Elektřina

Co je elektrický proud

Elektřina — řízený pohyb elektricky nabitých částic při nárazu elektrické pole... Takové částice mohou být: ve vodičích - elektrony, v elektrolytech - ionty (kationty a anionty), v polovodičích - elektrony a tzv. "díra" ("vodivost elektronových děr"). Existuje také „předpětí“, jehož tok je způsoben procesem nabíjení kapacity, to znamená změnou potenciálového rozdílu mezi deskami. Mezi deskami nedochází k žádnému pohybu částic, ale proud protéká kondenzátorem.

V teorii elektrických obvodů je proud považován za řízený pohyb nosičů náboje ve vodivém prostředí při působení elektrického pole.

Vodivý proud (prostý proud) v teorii elektrických obvodů je množství elektřiny protékající za jednotku času průřezem vodiče: i = q /T, kde i — proud. A; q = 1,6·109 — náboj elektronu, С; t — čas, s.

Tento výraz platí pro stejnosměrné obvody. Pro obvody střídavého proudu, t. zv Okamžitá hodnota proudu rovna rychlosti změny náboje v čase: i (t) = dq /dt.

První podmínkou dlouhodobé existence elektrického proudu uvažovaného typu je přítomnost zdroje nebo generátoru, který udržuje potenciální rozdíl mezi nosiči náboje. Druhou podmínkou je uzavření silnice. Zejména pro existenci stejnosměrného proudu je nutné mít uzavřenou dráhu, po které se mohou náboje pohybovat v obvodu, aniž by se změnila jejich hodnota.

Jak víte, v souladu se zákonem zachování elektrických nábojů je nelze vytvořit ani zničit. Pokud je tedy nějaký objem prostoru, kde protékají elektrické proudy, obklopen uzavřeným povrchem, proud protékající tímto objemem se musí rovnat proudu, který z něj teče.

Více o tomto: Podmínky existence elektrického proudu

Uzavřená dráha, kterou protéká elektrický proud, se nazývá elektrický obvod nebo elektrický obvod. Elektrický obvod — rozdělený na dvě části: vnitřní část, ve které se elektricky nabité částice pohybují proti směru elektrostatických sil, a vnější část, ve které se tyto částice pohybují ve směru elektrostatických sil. Konce elektrod, ke kterým je připojen vnější obvod, se nazývají svorky.

Takže elektrický proud nastane, když se na části elektrického obvodu objeví elektrické pole nebo potenciální rozdíl mezi dvěma body na drátu. Potenciální rozdíl mezi dvěma body elektrický obvod se nazývají napětí nebo úbytek napětí v této části obvodu.

Místo termínu „proud“ („aktuální veličina“) se často používá termín „síla proudu“.To však nelze nazvat úspěšným, protože síla proudu není žádná síla v doslovném slova smyslu, ale pouze intenzita pohybu elektrických nábojů ve vodiči, množství elektřiny procházející za jednotku času křížem. průřezová plocha vodiče.
Charakteristický je proud proud, která se v soustavě SI měří v ampérech (A), a proudová hustota, která se v soustavě SI měří v ampérech na metr čtvereční.

Jeden ampér odpovídá pohybu náboje elektřiny ve výši jednoho coulombu (C) průřezem drátu za jednu sekundu (s):

1A = 1C/s.

V obecném případě, když označíme proud písmenem i a nábojem q, dostaneme:

i = dq / dt.

Jednotka proudu se nazývá ampér (A).

Ampér (A) — síla stejnosměrného proudu, který při průchodu dvěma rovnoběžnými přímými vodiči nekonečné délky a zanedbatelného průřezu, umístěnými ve vakuu ve vzdálenosti 1 m od sebe, vytvoří mezi těmito vodiči 2·10 -7 H na každý metr délky .

Proud ve vodiči je 1 A, pokud průřezem vodiče projde za 1 s elektrický náboj rovný 1 coulombu.

Rýže. 1. Směrový pohyb elektronů ve vodiči

Pokud na vodič působí napětí, vzniká uvnitř vodiče elektrické pole. Při intenzitě pole E působí na elektrony s nábojem e síla f = Ee. Veličiny e a E jsou vektorové veličiny. Během volné dráhy získávají elektrony usměrněný pohyb spolu s chaotickým pohybem. Každý elektron má záporný náboj a přijímá složku rychlosti opačnou k vektoru E (obr. 1). Uspořádaný pohyb, charakterizovaný určitou průměrnou rychlostí elektronů vcp, určuje tok elektrického proudu.

Elektrony mohou mít řízený pohyb ve zředěných plynech. V elektrolytech a ionizovaných plynech je proud způsoben hlavně pohybem iontů. V souladu se skutečností, že se kladně nabité ionty v elektrolytech pohybují od kladného pólu k zápornému pólu, se historicky předpokládalo, že směr proudu je opačný než směr toku elektronů.

Směr proudu se bere jako směr, kterým se kladně nabité částice pohybují, tzn. směr opačný než je pohyb elektronu.
V teorii elektrických obvodů je směr proudu v pasivním obvodu (mimo zdroje energie) brán jako směr pohybu kladně nabitých částic z vyššího potenciálu do nižšího. Tento směr byl nabrán na samém počátku rozvoje elektrotechniky a je v rozporu se skutečným směrem pohybu nosičů náboje — elektronů pohybujících se ve vodivém prostředí z minusu do plusu.

Směr elektrického proudu v elektrolytu a volných elektronů ve vodiči

Veličina rovnající se poměru proudu k ploše průřezu S se nazývá proudová hustota: I / S

V tomto případě se předpokládá, že proud je rovnoměrně rozložen po průřezu drátu. Proudová hustota ve vodičích se obvykle měří v A / mm2.

Podle druhu nosičů elektrických nábojů a média jejich pohybu se dělí na vodivé proudy a posuvné proudy... Vodivost se dělí na elektronickou a iontovou. Pro stacionární režimy se rozlišují dva typy proudů: stejnosměrný a střídavý.

Přenos elektrického výboje se nazývá jev přenosu elektrického náboje z nabitých částic nebo těles pohybujících se ve volném prostoru.Hlavním typem přenosu elektrického proudu je pohyb elementárních nabitých částic v dutině (pohyb volných elektronů v elektronkách), pohyb volných iontů v plynových výbojových zařízeních.

Posuvný proud (polarizační proud) nazývaný uspořádaný pohyb sdružených nosičů elektrických nábojů. Tento typ proudu lze pozorovat v dielektrikách.

Celkový elektrický proud — skalární hodnota rovna součtu elektrického vodivého proudu, elektrického přenosového proudu a elektrického posuvného proudu uvažovaným povrchem.

Konstanta se nazývá proud, který se může měnit ve velikosti, ale libovolně dlouhou dobu nemění své znaménko. Přečtěte si o tom více zde: DC

Magnetizační proud — konstantní mikroskopický (ampérový) proud, který je důvodem existence vlastního magnetického pole magnetizovaných látek.

Proměnné nazývané proud, které se periodicky mění jak ve velikosti, tak ve znaménku. Veličinou charakterizující střídavý proud je frekvence (v soustavě SI se měří v hertzech), pokud se jeho síla periodicky mění.

Vysokofrekvenční střídavý proud je posunut po povrchu drátu. Vysokofrekvenční proudy se používají ve strojírenství k tepelnému zpracování povrchů dílů a svařování, v metalurgii k tavení kovů. Střídavé proudy se dělí na sinusové a nesinusové… Sinusový proud je proud, který se mění podle harmonického zákona:

i = sin wt,

kde jsem, - špičková (nejvyšší) aktuální hodnota, ach,

Rychlost změny střídavého proudu je charakterizována jeho frekvence, definovaný jako počet úplných opakujících se kmitů za jednotku času.Frekvence se označuje písmenem f a měří se v hertzech (Hz). Frekvence síťového proudu 50 Hz tedy odpovídá 50 úplným oscilacím za sekundu. Úhlová frekvence w je rychlost změny proudu v radiánech za sekundu a souvisí s frekvencí pomocí jednoduchého vztahu:

w = 2pi f

Stacionární (pevné) hodnoty stejnosměrných a střídavých proudů znamenají s velkým písmenem I nestacionární (okamžité) hodnoty - s písmenem i. Obvykle je kladný směr proudu směrem pohybu kladných nábojů.

Střídavý proud Je to proud, který se v čase mění podle sinusového zákona.

Střídavý proud znamená také proud v běžných jednofázových a třífázových sítích. V tomto případě se parametry střídavého proudu mění podle harmonického zákona.

Protože se střídavý proud v čase mění, jednoduchá řešení vhodná pro stejnosměrné obvody zde nejsou přímo použitelná. Při velmi vysokých frekvencích mohou náboje oscilovat – proudit z jednoho místa v okruhu na druhé a zase zpět. V tomto případě, na rozdíl od stejnosměrných obvodů, mohou být proudy v sériově zapojených vodičích nestejné.

Kapacity přítomné ve střídavých obvodech tento efekt zvyšují. Při změně proudu jsou navíc pociťovány samoindukční efekty, které se stávají významnými i při nízkých frekvencích, pokud jsou použity cívky s vysokou indukčností.

Při relativně nízkých frekvencích lze střídavý obvod stále vypočítat pomocí Kirchhoffova pravidlakterý však musí být odpovídajícím způsobem upraven.

Obvod obsahující různé odpory, induktory a kondenzátory lze považovat za zobecněný odpor, kondenzátor a induktor zapojené do série.

Zvažte vlastnosti takového obvodu připojeného k sinusovému generátoru střídavého proudu. Chcete-li formulovat pravidla pro výpočet střídavých obvodů, musíte najít vztah mezi úbytkem napětí a proudem pro každou ze součástí takového obvodu.

Kondenzátor hraje v obvodech AC a DC zcela odlišné role. Pokud je do obvodu zapojen např. elektrochemický článek, pak kondenzátor se začne nabíjetdokud se napětí v něm nerovná emf prvku. Poté se nabíjení zastaví a proud klesne na nulu.

Pokud je obvod připojen k alternátoru, pak v jednom půlcyklu budou elektrony proudit z levé desky kondenzátoru a akumulovat se na pravé straně a ve druhé - naopak.

Tyto pohybující se elektrony tvoří střídavý proud, jehož síla je na obou stranách kondenzátoru stejná. Dokud není frekvence střídavého proudu příliš vysoká, proud přes odpor a induktor je také stejný.

U zařízení spotřebovávajících střídavý proud je střídavý proud často usměrněn usměrňovače získat stejnosměrný proud.

Vodiče pro elektrický proud

Elektrický proud ve všech svých formách je kinetický jev, analogický s prouděním tekutin v uzavřených hydraulických systémech. Analogicky se proces pohybu proudu nazývá «flow» (proud teče).

Nazývá se materiál, ve kterém protéká proud dirigent… Některé materiály přecházejí do supravodivosti při nízkých teplotách. V tomto stavu nevykazují téměř žádný odpor vůči proudu, jejich odpor bývá nulový.

Ve všech ostatních případech vodič odolává toku proudu a v důsledku toho se část energie elektrických částic přemění na teplo.Intenzitu proudu lze vypočítat pomocí Ohmův zákon pro průřez obvodu a Ohmův zákon pro celý obvod.

Rychlost pohybu částic v drátech závisí na materiálu drátu, hmotnosti a náboji částice, teplotě prostředí, použitém potenciálovém rozdílu a je mnohem menší než rychlost světla. Samotná rychlost šíření elektrického proudu je však rovna rychlosti světla v daném prostředí, tedy rychlosti šíření čela elektromagnetické vlny.

Jak elektřina ovlivňuje lidské tělo

Proud procházející lidským nebo zvířecím tělem může způsobit elektrické popáleniny, fibrilaci nebo smrt. Na druhé straně se elektrický proud používá v intenzivní péči, k léčbě duševních chorob, zejména deprese, elektrická stimulace určitých oblastí mozku se používá k léčbě onemocnění, jako je Parkinsonova choroba a epilepsie, kardiostimulátor, který stimuluje srdeční sval pomocí pulzního proud se používá při bradykardii. U lidí a zvířat se proud používá k přenosu nervových vzruchů.

Z bezpečnostních důvodů je minimální vnímavý proud pro osobu 1 mA. Proud se stává životu nebezpečným již od síly přibližně 0,01 A. Proud se stává pro člověka smrtelným již od síly přibližně 0,1 A. Napětí nižší než 42 V je považováno za bezpečné.