энергии, она может нагреться, и возникнет пожар. Электроток всегда движется по пути наименьшего сопротивления.

В момент появления КЗ (короткого замыкания) ток в разы возрастает, происходит моментальное выделение огромного теплового значения, которое плавит металл. Электрический ток может вызвать ожоги на теле человека или животного, но применяется в реанимационных установках, для депрессивных решений и лечения заболеваний.

По правилам электробезопасности ощутимый человеком ток наступает с величины один миллиампер, а опасным для здоровья считается ток с 0,01 ампера, смертельной величиной определена сила тока в 0,1 ампера. Безопасное напряжение для человека — 12-24-32-42 вольта.

С физической точки зрения электрический ток

Современное представление электрического тока

На сегодняшний день считается, что электрический ток это направленное движение заряженных частиц — то есть движение электронов. В любом учебнике описано классическое понятие электрического тока, приводить его не имеет смысла. В это понятие не укладываются некоторые электрические явления и примеры.

1. Не имеет решения с точки зрения классического определения электрического тока следующая задача. Ток проходя через свинцовый предохранитель пережигает его. Найти скорость движения электронов в предохранителе. Нам дано: материал из которого сделан предохранитель — свинец. В справочниках мы можем посмотреть температуру плавления свинца Т_пл знаем комнатную температуру при которой находится предохранитель Т_ком. Разница этих температур и есть искомая температура на которую надо нагреть предохранитель Т_иск=Т_пл-Т_ком

Где: m — масса предохранителя, C — удельная теплоёмкость свинца, l — плавление свинца.

Соответственно ту же работу Q₁=Q совершают и электроны несущие электрический ток.

Где: m_э — масса электрона, V — скорость электрона, k — количество электронов.

Зная, что по классическому определению тока в процессе участвует только один электрон от каждого атома, то k-количество атомов свинца в предохранителе. При решении этой задачи V получается просто запредельная. Учитывая то, что электроны движутся по касательной к ядру атома, а не попадают в него перпендикулярно. Можно сделать предположение, что всё таки электрический ток это не движение электронов, а что то другое.

2. Явление пьезоэффекта трудно объяснить с точки зрения электрического тока. Невозможно объяснить как с механическое воздействие на объект вызывает электрический ток. И обратный процесс, электрический ток деформирует объект.

3. В промышленном производстве используется электросварка. При начале сварки в момент контакта электрода со свариваемым предметом, когда электрическая дуга ещё не зажглась. По сварочным кабелям течёт максимальный электрический ток. Так вот в этот короткий момент кабели начинают двигаться-дёргаться. Объяснить это явление с точки зрения классической теории электрического тока также невозможно.

4. Кроме того, невозможно объяснить явление статического электричества. При натирании шерсти янтарём и янтарь и шерсть являются диэлектриками.

Возможно электрический ток это не упорядоченное движение электронов, а упорядоченное движение ядер атомов вещества которое проводит электрический ток.

Попытаемся обосновать это предположение. Пусть электрический ток это упорядоченное колебание ядер атомов проводника.

При отсутствии электрического тока ядро покоится в центре атома, а при воздействии электрического тока начинает вращаться. Причём если ток течёт по проводнику от вас, то ядро вращается по часовой стрелке, а при течении тока на вас, против часовой. Эта гипотеза легко объясняет такое явление как магнетизм. .

Электрическое сопротивление проводников

Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости

Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r .

За единицу электрического сопротивления принят ом.

Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 0° С.

Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 ом, то записывается это так: R = 4 ом или r = 4 ом.

Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегомом.

Один мегом равен одному миллиону ом.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.

Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью.

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток.

Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/ R , обозначается проводимость латинской буквой g.

Влияние материала проводника, его размеров и окружающей температуры на величину электрического сопротивления

Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2. Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р. Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 0,017, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,017 ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,03, удельное сопротивление железа — 0,12, удельное сопротивление константана — 0,48, удельное сопротивление нихрома — 1-1,1.

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т. е. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.

Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.

Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причем у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход ее в другой сосуд по толстой трубке произойдет гораздо быстрее, чем по тонкой, т. е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т. е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.

Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь площадь поперечного сечения проводника :

где — R — сопротивление проводника, ом, l — длина в проводника в м, S — площадь поперечного сечения проводника, мм 2 .

Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле:

где π — постоянная величина, равная 3,14; d — диаметр проводника.

А так определяется длина проводника:

Эта формула дает возможность определить длину проводника, его сечение и удельное сопротивление, если известны остальные величины, входящие в формулу.

Если же необходимо определить площадь поперечного сечения проводника, то формулу приводят к следующему виду:

Преобразуя ту же формулу и решив равенство относительно р, найдем удельное сопротивление проводника:

Последней формулой приходится пользоваться в тех случаях, когда известны сопротивление и размеры проводника, а его материал неизвестен и к тому же трудно определим по внешнему виду. Для этого надо определить удельное сопротивление проводника и, пользуясь таблицей, найти материал, обладающий таким удельным сопротивлением.

Еще одной причиной, влияющей на сопротивление проводников, является температура .

Установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а с понижением уменьшается. Это увеличение или уменьшение сопротивления для проводников из чистых металлов почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1° C . Сопротивление жидких проводников и угля с увеличением температуры уменьшается.

Электронная теория строения вещества дает следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При нагревании проводник получает тепловую энергию, которая неизбежно передается всем атомам вещества, в результате чего возрастает интенсивность их движения. Возросшее движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов, отчего и возрастает сопротивление проводника. С понижением же температуры создаются лучшие условия для направленного движения электронов, и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов .

Сверхпроводимость , т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре — 273° C , называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

Электричество, ток, напряжение, сопротивление и мощность

Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.

И так будем разбираться во всем по порядку.

Электричество

Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.

Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.

Данное явление называется статическим электричеством. Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.

Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.

Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.

Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10 -19 Кл (Кулон). Обозначается е или е – .

Напряжение

Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Единица измерения напряжения – Вольт (В или V). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V. Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд, высота водяного столба (давление) – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток.

Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.

Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).

Электрический ток

Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!

Единица измерения силы тока – Ампер (А). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I. Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·10 18 электронов) за 1 секунду.

Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.

Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление.

Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.

Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение. Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.

Сопротивление

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.

Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.

Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.

Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.

Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.

Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P. Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность, единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A), обозначается буквой S.

И в завершение про Электрическую цепь. Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.

Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями R (Ом) от плюса к минусу течет электрический ток I (А) заставляющий светиться лампочку мощностью P (Вт). Не обращайте внимания на яркость лампы, это из-за плохого давления и малого потока воды батареек.

Фонарик, что представлен на фотографии, собран на базе конструктора « Знаток ». Данный конструктор позволяет ребенку в игровой форме познать основы электроники и принцип работы электронных компонентов. Поставляется в виде наборов с разным количеством схем и разного уровня сложности.