Elektryczność

Co to jest prąd elektryczny

Elektryczność — ukierunkowany ruch cząstek naładowanych elektrycznie pod wpływem uderzenia pole elektryczne... Takimi cząstkami mogą być: w przewodnikach - elektrony, w elektrolitach - jony (kationy i aniony), w półprzewodnikach - elektrony i tzw. „dziury” („przewodnictwo dziur elektronowych”). Istnieje również „prąd polaryzacji”, którego przepływ wynika z procesu ładowania pojemności, czyli ze zmiany różnicy potencjałów między okładkami. Pomiędzy okładkami nie występuje żaden ruch cząstek, ale prąd przepływa przez kondensator.

W teorii obwodów elektrycznych za prąd uważa się ukierunkowany ruch nośników ładunku w ośrodku przewodzącym pod wpływem pola elektrycznego.

Prąd przewodzenia (po prostu prąd) w teorii obwodów elektrycznych to ilość energii elektrycznej przepływającej w jednostce czasu przez przekrój przewodu: i = q /T, gdzie i — prąd. A; q = 1,6·109 — ładunek elektronu, С; t — czas, s.

To wyrażenie jest ważne dla obwodów prądu stałego. Dla obwodów prądu przemiennego tzw Chwilowa wartość prądu równa szybkości zmiany ładunku w czasie: i (t) = dq /dt.

Pierwszym warunkiem długotrwałego istnienia prądu elektrycznego rozważanego typu jest obecność źródła lub generatora, który utrzymuje różnicę potencjałów między nośnikami ładunku. Drugim warunkiem jest zamknięcie drogi. W szczególności, aby istniał prąd stały, konieczna jest zamknięta ścieżka, po której ładunki mogą poruszać się w obwodzie bez zmiany ich wartości.

Jak wiecie, zgodnie z prawem zachowania ładunków elektrycznych nie można ich tworzyć ani niszczyć. Dlatego jeśli jakakolwiek objętość przestrzeni, w której płyną prądy elektryczne, jest otoczona zamkniętą powierzchnią, prąd płynący w tej objętości musi być równy prądowi wypływającemu z niej.

Więcej na ten temat: Warunki istnienia prądu elektrycznego

Zamknięta ścieżka, przez którą przepływa prąd elektryczny, nazywana jest obwodem elektrycznym lub obwodem elektrycznym. Obwód elektryczny — podzielony na dwie części: część wewnętrzną, w której cząstki naładowane elektrycznie poruszają się w kierunku przeciwnym do działania sił elektrostatycznych, oraz część zewnętrzną, w której cząstki te poruszają się zgodnie z kierunkiem działania sił elektrostatycznych. Końce elektrod, do których podłączony jest obwód zewnętrzny, nazywane są zaciskami.

Tak więc prąd elektryczny pojawia się, gdy pole elektryczne pojawia się na odcinku obwodu elektrycznego lub różnica potencjałów między dwoma punktami na przewodzie. Potencjalna różnica między dwoma punktami obwód elektryczny nazywane są napięciem lub spadkiem napięcia w tej części obwodu.

Zamiast terminu „prąd” („aktualna ilość”) często używa się terminu „natężenie prądu”.Jednak tego ostatniego nie można nazwać sukcesem, ponieważ siła prądu nie jest żadną siłą w dosłownym tego słowa znaczeniu, a jedynie intensywnością ruchu ładunków elektrycznych w przewodniku, ilością energii elektrycznej przechodzącej w jednostce czasu przez krzyż- pole przekroju przewodnika.
Prąd jest scharakteryzowany natężenie w amperach, która w układzie SI jest mierzona w amperach (A), oraz gęstość prądu, która w układzie SI jest mierzona w amperach na metr kwadratowy.

Jeden amper odpowiada przemieszczeniu się przez przekrój drutu w ciągu jednej sekundy (s) ładunku elektrycznego w ilości jednego kulomba (C):

1A = 1C/s.

W ogólnym przypadku, oznaczając prąd literą i i ładunkiem q, otrzymujemy:

i = dq / dt.

Jednostką natężenia prądu jest amper (A).

Amper (A) — natężenie prądu stałego, który przepływając przez dwa równoległe proste przewodniki o nieskończonej długości i znikomym przekroju poprzecznym, znajdujące się w próżni w odległości 1 m od siebie, wytwarza między tymi przewodami 2,10 -7 H na każdy metr długości.

Prąd w przewodzie wynosi 1 A, jeśli ładunek elektryczny równy 1 kulombowi przepływa przez przekrój poprzeczny przewodu w ciągu 1 s.

Ryż. 1. Kierunkowy ruch elektronów w przewodniku

Jeśli na drut działa napięcie, wewnątrz drutu powstaje pole elektryczne. Przy natężeniu pola E siła f = Ee działa na elektrony o ładunku e. Wielkości e i E są wielkościami wektorowymi. Podczas swobodnej drogi elektrony uzyskują ruch skierowany i chaotyczny. Każdy elektron ma ładunek ujemny i otrzymuje składową prędkości przeciwną do wektora E (rys. 1). Uporządkowany ruch, charakteryzujący się pewną średnią prędkością elektronów vcp, determinuje przepływ prądu elektrycznego.

Elektrony mogą kierować ruchem w rozrzedzonych gazach. W elektrolitach i zjonizowanych gazach prąd wynika głównie z ruchu jonów. Zgodnie z faktem, że dodatnio naładowane jony przemieszczają się od bieguna dodatniego do ujemnego w elektrolitach, historycznie zakładano, że kierunek prądu jest przeciwny do kierunku przepływu elektronów.

Kierunek prądu jest traktowany jako kierunek, w którym poruszają się dodatnio naładowane cząstki, tj. kierunku przeciwnym do ruchu elektronu.
W teorii obwodów elektrycznych kierunek prądu w obwodzie biernym (poza źródłami energii) przyjmuje się jako kierunek ruchu cząstek naładowanych dodatnio od potencjału wyższego do niższego. Kierunek ten został obrany na samym początku rozwoju elektrotechniki i jest sprzeczny z prawdziwym kierunkiem ruchu nośników ładunku - elektronów poruszających się w ośrodkach przewodzących od minusa do plusa.

Kierunek prądu elektrycznego w elektrolicie i swobodnych elektronów w przewodniku

Wielkość równa stosunkowi prądu do pola przekroju S nazywa się gęstością prądu: I / S

W tym przypadku zakłada się, że prąd jest równomiernie rozłożony na przekroju drutu. Gęstość prądu w przewodach jest zwykle mierzona w A / mm2.

Ze względu na rodzaj nośników ładunków elektrycznych i środek ich ruchu dzielą się na prądy przewodzące i prądy przesunięcia... Przewodnictwo dzieli się na elektroniczne i jonowe. W przypadku trybów stacjonarnych rozróżnia się dwa rodzaje prądów: stały i przemienny.

Przeniesienie wstrząsu elektrycznego nazywane jest zjawiskiem przenoszenia ładunków elektrycznych od naładowanych cząstek lub ciał poruszających się w wolnej przestrzeni.Głównym rodzajem przenoszenia prądu elektrycznego jest ruch we wnęce elementarnych naładowanych cząstek (ruch swobodnych elektronów w lampach elektronowych), ruch swobodnych jonów w urządzeniach wyładowczych.

Prąd przesunięcia (prąd polaryzacji) zwany uporządkowanym ruchem powiązanych nośników ładunków elektrycznych. Ten rodzaj prądu można zaobserwować w dielektrykach.

Całkowity prąd elektryczny — wartość skalarna równa sumie prądu przewodzenia, prądu przewodzenia i prądu przesunięcia elektrycznego przez rozważaną powierzchnię.

Stała nazywana jest prądem, który może zmieniać wielkość, ale nie zmienia swojego znaku przez dowolnie długi czas. Przeczytaj więcej na ten temat tutaj: DC

Prąd magnesujący — stały mikroskopijny (amperowy) prąd, który jest przyczyną istnienia wewnętrznego pola magnetycznego namagnesowanych substancji.

Zmienne zwane prądem, które okresowo zmieniają zarówno wielkość, jak i znak. Wielkością charakteryzującą prąd przemienny jest częstotliwość (w układzie SI mierzona w hercach), w przypadku okresowych zmian jego natężenia.

Prąd przemienny o wysokiej częstotliwości przesuwa się po powierzchni drutu. Prądy o wysokiej częstotliwości są wykorzystywane w inżynierii mechanicznej do obróbki cieplnej powierzchni części i spawania, w metalurgii do topienia metali. Prądy przemienne dzielą się na sinusoidalne i niesinusoidalne… Prąd sinusoidalny to prąd, który zmienia się zgodnie z prawem harmonicznym:

i = grzech waga,

gdzie jestem, - szczytowa (najwyższa) wartość prądu, Ach,

Szybkość zmian prądu przemiennego charakteryzuje się jego częstotliwość, zdefiniowany jako liczba pełnych powtarzalnych oscylacji w jednostce czasu.Częstotliwość jest oznaczona literą f i jest mierzona w hercach (Hz). Tak więc częstotliwość prądu sieciowego 50 Hz odpowiada 50 pełnym oscylacjom na sekundę. Częstotliwość kątowa w jest szybkością zmian prądu w radianach na sekundę i jest powiązana z częstotliwością za pomocą prostej zależności:

w = 2 pi f

Stacjonarne (stałe) wartości prądów stałych i przemiennych oznaczają wielką literą I wartości niestacjonarne (chwilowe) - literą i. Zwykle dodatni kierunek prądu jest kierunkiem ruchu ładunków dodatnich.

Prąd przemienny Jest to prąd, który zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym w czasie.

Prąd przemienny oznacza również prąd w konwencjonalnych sieciach jednofazowych i trójfazowych. W tym przypadku parametry prądu przemiennego zmieniają się zgodnie z prawem harmonicznym.

Ponieważ prąd przemienny zmienia się w czasie, proste rozwiązania odpowiednie dla obwodów prądu stałego nie mają tutaj bezpośredniego zastosowania. Przy bardzo wysokich częstotliwościach ładunki mogą oscylować — przepływać z jednego miejsca w obwodzie do drugiego iz powrotem. W tym przypadku, w przeciwieństwie do obwodów prądu stałego, prądy w przewodach połączonych szeregowo mogą być nierówne.

Pojemności występujące w obwodach prądu przemiennego wzmacniają ten efekt. Ponadto, gdy zmienia się prąd, odczuwalne są efekty samoindukcji, które stają się znaczące nawet przy niskich częstotliwościach, jeśli stosowane są cewki o wysokiej indukcyjności.

Przy stosunkowo niskich częstotliwościach obwód prądu przemiennego można nadal obliczyć za pomocą Reguły Kirchhoffaktóre jednak należy odpowiednio zmienić.

Obwód zawierający różne rezystory, cewki indukcyjne i kondensatory można traktować jako uogólniony rezystor, kondensator i cewkę indukcyjną połączone szeregowo.

Rozważ właściwości takiego obwodu podłączonego do sinusoidalnego generatora prądu przemiennego. Aby sformułować zasady obliczania obwodów przemiennych, należy znaleźć zależność między spadkiem napięcia a prądem dla każdego ze składników takiego obwodu.

Skraplacz pełni zupełnie inne role w obwodach prądu przemiennego i stałego. Jeśli na przykład do obwodu podłączone jest ogniwo elektrochemiczne, to kondensator zacznie się ładowaćaż napięcie w nim stanie się równe emf elementu. Następnie ładowanie zostanie zatrzymane, a prąd spadnie do zera.

Jeśli obwód jest podłączony do alternatora, to w jednym półokresie elektrony będą płynąć z lewej płyty kondensatora i gromadzić się po prawej, aw drugiej odwrotnie.

Te poruszające się elektrony tworzą prąd przemienny, którego siła jest jednakowa po obu stronach kondensatora. Dopóki częstotliwość AC nie jest bardzo wysoka, prąd płynący przez rezystor i cewkę indukcyjną jest również taki sam.

W urządzeniach pobierających prąd przemienny prąd przemienny jest często prostowany prostowniki uzyskać prąd stały.

Przewodniki prądu elektrycznego

Prąd elektryczny we wszystkich swoich postaciach jest zjawiskiem kinetycznym, analogicznym do przepływu płynów w zamkniętych układach hydraulicznych. Przez analogię proces przepływu prądu nazywany jest „przepływem” (przepływ prądu).

Materiał, w którym płynie prąd, nazywa się konduktor… Niektóre materiały przechodzą w stan nadprzewodnictwa w niskich temperaturach. W tym stanie nie wykazują prawie żadnej odporności na prąd, ich rezystancja dąży do zera.

We wszystkich innych przypadkach przewodnik stawia opór przepływowi prądu, w wyniku czego część energii cząstek elektrycznych jest zamieniana na ciepło.Amperaż można obliczyć za pomocą Prawo Ohma dla przekroju obwodu i prawo Ohma dla całego obwodu.

Prędkość ruchu cząstek w przewodach zależy od materiału drutu, masy i ładunku cząstki, temperatury otoczenia, przyłożonej różnicy potencjałów i jest znacznie mniejsza od prędkości światła. Jednak sama prędkość propagacji prądu elektrycznego jest równa prędkości światła w danym ośrodku, czyli prędkości propagacji czoła fali elektromagnetycznej.

Jak elektryczność wpływa na organizm człowieka

Prąd przepływający przez ciało człowieka lub zwierzęcia może spowodować oparzenia elektryczne, migotanie lub śmierć. Z drugiej strony prąd elektryczny jest używany w intensywnej terapii, w leczeniu chorób psychicznych, zwłaszcza depresji, elektryczna stymulacja niektórych obszarów mózgu jest stosowana w leczeniu chorób takich jak choroba Parkinsona i epilepsja, rozrusznik serca, który stymuluje mięsień sercowy impulsami prąd jest używany do bradykardii. U ludzi i zwierząt prąd służy do przekazywania impulsów nerwowych.

Ze względów bezpieczeństwa minimalny prąd odbiorczy dla człowieka wynosi 1 mA. Prąd staje się niebezpieczny dla życia człowieka już od wartości około 0,01 A. Prąd staje się śmiertelny dla człowieka już od wartości około 0,1 A. Napięcie mniejsze niż 42 V jest uważane za bezpieczne.