Elektrina

Čo je elektrický prúd

Elektrina - riadený pohyb elektricky nabitých častíc pri náraze elektrické pole... Takéto častice môžu byť: vo vodičoch - elektróny, v elektrolytoch - ióny (katióny a anióny), v polovodičoch - elektróny a takzvané "diery" ("vodivosť elektrónových dier"). Existuje tiež «predpätý prúd», ktorého tok je spôsobený procesom nabíjania kapacity, to znamená zmenou potenciálneho rozdielu medzi doskami. Medzi doskami nedochádza k pohybu častíc, ale cez kondenzátor preteká prúd.

V teórii elektrických obvodov sa za prúd považuje usmernený pohyb nosičov náboja vo vodivom prostredí pri pôsobení elektrického poľa.

Vodivý prúd (len prúd) v teórii elektrických obvodov je množstvo elektriny, ktorá preteká za jednotku času prierezom drôtu: i = q /T, kde i — prúd. A; q = 1,6·109 — náboj elektrónu, С; t — čas, s.

Tento výraz platí pre jednosmerné obvody. Pre striedavé obvody sa používajú tzv Okamžitá hodnota prúdu rovnajúca sa rýchlosti zmeny náboja v čase: i (t) = dq /dt.

Prvou podmienkou dlhodobej existencie elektrického prúdu uvažovaného typu je prítomnosť zdroja alebo generátora, ktorý udržiava potenciálny rozdiel medzi nosičmi náboja. Druhou podmienkou je uzavretie cesty. Najmä pre existenciu jednosmerného prúdu je potrebné mať uzavretú dráhu, po ktorej sa môžu náboje pohybovať v obvode bez zmeny ich hodnoty.

Ako viete, v súlade so zákonom zachovania elektrických nábojov nemôžu byť vytvorené ani zničené. Ak je teda akýkoľvek objem priestoru, kde prúdia elektrické prúdy, obklopený uzavretým povrchom, prúd tečúci v tomto objeme sa musí rovnať prúdu, ktorý z neho tečie.

Viac o tomto: Podmienky existencie elektrického prúdu

Uzavretá dráha, ktorou preteká elektrický prúd, sa nazýva elektrický obvod alebo elektrický obvod. Elektrický obvod — rozdelený na dve časti: vnútornú časť, v ktorej sa elektricky nabité častice pohybujú proti smeru elektrostatických síl, a vonkajšiu časť, v ktorej sa tieto častice pohybujú v smere elektrostatických síl. Konce elektród, ku ktorým je pripojený vonkajší obvod, sa nazývajú svorky.

Takže elektrický prúd nastane, keď sa na časti elektrického obvodu objaví elektrické pole alebo potenciálny rozdiel medzi dvoma bodmi na drôte. Potenciálny rozdiel medzi dvoma bodmi elektrický obvod sa nazývajú napätie alebo pokles napätia v tejto časti obvodu.

Namiesto výrazu „prúd“ („prúdové množstvo“) sa často používa výraz „sila prúdu“.To však nemožno nazvať úspešným, pretože sila prúdu nie je žiadna sila v doslovnom zmysle slova, ale iba intenzita pohybu elektrických nábojov vo vodiči, množstvo elektriny, ktorá prejde za jednotku času cez kríž prierezová plocha vodiča.
Prúd je charakterizovaný prúd, ktorá sa v sústave SI meria v ampéroch (A), a prúdová hustota, ktorá sa v sústave SI meria v ampéroch na meter štvorcový.

Jeden ampér zodpovedá pohybu cez prierez drôtu za jednu sekundu (s) náboja elektriny vo výške jedného coulombu (C):

1A = 1C/s.

Vo všeobecnom prípade, keď označíme prúd písmenom i a nábojom q, dostaneme:

i = dq / dt.

Jednotka prúdu sa nazýva ampér (A).

Ampér (A) — sila jednosmerného prúdu, ktorý pri prechode cez dva rovnobežné priame vodiče nekonečnej dĺžky a zanedbateľného prierezu, umiestnené vo vákuu vo vzdialenosti 1 m od seba, vytvorí medzi týmito vodičmi 2,10 -7 H na každý meter dĺžky .

Prúd v drôte je 1 A, ak elektrický náboj rovný 1 coulombu prejde prierezom drôtu za 1 s.

Ryža. 1. Smerový pohyb elektrónov vo vodiči

Ak na drôt pôsobí napätie, vo vnútri drôtu vzniká elektrické pole. Pri intenzite poľa E pôsobí na elektróny s nábojom e sila f = Ee. Veličiny e a E sú vektorové veličiny. Počas voľnej dráhy získavajú elektróny riadený pohyb spolu s chaotickým pohybom. Každý elektrón má záporný náboj a prijíma zložku rýchlosti opačnú ako je vektor E (obr. 1). Usporiadaný pohyb, charakterizovaný určitou priemernou rýchlosťou elektrónov vcp, určuje tok elektrického prúdu.

Elektróny môžu usmerňovať pohyb v riedkych plynoch. V elektrolytoch a ionizovaných plynoch je prúd spôsobený hlavne pohybom iónov. V súlade so skutočnosťou, že kladne nabité ióny sa pohybujú od kladného pólu k zápornému pólu v elektrolytoch, historicky sa predpokladalo, že smer prúdu je opačný ako smer toku elektrónov.

Smer prúdu sa berie ako smer, ktorým sa kladne nabité častice pohybujú, t.j. smer opačný k pohybu elektrónu.
V teórii elektrických obvodov sa smer prúdu v pasívnom obvode (mimo zdrojov energie) berie ako smer pohybu kladne nabitých častíc z vyššieho potenciálu na nižší. Tento smer bol prijatý na samom začiatku vývoja elektrotechniky a je v rozpore so skutočným smerom pohybu nosičov náboja - elektrónov pohybujúcich sa vo vodivých médiách z mínusu do plusu.

Smer elektrického prúdu v elektrolyte a voľných elektrónov vo vodiči

Množstvo rovnajúce sa pomeru prúdu k ploche prierezu S sa nazýva prúdová hustota: I / S

V tomto prípade sa predpokladá, že prúd je rovnomerne rozdelený po priereze drôtu. Prúdová hustota v drôtoch sa zvyčajne meria v A / mm2.

Podľa druhu nosičov elektrických nábojov a média ich pohybu sa delia na vodivé prúdy a posuvné prúdy... Vodivosť sa delí na elektronické a iónové. Pre stacionárne režimy sa rozlišujú dva typy prúdov: priame a striedavé.

Prenos elektrického výboja sa nazýva fenomén prenosu elektrických nábojov z nabitých častíc alebo telies pohybujúcich sa vo voľnom priestore.Hlavným typom prenosu elektrického prúdu je pohyb elementárnych nabitých častíc v dutine (pohyb voľných elektrónov v elektrónových trubiciach), pohyb voľných iónov v plynových výbojových zariadeniach.

Výtlačný prúd (polarizačný prúd) nazývaný usporiadaný pohyb združených nosičov elektrických nábojov. Tento typ prúdu možno pozorovať v dielektrikách.

Celkový elektrický prúd — skalárna hodnota rovnajúca sa súčtu elektrického vodivého prúdu, elektrického prenosového prúdu a elektrického posuvného prúdu cez uvažovaný povrch.

Konštanta sa nazýva prúd, ktorý môže meniť veľkosť, ale nemení svoje znamienko ľubovoľne dlho. Prečítajte si o tom viac tu: DC

Magnetizačný prúd — konštantný mikroskopický (ampérový) prúd, ktorý je dôvodom existencie vlastného magnetického poľa magnetizovaných látok.

Premenné nazývané prúd, ktoré sa periodicky menia čo do veľkosti aj znamienka. Veličina charakterizujúca striedavý prúd je frekvencia (v sústave SI sa meria v hertzoch), ak sa jeho sila periodicky mení.

Vysokofrekvenčný striedavý prúd sa posúva po povrchu drôtu. Vysokofrekvenčné prúdy sa používajú v strojárstve na tepelné spracovanie povrchov dielov a zváranie, v metalurgii na tavenie kovov. Striedavé prúdy sa delia na sínusové a nesínusové... Sínusový prúd je prúd, ktorý sa mení podľa harmonického zákona:

i = sin wt,

kde som, - špičková (najvyššia) aktuálna hodnota, Ah,

Rýchlosť zmeny striedavého prúdu je charakterizovaná jeho frekvencia, definovaný ako počet úplných opakujúcich sa kmitov za jednotku času.Frekvencia sa označuje písmenom f a meria sa v hertzoch (Hz). Frekvencia sieťového prúdu 50 Hz teda zodpovedá 50 úplným osciláciám za sekundu. Uhlová frekvencia w je rýchlosť zmeny prúdu v radiánoch za sekundu a súvisí s frekvenciou jednoduchým vzťahom:

w = 2pi f

Stacionárne (pevné) hodnoty jednosmerných a striedavých prúdov znamenajú s veľkým písmenom I nestacionárne (okamžité) hodnoty - s písmenom i. Zvyčajne je kladný smer prúdu smer pohybu kladných nábojov.

Striedavý prúd Je to prúd, ktorý sa v priebehu času mení podľa sínusového zákona.

Striedavý prúd znamená aj prúd v bežných jednofázových a trojfázových sieťach. V tomto prípade sa parametre striedavého prúdu menia podľa harmonického zákona.

Keďže striedavý prúd sa časom mení, jednoduché riešenia vhodné pre jednosmerné obvody tu nie sú priamo použiteľné. Pri veľmi vysokých frekvenciách môžu náboje oscilovať – prúdiť z jedného miesta v okruhu na druhé a späť. V tomto prípade, na rozdiel od jednosmerných obvodov, môžu byť prúdy v sériovo zapojených vodičoch nerovnaké.

Kapacity prítomné v obvodoch striedavého prúdu zvyšujú tento efekt. Okrem toho sa pri zmene prúdu prejavia samoindukčné efekty, ktoré sa stávajú významnými aj pri nízkych frekvenciách, ak sa použijú cievky s vysokou indukčnosťou.

Pri relatívne nízkych frekvenciách môže byť obvod striedavého prúdu stále vypočítaný pomocou Kirchhoffove pravidláktorý sa však musí zodpovedajúcim spôsobom zmeniť.

Obvod obsahujúci rôzne odpory, tlmivky a kondenzátory možno považovať za zovšeobecnený odpor, kondenzátor a tlmivku zapojené do série.

Zvážte vlastnosti takéhoto obvodu pripojeného k sínusovému generátoru striedavého prúdu. Ak chcete sformulovať pravidlá pre výpočet striedavých obvodov, musíte nájsť vzťah medzi poklesom napätia a prúdom pre každú zo zložiek takéhoto obvodu.

Kondenzátor hrá úplne odlišné úlohy v obvodoch AC a DC. Ak je do obvodu zapojený napríklad elektrochemický článok, potom kondenzátor sa začne nabíjaťkým sa napätie v ňom nerovná emf prvku. Potom sa nabíjanie zastaví a prúd klesne na nulu.

Ak je obvod pripojený k alternátoru, potom v jednej polovici cyklu budú elektróny prúdiť z ľavej dosky kondenzátora a akumulovať sa na pravej strane a v druhej - naopak.

Tieto pohybujúce sa elektróny tvoria striedavý prúd, ktorého sila je rovnaká na oboch stranách kondenzátora. Pokiaľ frekvencia striedavého prúdu nie je príliš vysoká, prúd cez odpor a induktor je tiež rovnaký.

V zariadeniach spotrebúvajúcich striedavý prúd sa striedavý prúd často usmerňuje usmerňovače získať jednosmerný prúd.

Vodiče pre elektrický prúd

Elektrický prúd vo všetkých jeho formách je kinetický jav, analogický s prúdením tekutín v uzavretých hydraulických systémoch. Analogicky sa proces pohybu prúdu nazýva «tok» (tečie prúd).

Materiál, v ktorom prúdi, sa nazýva vodič… Niektoré materiály prechádzajú do supravodivosti pri nízkych teplotách. V tomto stave nevykazujú takmer žiadny odpor voči prúdu, ich odpor má tendenciu k nule.

Vo všetkých ostatných prípadoch vodič odoláva toku prúdu a v dôsledku toho sa časť energie elektrických častíc premení na teplo.Prúd možno vypočítať podľa Ohmov zákon pre prierez obvodu a Ohmov zákon pre celý obvod.

Rýchlosť pohybu častíc v drôtoch závisí od materiálu drôtu, hmotnosti a náboja častice, teploty prostredia, aplikovaného rozdielu potenciálov a je oveľa menšia ako rýchlosť svetla. Rýchlosť šírenia samotného elektrického prúdu sa však rovná rýchlosti svetla v danom prostredí, teda rýchlosti šírenia čela elektromagnetickej vlny.

Ako elektrina ovplyvňuje ľudské telo

Prúd prechádzajúci ľudským alebo zvieracím telom môže spôsobiť elektrické popáleniny, fibriláciu alebo smrť. Na druhej strane elektrický prúd sa používa v intenzívnej starostlivosti, na liečbu duševných chorôb, najmä depresie, elektrická stimulácia niektorých oblastí mozgu sa používa na liečbu chorôb, ako je Parkinsonova choroba a epilepsia, kardiostimulátor, ktorý stimuluje srdcový sval pomocou pulzného prúd sa používa pri bradykardii. U ľudí a zvierat sa prúd používa na prenos nervových impulzov.

Z bezpečnostných dôvodov je minimálny vnímavý prúd pre osobu 1 mA. Prúd sa stáva nebezpečným pre život človeka už od sily okolo 0,01 A. Prúd sa stáva smrteľným pre človeka od sily okolo 0,1 A. Napätie menšie ako 42 V sa považuje za bezpečné.