Elektricitet

Vad är elektrisk ström

Elektricitet — riktad rörelse av elektriskt laddade partiklar under påverkan elektriskt fält... Sådana partiklar kan vara: i ledare - elektroner, i elektrolyter - joner (katjoner och anjoner), i halvledare - elektroner och så kallade "hål" ("elektronhåls konduktivitet"). Det finns också en "biasström", vars flöde beror på processen att ladda kapacitansen, det vill säga från en förändring i potentialskillnaden mellan plattorna. Ingen partikelrörelse sker mellan plattorna utan ström flyter genom kondensatorn.

I teorin om elektriska kretsar anses ström vara den riktade rörelsen av laddningsbärare i ett ledande medium under inverkan av ett elektriskt fält.

Ledningsström (bara ström) i teorin om elektriska kretsar är mängden elektricitet som strömmar per tidsenhet genom tvärsnittet av en tråd: i = q /T, där i - ström. A; q = 1,6·109 — elektronladdning, С; t — tid, s.

Detta uttryck gäller för DC-kretsar. För växelströmskretsar, den s.k Momentan strömvärde lika med laddningsförändringshastigheten över tiden: i (t) = dq /dt.

Det första villkoret för den långsiktiga existensen av en elektrisk ström av den övervägda typen är närvaron av en källa eller generator som upprätthåller potentialskillnaden mellan laddningsbärare. Det andra villkoret är stängning av vägen. I synnerhet, för att en likström ska existera, är det nödvändigt att ha en sluten bana längs vilken laddningar kan röra sig i kretsen utan att ändra deras värde.

Som ni vet, i enlighet med lagen om bevarande av elektriska laddningar, kan de inte skapas eller förstöras. Därför, om någon volym av utrymme där elektriska strömmar flyter är omgiven av en sluten yta, måste strömmen som flyter i den volymen vara lika med strömmen som flyter ut ur den.

Mer om detta: Förutsättningar för förekomsten av elektrisk ström

Den slutna vägen genom vilken en elektrisk ström flyter kallas en elektrisk krets eller elektrisk krets. Elektrisk krets — uppdelad i två delar: den inre delen, i vilken elektriskt laddade partiklar rör sig mot elektrostatiska krafters riktning, och den yttre delen, i vilken dessa partiklar rör sig i riktning mot elektrostatiska krafter. Ändarna på elektroderna som den externa kretsen är ansluten till kallas klämmor.

Så en elektrisk ström uppstår när ett elektriskt fält uppträder på en del av en elektrisk krets, eller en potentialskillnad mellan två punkter på en tråd. Potentiell skillnad mellan två punkter elektrisk krets kallas spänningen eller spänningsfallet i den delen av kretsen.

Istället för termen "ström" ("aktuell kvantitet") används ofta termen "strömstyrka".Det senare kan dock inte kallas framgångsrikt, eftersom strömstyrkan inte är någon kraft i ordets bokstavliga mening, utan bara intensiteten av rörelsen av elektriska laddningar i ledaren, mängden elektricitet som passerar per tidsenhet genom korset. ledarens sektionsarea.
Strömmen karakteriseras strömstyrka, som i SI-systemet mäts i ampere (A), och strömtäthet, som i SI-systemet mäts i ampere per kvadratmeter.

En ampere motsvarar rörelsen genom trådens tvärsnitt på en sekund (s) av en laddning av elektricitet i mängden en coulomb (C):

lA = IC/s.

I det allmänna fallet, som betecknar strömmen med bokstaven i och laddningen q, får vi:

i = dq / dt.

Strömenheten kallas ampere (A).

Ampere (A) — styrkan hos en likström som, när den passerar genom två parallella raka ledare med oändlig längd och försumbar tvärsektion, placerade i ett vakuum på ett avstånd av 1 m från varandra, skapar mellan dessa ledare 2·10 -7 H för varje längdmeter .

Strömmen i tråden är 1 A om en elektrisk laddning lika med 1 coulomb passerar genom trådens tvärsnitt på 1 s.

Ris. 1. Riktningsrörelse av elektroner i en ledare

Om en spänning verkar på tråden så uppstår ett elektriskt fält inuti tråden. Med en fältstyrka E verkar en kraft f = Ee på laddningselektronerna e. Storheterna e och E är vektorstorheter. Under den fria banan får elektronerna en riktad rörelse tillsammans med en kaotisk. Varje elektron har en negativ laddning och tar emot den hastighetskomponent som är motsatt vektorn E (Fig. 1). Den ordnade rörelsen, kännetecknad av en viss medelhastighet för elektronerna vcp, bestämmer flödet av elektrisk ström.

Elektroner kan ha riktad rörelse i förtärnade gaser. I elektrolyter och joniserade gaser beror strömmen främst på jonernas rörelse. I överensstämmelse med det faktum att positivt laddade joner rör sig från den positiva polen till den negativa polen i elektrolyter, har historiskt sett strömriktningen antagits vara motsatt riktningen för elektronflödet.

Strömmens riktning tas som den riktning i vilken de positivt laddade partiklarna rör sig, d.v.s. riktning motsatt elektronrörelsen.
I teorin om elektriska kretsar tas strömriktningen i en passiv krets (utanför energikällorna) som rörelseriktningen för positivt laddade partiklar från en högre potential till en lägre. Denna riktning togs i början av utvecklingen av elektroteknik och motsäger den sanna rörelseriktningen för laddningsbärare - elektroner som rör sig i ledande media från minus till plus.

Riktningen för den elektriska strömmen i elektrolyten och de fria elektronerna i ledaren

Kvantiteten lika med förhållandet mellan strömmen och tvärsnittsarean S kallas strömtätheten: I / S

I detta fall antas det att strömmen är jämnt fördelad över trådens tvärsnitt. Strömtäthet i ledningar mäts vanligtvis i A/mm2.

Beroende på typen av bärare av elektriska laddningar och mediet för deras rörelse, delas de in i ledande strömmar och förskjutningsströmmar... Konduktivitet är uppdelad i elektroniska och joniska. För stationära lägen särskiljs två typer av strömmar: direkt och alternerande.

Överföring av elektrisk stöt kallas fenomenet överföring av elektriska laddningar från laddade partiklar eller kroppar som rör sig i fritt utrymme.Den huvudsakliga typen av elektrisk strömöverföring är rörelsen i kaviteten hos elementärt laddade partiklar (rörelsen av fria elektroner i elektronrör), rörelsen av fria joner i gasurladdningsanordningar.

Förskjutningsström (polarisationsström) kallas den ordnade rörelsen av tillhörande bärare av elektriska laddningar. Denna typ av ström kan observeras i dielektrikum.

Total elektrisk ström — ett skalärt värde lika med summan av den elektriska ledningsströmmen, den elektriska överföringsströmmen och den elektriska förskjutningsströmmen genom den aktuella ytan.

Konstant kallas en ström som kan ändras i storlek, men som inte ändrar sitt tecken under en godtyckligt lång tid. Läs mer om det här: DC

Magnetiseringsström — en konstant mikroskopisk (ampere) ström, vilket är orsaken till förekomsten av ett inre magnetfält av magnetiserade ämnen.

Variabler som kallas ström som periodiskt ändras både i storlek och tecken. Den kvantitet som kännetecknar växelströmmen är frekvensen (i SI-systemet mäts den i hertz), om dess styrka ändras periodiskt.

En högfrekvent växelström skiftas över trådens yta. Högfrekventa strömmar används inom mekanik för värmebehandling av delars ytor och svetsning, inom metallurgi för smältning av metaller. Växelströmmar delas in i sinusformad och icke-sinusformad... En sinusformad ström är en ström som ändras enligt en harmonisk lag:

i = synd wt,

var är jag, - topp (högsta) strömvärde, Ah,

Förändringshastigheten för växelström kännetecknas av dess frekvens, definierat som antalet fullständiga repetitiva svängningar per tidsenhet.Frekvensen betecknas med bokstaven f och mäts i hertz (Hz). Så en nätströmsfrekvens på 50 Hz motsvarar 50 kompletta svängningar per sekund. Vinkelfrekvensen w är strömförändringshastigheten i radianer per sekund och är relaterad till frekvensen genom ett enkelt förhållande:

w = 2pi f

Stationära (fasta) värden för lik- och växelström betyder med stor bokstav I icke-stationära (momentana) värden - med bokstaven i. Vanligtvis är strömmens positiva riktning rörelseriktningen för positiva laddningar.

Växelström Det är en ström som förändras enligt den sinusformade lagen över tid.

Med växelström menas även ström i konventionella enfas- och trefasnät. I detta fall ändras parametrarna för växelströmmen enligt den harmoniska lagen.

Eftersom växelströmmen förändras över tiden är enkla lösningar lämpliga för DC-kretsar inte direkt tillämpliga här. Vid mycket höga frekvenser kan laddningar svänga – flöda från en plats i kretsen till en annan och tillbaka igen. I detta fall, till skillnad från DC-kretsar, kan strömmarna i seriekopplade ledningar vara olika.

Kapacitanser som finns i AC-kretsar förstärker denna effekt. Dessutom, när strömmen ändras, märks självinduktionseffekter som blir betydande även vid låga frekvenser om höginduktansspolar används.

Vid relativt låga frekvenser kan AC-kretsen fortfarande beräknas med hjälp av Kirchhoffs reglersom dock måste ändras i enlighet med detta.

En krets som innehåller olika motstånd, induktorer och kondensatorer kan ses som ett generaliserat motstånd, kondensator och induktor kopplade i serie.

Tänk på egenskaperna hos en sådan krets ansluten till en sinusformad växelströmsgenerator. För att formulera reglerna för beräkning av alternerande kretsar måste du hitta förhållandet mellan spänningsfallet och strömmen för var och en av komponenterna i en sådan krets.

Kondensor spelar helt olika roller i AC- och DC-kretsar. Om till exempel en elektrokemisk cell är ansluten till kretsen, då kondensatorn börjar laddastills spänningen i den blir lika med elementets emk. Då upphör laddningen och strömmen sjunker till noll.

Om kretsen är ansluten till en generator, kommer elektroner i en halvcykel att strömma från kondensatorns vänstra platta och ackumuleras till höger, och i den andra - vice versa.

Dessa rörliga elektroner utgör en växelström vars styrka är lika på båda sidor om kondensatorn. Så länge AC-frekvensen inte är särskilt hög är strömmen genom motståndet och induktorn också densamma.

I enheter som förbrukar växelström likriktas ofta växelströmmen likriktare för att få likström.

Ledare för elektrisk ström

Elektrisk ström i alla dess former är ett kinetiskt fenomen, analogt med flödet av vätskor i slutna hydrauliska system. I analogi kallas strömrörelseprocessen «flöde» (strömflöden).

Det material som strömmen flyter i kallas dirigent… Vissa material går i supraledning vid låga temperaturer. I detta tillstånd visar de nästan inget motstånd mot ström, deras motstånd tenderar till noll.

I alla andra fall motstår ledaren strömflödet, och som ett resultat omvandlas en del av energin hos de elektriska partiklarna till värme.Strömstyrkan kan beräknas med Ohms lag för kretsens tvärsnitt och Ohms lag för hela kretsen.

Rörelsehastigheten för partiklar i trådar beror på trådens material, partikelns massa och laddning, omgivningens temperatur, den applicerade potentialskillnaden och är mycket mindre än ljusets hastighet. Utbredningshastigheten för själva den elektriska strömmen är dock lika med ljusets hastighet i ett givet medium, det vill säga utbredningshastigheten för fronten av en elektromagnetisk våg.

Hur elektricitet påverkar människokroppen

Ström som passerar genom människo- eller djurkroppen kan orsaka elektriska brännskador, flimmer eller dödsfall. Däremot används elektrisk ström på intensivvården, för att behandla psykiska sjukdomar, speciellt depression, elektrisk stimulering av vissa delar av hjärnan används för att behandla sjukdomar som Parkinsons sjukdom och epilepsi, en pacemaker som stimulerar en hjärtmuskel med pulserande ström används för bradykardi. Hos människor och djur används ström för att överföra nervimpulser.

Av säkerhetsskäl är den minsta mottagliga strömmen för en person 1 mA. Strömmen blir farlig för en persons liv från en styrka på cirka 0,01 A. Strömmen blir dödlig för en person från en styrka på cirka 0,1 A. En spänning på mindre än 42 V anses vara säker.