Открытие электричества – важный этап в становлении человеческой цивилизации. Современный быт сложно представить без этого явления. В каждом доме имеется множество электрических приборов, для работы которых нужен электрический ток. Более того, почти у каждого человека с собой в кармане одежды живёт мобильный телефон, который практически ежедневно надо подзаряжать. Так что же такое – электрический ток?

Электрический ток – это упорядоченное движение электрически заряженных частиц. 

Одни материалы хорошо проводят ток – это проводники, другие не проводят – это диэлектрики.

Для существования электрического тока необходимо несколько условий: наличие свободных заряженных частиц в проводнике, наличие электрического поля в проводнике. Также для протекания электрического тока электрический контур должен быть замкнут.

В металлических проводах упорядоченно-бегущими заряженными частицами являются электроны, в жидкостях и газах – ионы и электроны. Сила, заставляющая заряженные частицы двигаться упорядоченно – напряжение (единица измерения: Вольт [В]). Чем больше напряжение – тем больше поток заряженных частиц – больше сила тока (Ампер [А]). Направление движения электрического тока условно берут противоположным движению электронов:

Для школьников при изложении материала об электрическом токе я часто прибегаю к простой и понятной аналогии с движением жидкости в трубах, правда с некоторыми допущениями. Электрический ток – это сама текущая жидкость. Чем больше за определённое время через сечение трубы протекает жидкости – тем больше сила тока. Давление – сила, заставляющая жидкость двигаться по трубе – это и есть наше напряжение. В электрических цепях всегда имеется сопротивление (единица измерения [Ом]) – в трубах с водой это вентили и краны, ограничивающие поток воды (силу электрического тока). Аналогия с водой проста и понятна ученикам и вполне применима для первичного понимания процессов протекания электрического тока.

Во всех электрических цепях выполняется закон Ома: I=U/R. Сила тока равна напряжению, делённому на сопротивление. Чем меньше сопротивление при заданном напряжении – тем больше сила тока. Если сопротивление в цепи стремится к нулю – то сила тока к бесконечности – возникает короткое замыкание. При КЗ значительно возрастает сила тока, а согласно закону Джоуля-Ленца (количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время t, равно Q = I²Rt) – выделяется большое количество теплоты, провод очень сильно нагревается и перегорает.

На любом электрическом приборе указана его мощность P= I*U (Ватт [Вт]). Например, если на чайнике указана электрическая мощность, равная 2,5 кВт = 2500Вт, это означает, что из розетки через него будет протекать ток, равный I = P/U = 2500Вт/220В = 11,4А. Это довольно большой ток, который легко может сильно нагреть провода удлинителя с небольшим сечением, а также от нагрева оплавить пластиковые держатели контактов дешёвой электрической розетки. Также потребителями большой мощности в квартире являются электронагреватели, электрические печи, стиральные машины.

Элементы электрических цепей, обладающие сопротивлением, называют нагрузками. Например, электрическая лампочка, подключенная к батарейке. Электрическая цепь и её схема представлены на рисунке ниже:

Проводники (нагрузки) могут соединяться последовательно, параллельно и последовательно-параллельно.  При последовательном соединении сила тока в каждом проводнике одинаковая, а напряжение различно и зависит от сопротивления этого проводника. Суммарное сопротивление двух последовательно соединённых проводников равно сумме их сопротивлений: R=R₁+R₂ и всегда увеличивается. При параллельном соединении сила тока в каждом проводнике различна (также зависит от сопротивления каждого проводника), а напряжение – одинаковое. Суммарное сопротивление двух параллельно соединённых проводников рассчитывается по формуле: 1/R=1/R₁+1/R₂ или R= R1*R2/(R₁+R₂). Таким образом, суммарное сопротивление двух параллельно-соединённых резисторов по 4 Ома каждый равно R= 4Ом*4Ом/(4Ом+4Ом)=  16Ом²/8Ом = 2Ом. Общее сопротивление уменьшается.

Электрический ток, который вырабатывают генераторы электростанций и который приходит к нам домой в розетки является переменным. Посмотрите на график зависимости напряжения от времени (синусоиду напряжения):

На графике видно, что напряжение от нуля нарастает до максимума (амплитуды, амплитудное напряжение U_a=220В*1,41=310В), потом снова падает до нуля, при переходе через ноль меняет свою полярность и возрастает до своего отрицательного максимума, затем снова падает и переходит через ноль в положительную полярность. И так без конца. Период одного такого колебания равен 0,02 секунды, а за секунду таких колебаний происходит 50, т.е. частота переменного тока с эффективным значением напряжения 220В (амплитудное напряжение 310В) равна 50 Герц. Это в России. В США, например, частота переменного тока равна 60Гц, а напряжение 117В (амплитудное значение U_a = 165В). Там и там есть плюсы и минусы: При большем напряжении - меньше сила тока в проводе при одинаковом сопротивлении нагрузки, соответственно, провода можно взять меньшего сечения, это дешевле. В США провода должны быть толще, т.к. по ним протекает больший ток (при одинаковом сопротивлении нагрузок с Россией), соответственно они дороже, но, зато меньшая амплитуда напряжения и большая частота тока нанесут меньший вред человеку, случайно прикоснувшемуся к открытым участкам электрической цепи. Тут что важнее – человек или система. У нас в стране, к сожалению, выбор был сделан не в пользу человека, а в пользу удешевления электрических систем, тем самым в пользу увеличения охвата их распространения.

Частота постоянного тока равна нулю. Возможный график зависимости постоянного напряжения от времени выглядит вот так:

Из графика видно, что величина напряжения U=9В не изменяется с течением времени.