Elektrisitet

Hva er elektrisk strøm

Elektrisitet - rettet bevegelse av elektrisk ladede partikler under støt elektrisk felt... Slike partikler kan være: i ledere - elektroner, i elektrolytter - ioner (kationer og anioner), i halvledere - elektroner og såkalte "hull" ("konduktivitet av elektronhull"). Det er også en «forspenningsstrøm», hvis flyt skyldes prosessen med å lade kapasitansen, det vil si fra en endring i potensialforskjellen mellom platene. Det skjer ingen partikkelbevegelse mellom platene, men det går strøm gjennom kondensatoren.

I teorien om elektriske kretser anses strøm å være den rettede bevegelsen av ladningsbærere i et ledende medium under påvirkning av et elektrisk felt.

Ledningsstrøm (bare strøm) i teorien om elektriske kretser er mengden elektrisitet som strømmer per tidsenhet gjennom tverrsnittet av en ledning: i = q /T, hvor i - strøm. EN; q = 1,6·109 — elektronladning, С; t — tid, s.

Dette uttrykket er gyldig for DC-kretser. For vekselstrømkretser, den såkalte Øyeblikkelig strømverdi lik hastigheten på ladningens endring over tid: i (t) = dq /dt.

Den første betingelsen for den langsiktige eksistensen av en elektrisk strøm av den betraktede typen er tilstedeværelsen av en kilde eller generator som opprettholder potensialforskjellen mellom ladningsbærere. Den andre betingelsen er stenging av veien. Spesielt, for at en likestrøm skal eksistere, er det nødvendig å ha en lukket bane langs hvilken ladninger kan bevege seg i kretsen uten å endre verdien.

Som du vet, i samsvar med loven om bevaring av elektriske ladninger, kan de ikke opprettes eller ødelegges. Derfor, hvis et romvolum der elektriske strømmer flyter er omgitt av en lukket overflate, må strømmen som flyter i det volumet være lik strømmen som strømmer ut av det.

Mer om dette: Betingelser for eksistensen av elektrisk strøm

Den lukkede banen som en elektrisk strøm flyter gjennom kalles en elektrisk krets eller elektrisk krets. Elektrisk krets — delt inn i to deler: den indre delen, der elektrisk ladede partikler beveger seg mot retningen av elektrostatiske krefter, og den ytre delen, der disse partiklene beveger seg i retning av elektrostatiske krefter. Endene av elektrodene som den eksterne kretsen er koblet til kalles klemmer.

Så en elektrisk strøm oppstår når et elektrisk felt vises på en del av en elektrisk krets, eller en potensiell forskjell mellom to punkter på en ledning. Potensiell forskjell mellom to punkter elektrisk krets kalles spenningen eller spenningsfallet i den delen av kretsen.

I stedet for begrepet "strøm" ("strømmengde"), brukes ofte begrepet "strømstyrke".Sistnevnte kan imidlertid ikke kalles vellykket, siden strømstyrken ikke er noen kraft i ordets bokstavelige betydning, men bare intensiteten av bevegelse av elektriske ladninger i lederen, mengden elektrisitet som passerer per tidsenhet gjennom krysset. lederens snittareal.
Strømmen er karakterisert strømstyrke, som i SI-systemet måles i ampere (A), og strømtetthet, som i SI-systemet måles i ampere per kvadratmeter.

En ampere tilsvarer bevegelsen gjennom tverrsnittet av ledningen i ett sekund (s) av en ladning av elektrisitet i mengden en coulomb (C):

1A = 1C/s.

I det generelle tilfellet, som betegner strømmen med bokstaven i og ladningen q, får vi:

i = dq / dt.

Enheten for strøm kalles ampere (A).

Ampere (A) — styrken til en likestrøm som, når den passerer gjennom to parallelle rette ledere med uendelig lengde og ubetydelig tverrsnitt, plassert i et vakuum i en avstand på 1 m fra hverandre, skaper mellom disse lederne 2·10 -7 H for hver lengdemeter .

Strømmen i ledningen er 1 A hvis en elektrisk ladning lik 1 coulomb passerer gjennom ledningens tverrsnitt på 1 s.

Ris. 1. Retningsbestemt bevegelse av elektroner i en leder

Hvis en spenning virker på ledningen, oppstår det et elektrisk felt inne i ledningen. Med en feltstyrke E, virker en kraft f = Ee på elektronene med ladning e. Størrelsene e og E er vektormengder. I løpet av den frie banen får elektronene en rettet bevegelse sammen med en kaotisk. Hvert elektron har en negativ ladning og mottar komponenten av hastighet motsatt vektoren E (fig. 1). Den ordnede bevegelsen, preget av en viss gjennomsnittshastighet for elektronene vcp, bestemmer strømmen av elektrisk strøm.

Elektroner kan ha rettet bevegelse i sjeldne gasser. I elektrolytter og ioniserte gasser er strømmen hovedsakelig på grunn av bevegelser av ioner. I samsvar med det faktum at positivt ladede ioner beveger seg fra den positive polen til den negative polen i elektrolytter, har historisk sett strømretningen blitt antatt å være motsatt av elektronstrømmens retning.

Strømretningen tas som retningen de positivt ladede partiklene beveger seg i, dvs. retning motsatt av elektronbevegelsen.
I teorien om elektriske kretser tas retningen til strømmen i en passiv krets (utenfor energikildene) som bevegelsesretningen til positivt ladede partikler fra et høyere potensial til et lavere. Denne retningen ble tatt helt i begynnelsen av utviklingen av elektroteknikk og motsier den sanne bevegelsesretningen til ladningsbærere - elektroner som beveger seg i ledende medier fra minus til pluss.

Retningen til den elektriske strømmen i elektrolytten og de frie elektronene i lederen

Mengden lik forholdet mellom strømmen og tverrsnittsarealet S kalles strømtettheten: I / S

I dette tilfellet antas det at strømmen er jevnt fordelt over ledningens tverrsnitt. Strømtetthet i ledninger måles vanligvis i A/mm2.

I henhold til typen av bærere av elektriske ladninger og mediet for deres bevegelse, er de delt inn i ledende strømmer og forskyvningsstrømmer... Konduktivitet er delt inn i elektronisk og ionisk. For stasjonære moduser skilles to typer strømmer: direkte og vekslende.

Overføring av elektrisk støt kalles fenomenet overføring av elektriske ladninger fra ladede partikler eller kropper som beveger seg i ledig plass.Hovedtypen for elektrisk strømoverføring er bevegelsen i hulrommet til elementært ladede partikler (bevegelsen av frie elektroner i elektronrør), bevegelsen av frie ioner i gassutladningsenheter.

Forskyvningsstrøm (polarisasjonsstrøm) kalt den ordnede bevegelsen til tilhørende bærere av elektriske ladninger. Denne typen strøm kan observeres i dielektrikum.

Total elektrisk strøm - en skalarverdi lik summen av den elektriske ledningsstrømmen, den elektriske overføringsstrømmen og den elektriske forskyvningsstrømmen gjennom overflaten som vurderes.

Konstant kalles en strøm som kan endre seg i størrelse, men som ikke endrer fortegn på vilkårlig lang tid. Les mer om det her: DC

Magnetiserende strøm — en konstant mikroskopisk (ampere) strøm, som er årsaken til eksistensen av et iboende magnetfelt av magnetiserte stoffer.

Variabler kalt strøm som periodisk endres både i størrelse og fortegn. Mengden som karakteriserer vekselstrømmen er frekvensen (i SI-systemet måles den i hertz), i tilfelle styrken endres med jevne mellomrom.

En høyfrekvent vekselstrøm flyttes over overflaten av ledningen. Høyfrekvente strømmer brukes i maskinteknikk for varmebehandling av delers overflater og sveising, i metallurgi for smelting av metaller. Vekselstrøm er delt inn i sinusformet og ikke-sinusformet... En sinusformet strøm er en strøm som endres i henhold til en harmonisk lov:

i = synd wt,

hvor jeg er, - topp (høyeste) strømverdi, Ah,

Endringshastigheten til vekselstrøm er preget av dens Frekvens, definert som antall komplette repeterende svingninger per tidsenhet.Frekvensen er angitt med bokstaven f og måles i hertz (Hz). Så en nettstrømfrekvens på 50 Hz tilsvarer 50 komplette svingninger per sekund. Vinkelfrekvensen w er endringshastigheten for strøm i radianer per sekund og er relatert til frekvensen ved et enkelt forhold:

w = 2pi f

Stasjonære (faste) verdier av likestrøm og vekselstrøm betyr med stor bokstav I ikke-stasjonære (øyeblikkelige) verdier - med bokstaven i. Vanligvis er den positive strømretningen bevegelsesretningen til positive ladninger.

Vekselstrøm Det er en strøm som endres i henhold til sinusloven over tid.

Vekselstrøm betyr også strøm i konvensjonelle enfase- og trefasenett. I dette tilfellet endres parametrene til vekselstrømmen i henhold til den harmoniske loven.

Siden vekselstrøm endres over tid, er enkle løsninger egnet for likestrømkretser ikke direkte anvendelige her. Ved svært høye frekvenser kan ladninger oscillere – flyte fra ett sted i kretsen til et annet og tilbake igjen. I dette tilfellet, i motsetning til DC-kretser, kan strømmene i seriekoblede ledninger være ulik.

Kapasitanser i AC-kretser forsterker denne effekten. I tillegg, når strømmen endres, merkes selvinduksjonseffekter, som blir betydelige selv ved lave frekvenser dersom høyinduktansspoler brukes.

Ved relativt lave frekvenser kan AC-kretsen fortsatt beregnes vha Kirchhoffs reglersom imidlertid må endres tilsvarende.

En krets som inneholder forskjellige motstander, induktorer og kondensatorer kan betraktes som en generalisert motstand, kondensator og induktor koblet i serie.

Vurder egenskapene til en slik krets koblet til en sinusformet vekselstrømgenerator. For å formulere reglene for beregning av alternerende kretser, må du finne forholdet mellom spenningsfallet og strømmen for hver av komponentene i en slik krets.

Kondensator spiller helt forskjellige roller i AC- og DC-kretser. Hvis for eksempel en elektrokjemisk celle er koblet til kretsen, da kondensatoren begynner å ladestil spenningen i den blir lik elementets emk. Da stopper ladingen og strømmen faller til null.

Hvis kretsen er koblet til en dynamo, vil elektroner i en halvsyklus strømme fra kondensatorens venstre plate og akkumuleres til høyre, og i den andre - omvendt.

Disse bevegelige elektronene utgjør en vekselstrøm hvis styrke er lik på begge sider av kondensatoren. Så lenge AC-frekvensen ikke er veldig høy, er strømmen gjennom motstanden og induktoren også den samme.

I enheter som bruker vekselstrøm, blir vekselstrømmen ofte rettet opp likerettere for å få likestrøm.

Ledere for elektrisk strøm

Elektrisk strøm i alle dens former er et kinetisk fenomen, analogt med strømmen av væsker i lukkede hydrauliske systemer. I analogi kalles prosessen med strømbevegelse «flow» (strømstrømmer).

Materialet som strømmen går i kalles dirigent… Noen materialer går inn i superledning ved lave temperaturer. I denne tilstanden viser de nesten ingen motstand mot strøm, motstanden deres har en tendens til null.

I alle andre tilfeller motstår lederen strømmen, og som et resultat blir en del av energien til de elektriske partiklene omdannet til varme.Strømstyrken kan beregnes ved Ohms lov for tverrsnittet av kretsen og Ohms lov for hele kretsen.

Bevegelseshastigheten til partikler i ledninger avhenger av materialet til ledningen, massen og ladningen til partikkelen, temperaturen i miljøet, den påførte potensialforskjellen og er mye mindre enn lysets hastighet. Imidlertid er forplantningshastigheten til selve den elektriske strømmen lik lyshastigheten i et gitt medium, det vil si forplantningshastigheten til fronten av en elektromagnetisk bølge.

Hvordan elektrisitet påvirker menneskekroppen

Strøm som går gjennom menneske- eller dyrekroppen kan forårsake elektriske brannskader, flimmer eller død. På den annen side brukes elektrisk strøm i intensivbehandling, for å behandle psykiske sykdommer, spesielt depresjon, elektrisk stimulering av visse områder av hjernen brukes til å behandle sykdommer som Parkinsons sykdom og epilepsi, en pacemaker som stimulerer en hjertemuskel med pulserende strøm brukes til bradykardi. Hos mennesker og dyr brukes strøm til å overføre nerveimpulser.

Av sikkerhetsgrunner er den minste mottakelige strømmen for en person 1 mA. Strømmen blir farlig for en persons liv fra en styrke på ca. 0,01 A. Strømmen blir dødelig for en person fra en styrke på ca. 0,1 A. En spenning på mindre enn 42 V anses som trygg.