Gdje prolazi struja? Postoje i drugi načini stvaranja unutarnje struje

Strujni udar zove se uređeno kretanje električnih naboja. Usmjereno kretanje električnih naboja u vodiču pod utjecajem sila električno polje nazvao struja provođenja. Za pojavu i postojanje struje provođenja potrebna su dva uvjeta:

1. Prisutnost električnih naboja u određenoj okolini. U metalima su to elektroni vodljivosti; u tekućim vodičima (elektrolitima) – pozitivni i negativni ioni; u plinovima – pozitivni ioni i elektroni.

2. Prisutnost električnog polja, čija bi energija bila utrošena na kretanje električnih naboja.

Za smjer električna struja uvjetno prihvatiti smjer kretanja pozitivni naboji. Kvantitativna karakteristika električne struje je jakost struje– naboj koji teče kroz presjek vodiča u jedinici vremena:

Jačina struje može se povezati s prosječna brzina υ naređeno kretanje naboja. Tijekom vremena dt kroz presjek vodiča s površinom dS punjenje će iscuriti dq, zatvoren u volumenu vodiča duljine dl= υ . dt, (Sl. 5.1)

dq=q 0 . n. dS. dl,

Gdje q 0– naboj svake čestice, n– koncentracija čestica.

Zatim jakost struje

. (5.2)

Gustoća strujej– vektor fizička količina, brojčano jednaka jakosti struje koja prolazi kroz jedinicu površine poprečnog presjeka vodiča povučenu okomito na smjer struje, a podudara se sa smjerom struje

Da bi struja bila dugotrajna, potreban je uređaj u kojem se neka vrsta energije kontinuirano pretvara u energiju električnog polja. Takav uređaj se zove strujni izvor. U strujnom izvoru kretanje nositelja događa se protivno silama polja, a to je moguće samo zbog sila neelektrostatskog podrijetla, tzv. vanjskim silama.

veličina, jednak radu vanjske sile za pomicanje jednog pozitivnog naboja po zatvorenom krugu nazivaju se elektromotorna sila(EMF) x ,

Vanjska sila koja djeluje na naboj može se prikazati kroz jakost polja vanjskih sila

tada je emf za zatvoreni krug određena izrazom

Posljedično, EMF koji djeluje u zatvorenom krugu jednak je cirkulaciji vektora jakosti polja vanjskih sila.

Količina brojčano jednaka radu električnih i vanjskih sila pri pozitivnom pomicanju jedinice h naboj u određenom dijelu kruga naziva se napon:

dS tga=1/R

Sl.5.1 Sl.5.2

5.2 Generalizirani Ohmov zakon. Diferencijalni oblik Ohmovog zakona

Za svaki vodič - čvrsti, tekući i plinoviti - postoji određena ovisnost jakost struje od primijenjenog napona – volt-amperska karakteristika (VAC). Ima najjednostavniji oblik za metalne vodiče i otopine elektrolita (slika 5.2) i određen je Ohmovim zakonom.

Prema zakonu Ohm za homogeni dio strujnog kruga (koji ne sadrži vanjske sile), jakost struje izravno je proporcionalna primijenjenom naponu U a obrnuto je proporcionalan otporu vodiča R

Jedinica otpora je Ohm ([R ] = 1 Ohm). Ohm je otpor takvog vodiča u kojem se pri naponu od 1 U struja teče 1 A.

Otpor ovisi o svojstvima vodiča, obliku i njegovoj geometrijske dimenzije. Za homogeni cilindrični vodič

Gdje l– duljina vodiča, S- kvadrat poprečni presjek,

r- otpornost (otpor vodiča duljine 1 m i površine poprečnog presjeka 1 m 2) ovisi o prirodi vodiča i temperaturi ([ r] = Ohm. m).

Recipročna vrijednost otpornost, zove se električna vodljivost: s = 1/r.

Za nejednolik dio lanca, tj. dio koji sadrži EMF (sl. 5.3), uzimajući u obzir (5.7) i (5.8) dobivamo

. (5.10)

Ovaj izraz se zove generalizirani Ohmov zakon u integralnom obliku.

Dobivamo Ohmov zakon za homogeni dio lanca u diferencijalni oblik. Da bismo to učinili, izaberimo, u blizini određene točke unutar vodiča, elementarni cilindrični volumen s generatorima, paralelno s vektorom gustoća struje j u ovom trenutku (Sl. 5.4).

- + dS

R x 12 J

Riža. 5.3 Sl. 5.4

Kroz poprečni presjek cilindra teče struja silom I=jdS. Napon doveden na cilindar je

Gdje E– jakost polja u određenoj točki.

Otpor cilindra. Zamjena ja, u I R

u formulu (5.8) i uzimajući u obzir da se smjerovi vektora podudaraju, dobivamo Ohmov zakon za homogenu dionicu strujnog kruga u diferencijalnom obliku

. (5.11)

Ohmov zakon za nejednolik dio strujnog kruga V diferencijalni oblik bit će napisan na sljedeći način:

, (5.12)

gdje je jakost polja vanjskih sila.

Vodiči i izvori struje u električnim krugovima mogu se spojiti serijski i paralelno.

Dosljedan Ovaj spoj vodiča naziva se kada je kraj jednog vodiča spojen s početkom drugog (sl. 5.5). U tom slučaju su zadovoljeni sljedeći odnosi:

I=const;

U=U 1 +U 2 +…+U n;

R=R1 +R2 +…+R n. (5.13)

Paralelno Ova veza se naziva kada su neki krajevi vodiča spojeni u jedan čvor, a drugi krajevi u drugi (slika 5.6). U ovom slučaju su zadovoljeni sljedeći odnosi:

I=I 1 +I 2 +…+I n;

U=konst;

. (5.14)

U

R 1 I 1

ja U 1 U 2 U 3 I R 2 I 2 I

R 1 R 2 R 3

Riža. 5.5 Sl. 5.6

Na serijska veza nekoliko identičnih izvora struje (sl. 5.7), ukupna emf baterije jednaka je algebarski zbroj EMF svih izvora, a ukupni otpor jednak je zbroju unutarnjih otpora:

x b = x 1 + x 2 +…+ x n, r b = r 1 + r 2 +…+r n.

Pri paralelnom spoju n izvori s istim EMF - x i unutarnji otpori - r(Sl. 5.8) EMF baterije je jednaka EMF jednog izvora (x b = x), A unutarnji otpor baterije r b = r/n.

Sadržaj:

Svaka obična osoba poznata je na uho električne veličine- struja, napon - o njima ovisi rad kućanskih aparata, ali malo ljudi ima potpuno razumijevanje definicije električne struje. Indikativno je usporediti električnu struju s protokom rijeke, u njoj se kreću samo čestice s nabojem, au rijeci - voda. Moramo shvatiti da se struja kreće samo u jednom smjeru; potrebno je stvoriti uvjete za njezino postojanje; razmotrimo te procese detaljnije.

Osnovne definicije

Električna energija nas okružuje svaki dan, ali ne razumije svatko što je električna struja i količine koje su s njom povezane, ali one su važne za svakodnevni život. Postoji nekoliko tumačenja pojma električne struje:

1. U školskom udžbeniku prihvaćena je definicija da je električna struja kretanje čestica koje imaju naboj zbog utjecaja električnog polja na njih. Čestice su: protoni, šupljine, elektroni, ioni.
2. U elektrotehničkoj literaturi višeg obrazovne institucije Zapisano je da je električna struja brzina kojom se naboj mijenja tijekom vremena. Prihvaćeno negativni naboj elektrone, pozitivne za protone i neutralne za neutrone.

U elektrotehnici stručnjaci primjećuju važnost takvog koncepta kao što je jakost struje - to je broj čestica s nabojem koje prolaze kroz poprečni presjek vodiča tijekom vremena. Kretanje struje u vodiču može se opisati na sljedeći način: “...Svi vodljivi materijali imaju unutarnja struktura(molekule, atomi, jezgre s rotirajućim elektronima), kada je materijal pod utjecajem kemijske reakcije, elektroni iz jednog atoma prelaze na drugi. Stvara se situacija u kojoj nekim atomima nedostaju elektroni, dok drugi imaju višak, što pokazuje suprotno od naboja. Elektroni imaju tendenciju da se kreću iz jedne tvari u drugu, to kretanje je električna struja.”

Stručnjaci naglašavaju da u ovom slučaju struja teče samo dok se naboji u dvije tvari ne izjednače.

Da bismo razumjeli kretanje struje, važno je znati definiciju napona - to je potencijalna razlika koja se uzima u dvije točke u električnom polju, mjerena u voltima.

Električna energija

U različitim regijama, posebno u Ukrajini, prosječnu osobu zanima: "Što je električna struja?", Za koju svrhu se koristi, od čega dolazi. Svakodnevno koristimo električnu energiju koju predstavlja izmjenična struja u električnim mrežama.

Izmjenična struja u vodiču je kada čestice koje imaju naboj tijekom određenog vremenskog razdoblja mijenjaju njegov smjer, kao i veličinu. Grafički AC pojavljuje se kao sinusoida. Stvaraju ga generatori u kojima se zavojnice žica okreću i dok se okreću prelaze magnetsko polje. Tijekom perioda rotacije zavojnice se mogu otvarati i zatvarati u odnosu na magnetsko polje, čime se stvara električna struja koja mijenja smjer u vodičima, a puni ciklus odvija se u jednoj minuti.

Generatori se rotiraju iz parnih turbina sa različiti izvori hrana: ugljen, plin, nuklearni reaktor, nafta. Zatim se strujni napon povećava kroz sustav transformatora, a kroz vodiče potrebnog promjera prenosi se bez gubitaka na veliku udaljenost. Promjer žice kroz koju prolazi struja određuje njenu snagu i veličinu; topli vodovi u energetskom sektoru nazivaju se glavni vodovi za prijenos energije; postoje i uzemljene opcije, kada se električna energija prenosi pod zemljom.

Gdje se koristi električna struja?

To je struja koja olakšava naš život, stvarajući udobnost u kući. Koristi se za rasvjetu u zatvorenom prostoru, na otvorenom, za sušenje stvari, u grijačima električnih štednjaka, u drugim kućanskim aparatima i uređajima, obavlja poslove podizanja garažnih vrata i dr.

Uvjeti potrebni za primanje električne struje

Za postojanje električne struje trebamo sljedeće uvjete: prisutnost čestica s nabojem, električno vodljivi materijal po kojem će se čestice kretati, izvor napona. Važan uvjet za dobivanje električne struje je prisutnost napona, koji je određen razlikom potencijala. Drugim riječima, sila koju stvaraju odbojne nabijene čestice veća je u jednoj točki nego u drugoj.

Prirodni izvori Nema napona, zbog toga su elektroni ravnomjerno raspoređeni oko nas, ali izumi poput baterija omogućili su pohranu električne energije u njih.

Drugi važan uvjet je električni otpor, odnosno vodič po kojem će se kretati nabijene čestice. Materijali u kojima je to djelovanje moguće nazivaju se elektrovodljivim, a oni u kojima nisu slobodno kretanje elektroni – izolatori. Obična žica ima vodljivu metalnu jezgru i izolacijski omotač.

Električna struja u vodičima

U svakom vodiču postoje nositelji električnog naboja koji se kreću pod utjecajem stvorenog polja sile električni stroj.

Metalni vodiči prenose naboj pomoću elektrona. Što je viša temperatura vodiča i zagrijavanje žice, struja teče gore, jer u njemu počinje kaotično kretanje atoma zbog toplinskog utjecaja, a otpor vodljivog materijala raste. Što je niža temperatura vodiča (idealno, teži nuli), manji je njegov otpor.

Tekućine mogu provoditi struju pomoću iona (elektrolita). Kretanje se događa na elektrodi, koja ima suprotan znak od iona, i, taložeći se na njoj, ioni provode proces elektrolize. Anioni su pozitivno nabijeni ioni koji se kreću prema katodi. Kationi – ioni s negativnim nabojem, kreću se prema anodi. Kako se elektrolit zagrijava, njegov otpor se smanjuje.

Plin također ima vodljivost, električna struja u njemu je plazma. Kretanje se događa uz pomoć nabijenih iona ili slobodnih elektrona, koji se dobivaju u procesu zračenja.

Katodna cijev je primjer električne struje koja teče u vakuumu od katodne šipke do anodne šipke.

Električna struja u poluvodičima

Da bismo razumjeli prolaz struje u ovom materijalu, dajmo mu definiciju. Poluvodič je posredni materijal između vodiča i izolatora, ovisno o specifičnoj vodljivosti, prisutnosti nečistoća u njemu, temperaturnom stanju i zračenju koje na njega djeluje. Što je niža temperatura, veća je otpornost poluvodiča; Električna struja u poluvodiču je zbroj struje elektrona i šupljine.

Kada se temperatura poluvodiča poveća, dolazi do pucanja kovalentne veze od djelovanja toplinske energije na valentne elektrone nastaju slobodni elektroni, a na lomnom mjestu nastaje šupljina. On zauzima valentni elektron drugog para, a sam se kreće dalje u kristalu. Kada slobodni elektron susretne šupljinu, dolazi do rekombinacije između njih, obnavljanja elektroničkih veza. Kada je poluvodič izložen energiji elektromagnetsko zračenje, u njemu se pojavljuju parovi elektron-šupljina.

Zakoni električne struje

U elektrotehnici se primjenjuju osnovni zakoni koji definiraju električnu struju. Jedan od najvažnijih je Ohmov zakon čija je značajka brzina prijenosa energije bez promjene njezina oblika s jedne točke na drugu.

Ovaj zakon pokazuje odnos između napona i struje, kao i otpora vodiča ili dijela kruga. Otpor se mjeri u ohmima.

Rad električne struje određen je Joule-Lenzovim zakonom, koji kaže da u bilo kojoj točki kruga struja radi.

Faraday je otkrio magnetsku indukciju, a također je eksperimentalno utvrdio da kada linija magnetske indukcije prijeđe površinu zatvorenog vodiča, u njemu se pojavljuje električna struja. Izveo je zakon elektromagnetske indukcije:

Nezatvoreni vodiči koji križaju vodove magnetsko polje, primaju napon na krajevima, što ukazuje na izgled inducirana emf. Ako magnetski tok nepromijenjen i siječe zatvorena petlja, tada se u njemu ne pojavljuje električna struja. Inducirana emf zatvorene petlje kada se mijenja magnetski tok, jednak modulu njegovu brzinu promjene.

Zaključak

Kada električna struja teče kroz vodič, ona ga zagrijava, zbog toga je potrebno pridržavati se sigurnosnih mjera opreza pri radu s električnim instrumentima i uređajima. Vod za prijenos električne energije ne smije biti preopterećen; može se zagrijati i izazvati požar. Električna struja uvijek slijedi put najmanjeg otpora.

U trenutku kada dolazi do kratkog spoja (kratkog spoja), struja se značajno povećava, a trenutno se oslobađa ogromna toplinska vrijednost koja topi metal. Električna struja može izazvati opekline na tijelu čovjeka ili životinje, ali se koristi u jedinicama intenzivne njege, za depresivna rješenja i liječenje bolesti.

Prema pravilima električne sigurnosti, struja vidljiva osobi počinje s vrijednošću od jednog miliampera, a struja od 0,01 ampera smatra se opasnom za zdravlje; struja od 0,1 ampera je smrtonosna. Siguran napon za ljude - 12-24-32-42 volta.

Nemoguće je zamisliti život moderne osobe bez električne energije. Volti, amperi, vati - ove se riječi čuju kada govorimo o uređajima koji rade na struju. Ali što je električna struja i koji su uvjeti za njezino postojanje? O tome ćemo dalje govoriti pružajući kratko objašnjenje za električare početnike.

Definicija

Električna struja je usmjereno kretanje nositelja naboja - to je standardna formulacija iz udžbenika fizike. Zauzvrat, nositelji naboja nazivaju se određenim česticama materije. Mogu biti:

• Elektroni su nositelji negativnog naboja.
• Ioni su nositelji pozitivnog naboja.

Ali odakle dolaze nosači naboja? Da biste odgovorili na ovo pitanje morate zapamtiti osnovno znanje o građi materije. Sve što nas okružuje je materija; sastoji se od molekula, svojih najmanjih čestica. Molekule se sastoje od atoma. Atom se sastoji od jezgre oko koje se gibaju elektroni po zadanim orbitama. Molekule se također kreću nasumično. Kretanje i struktura svake od ovih čestica ovisi o samoj tvari i utjecaju okoline na nju, kao što su temperatura, stres i drugo.

Ion je atom čiji se omjer elektrona i protona promijenio. Ako je atom u početku neutralan, tada se ioni zauzvrat dijele na:

• Anion je pozitivan ion atoma koji je izgubio elektrone.
• Kationi su atom s "dodatnim" elektronima vezanim za atom.

Jedinica za mjerenje struje je amper prema kojem se ona izračunava pomoću formule:

gdje je U napon, [V], a R otpor, [Ohm].

Ili izravno proporcionalno količini prijenosa naboja po jedinici vremena:

gdje je Q – naboj, [C], t – vrijeme, [s].

Uvjeti za postojanje električne struje

Shvatili smo što je električna struja, sada razgovarajmo o tome kako osigurati njezin protok. Da bi električna struja tekla, moraju biti ispunjena dva uvjeta:

1. Prisutnost besplatnih nosača naboja.
2. Električno polje.

Prvi uvjet postojanja i toka elektriciteta ovisi o tvari u kojoj struja teče (ili ne teče), kao io njezinom stanju. Drugi uvjet je također izvediv: za postojanje električnog polja potrebna je prisutnost različitih potencijala između kojih postoji medij u kojem će teći nositelji naboja.

Podsjetimo: Napon, EMF je razlika potencijala. Iz toga proizlazi da je za ispunjenje uvjeta za postojanje struje - prisutnost električnog polja i električne struje, potreban napon. To mogu biti ploče nabijenog kondenzatora, galvanskog elementa ili EMF-a koji nastaje pod utjecajem magnetskog polja (generatora).

Shvatili smo kako nastaje, razgovarajmo o tome kamo je usmjeren. Struja se, uglavnom u našoj uobičajenoj uporabi, kreće u vodičima (električne instalacije u stanu, žarulje sa žarnom niti) ili u poluvodičima (LED, procesor vašeg pametnog telefona i druga elektronika), rjeđe u plinovima (fluorescentne svjetiljke).

Dakle, glavni nositelji naboja su u većini slučajeva elektroni; oni se kreću od minusa (točka s negativnim potencijalom) do plusa (točka s pozitivnim potencijalom, o tome ćete saznati više u nastavku).

No, zanimljiva je činjenica da je smjer kretanja struje uzet kao kretanje pozitivnih naboja - od plusa prema minusu. Iako se zapravo sve događa obrnuto. Činjenica je da je odluka o smjeru struje donesena prije proučavanja njezine prirode, a također i prije nego što je utvrđeno kako struja teče i postoji.

Električna struja u različitim sredinama

To smo već spomenuli u različite sredine Električna struja može varirati ovisno o vrsti nositelja naboja. Mediji se mogu podijeliti prema prirodi njihove vodljivosti (opadajućim redoslijedom vodljivosti):

1. Vodič (metali).
2. Poluvodič (silicij, germanij, galijev arsenid itd.).
3. Dielektrik (vakuum, zrak, destilirana voda).

U metalima

Metali sadrže slobodne nositelje naboja, ponekad se nazivaju "električni plin". Odakle dolaze besplatni nosači punjenja? Činjenica je da se metal, kao i svaka tvar, sastoji od atoma. Atomi se kreću ili vibriraju na ovaj ili onaj način. Što je viša temperatura metala, to je kretanje jače. Pritom i sami atomi opći pogled ostaju na svojim mjestima, zapravo tvoreći strukturu metala.

U elektronske ljuske Atom obično ima nekoliko elektrona, koji imaju prilično slabu vezu s jezgrom. Pod utjecajem temperatura, kemijske reakcije i interakcijom nečistoća, koje su u svakom slučaju u metalu, elektroni se odvajaju od svojih atoma i stvaraju se pozitivno nabijeni ioni. Odvojeni elektroni nazivaju se slobodnima i gibaju se kaotično.

Ako na njih djeluje električno polje, primjerice, spojite li bateriju na komad metala, kaotično kretanje elektrona postat će uredno. Elektroni iz točke na koju je priključen negativni potencijal (katoda galvanskog članka, na primjer) počet će se kretati prema točki s pozitivnim potencijalom.

U poluvodičima

Poluvodiči su materijali u kojima u dobrom stanju nema slobodnih nositelja naboja. Oni su u takozvanoj zabranjenoj zoni. Ali ako se prijavite vanjske sile, kao što su električno polje, toplina, razna zračenja (svjetlost, zračenje itd.), prevladavaju zabranjeni pojas i prelaze u slobodna zona odnosno zonu provođenja. Elektroni se odvajaju od svojih atoma i oslobađaju, stvarajući ione - nositelje pozitivnog naboja.

Pozitivni nosioci u poluvodičima nazivaju se šupljine.

Ako jednostavno prenesete energiju na poluvodič, na primjer, zagrijete ga, započet će kaotično kretanje nositelja naboja. Ali ako govorimo o o poluvodičkim elementima, poput diode ili tranzistora, tada će se na suprotnim krajevima kristala pojaviti EMF (na njih se nanosi metalizirani sloj i izvodi su lemljeni), ali to nije relevantno za temu današnjeg članka.

Ako na poluvodič primijenite izvor EMF-a, tada će se i nositelji naboja pomaknuti u vodljivi pojas, a počet će i njihovo usmjereno kretanje - rupe će ići u smjeru s manje električni potencijal, a elektroni - na stranu s većim.

U vakuumu i plinu

Vakuum je medij s potpunim (idealan slučaj) odsustvom plinova ili minimiziranom (u stvarnosti) količinom plinova. Budući da u vakuumu nema materije, nema mjesta odakle dolaze nositelji naboja. Međutim, tijek struje u vakuumu označio je početak elektronike i cijele jedne ere elektronički elementi– električne vakuumske svjetiljke. Korišteni su u prvoj polovici prošlog stoljeća, au 50-ima su počeli postupno ustupati mjesto tranzistorima (ovisno o specifičnom području elektronike).

Pretpostavimo da imamo posudu iz koje je ispumpan sav plin, tj. u njemu je potpuni vakuum. U posudu su smještene dvije elektrode, nazovimo ih anoda i katoda. Spojimo li negativni potencijal izvora EMF-a na katodu, a pozitivni potencijal na anodu, ništa se neće dogoditi niti će teći struja. Ali ako počnemo zagrijavati katodu, struja će početi teći. Taj se proces naziva termoemisija - emisija elektrona sa zagrijane površine elektrona.

Na slici je prikazan proces toka struje u vakuumskoj cijevi. U vakuumskim cijevima, katodu zagrijava obližnja žarna nit na slici (H), kao što je to slučaj kod svjetiljke.

Istodobno, ako promijenite polaritet napajanja - na anodu postavite minus, a na katodu plus - struja neće teći. Time ćemo dokazati da struja u vakuumu teče zbog kretanja elektrona od KATODE prema ANODI.

Plin se kao i svaka tvar sastoji od molekula i atoma, što znači da ako je plin pod utjecajem električnog polja, tada će se pri određenoj jakosti (naponu ionizacije) elektroni otrgnuti od atoma, tada su oba uvjeta za tok električne struje bit će zadovoljeno – polje i slobodni mediji.

Kao što je već spomenuto, ovaj se proces naziva ionizacija. Može se dogoditi ne samo zbog primijenjenog napona, već i kada se plin zagrijava, rendgensko zračenje, pod utjecajem ultraljubičastog zračenja i drugih stvari.

Struja će teći kroz zrak, čak i ako je plamenik instaliran između elektroda.

Protok struje u inertnim plinovima prati luminiscencija plina; ovaj se fenomen aktivno koristi u fluorescentnim svjetiljkama. Protjecanje električne struje u plinovitom mediju naziva se plinsko pražnjenje.

U tekućini

Recimo da imamo posudu s vodom u kojoj su smještene dvije elektrode na koje je spojen izvor struje. Ako je voda destilirana, odnosno čista i ne sadrži nečistoće, onda je ona dielektrik. No ako u vodu dodamo malo soli, sumporne kiseline ili bilo koje druge tvari, nastaje elektrolit i kroz njega počinje teći struja.

Elektrolit je tvar koja provodi električnu struju zbog disocijacije na ione.

Dodate li vodi bakreni sulfat, sloj bakra će se taložiti na jednoj od elektroda (katodi) – to se zove elektroliza, što dokazuje da se električna struja u tekućini odvija zbog kretanja iona – pozitivnih i negativnih nositelji naboja.

Elektroliza je fizikalni i kemijski proces koji uključuje odvajanje komponenti koje čine elektrolit na elektrodama.

Tako dolazi do bakrenja, pozlate i presvlačenja drugim metalima.

Zaključak

Ukratko, za protok električne struje potrebni su slobodni nositelji naboja:

• elektroni u vodičima (metalima) i vakuumu;
• elektroni i rupe u poluvodičima;
• ioni (anioni i kationi) u tekućinama i plinovima.

Da bi kretanje ovih nositelja postalo uređeno, potrebno je električno polje. Jednostavnim riječima- dovedite napon na krajeve tijela ili postavite dvije elektrode u okolinu u kojoj se očekuje tečenje električne struje.

Također je vrijedno napomenuti da struja utječe na tvar na određeni način; postoje tri vrste utjecaja:

• toplinski;
• kemijski;
• fizički.

Koristan

Naboj u pokretu. Može biti u obliku iznenadnog pražnjenja statički elektricitet, kao što je munja. Ili bi moglo biti kontrolirani proces u generatorima, baterijama, solarnim odn gorive ćelije. Danas ćemo pogledati sam pojam “električne struje” i uvjete za postojanje električne struje.

Električna energija

Većina Električna energija koju koristimo dolazi u obliku izmjenične struje iz električne mreže. Stvaraju ga generatori koji rade prema Faradayevom zakonu indukcije, zbog čega promjenjivo magnetsko polje može inducirati električnu struju u vodiču.

Generatori imaju rotirajuće zavojnice žice koje prolaze kroz magnetska polja dok se okreću. Dok se zavojnice okreću, otvaraju se i zatvaraju u odnosu na magnetsko polje i stvaraju električnu struju koja mijenja smjer sa svakim okretajem. Struja prolazi kroz puni ciklus naprijed-natrag 60 puta u sekundi.

Generatori se mogu pokretati parnim turbinama koje se zagrijavaju ugljenom, prirodni plin, ulje ili nuklearni reaktor. Iz generatora struja prolazi kroz niz transformatora, gdje se njen napon povećava. Promjer žica određuje količinu i intenzitet struje koju mogu provesti bez pregrijavanja i gubitka energije, a napon je ograničen samo time koliko su vodovi dobro izolirani od zemlje.

Zanimljivo je primijetiti da struju prenosi samo jedna žica, a ne dvije. Njegove dvije strane označene su kao pozitivna i negativna. Međutim, budući da se polaritet izmjenične struje mijenja 60 puta u sekundi, one imaju druga imena - vruće (glavni električni vodovi) i zemlja (teku ispod zemlje kako bi dovršili krug).

Zašto je potrebna električna struja?

Postoje mnoge namjene za električnu struju: može osvijetliti vaš dom, oprati i osušiti vašu odjeću, podići vaša garažna vrata, zakuhati vodu u kuhalu za vodu i omogućiti druge kućanske predmete koji nam uvelike olakšavaju život. Međutim, sposobnost struje da prenosi informacije postaje sve važnija.

Kada se vaše računalo poveže s internetom, koristi se samo mala količina električne struje, ali to je nešto bez modernog čovjeka ne može zamisliti svoj život.

Pojam električne struje

Poput riječnog toka, toka molekula vode, električna struja je tok nabijenih čestica. Što je to što ga uzrokuje i zašto ne ide uvijek u istom smjeru? Kada čujete riječ "teče", na što pomislite? Možda će to biti rijeka. Ovo je dobra asocijacija jer je zbog toga električna struja dobila ime. Vrlo je sličan protoku vode, ali umjesto da se molekule vode kreću duž kanala, nabijene čestice kreću se duž vodiča.

Među uvjetima potrebnim za postojanje električne struje postoji točka koja zahtijeva prisutnost elektrona. Atomi u vodljivom materijalu imaju mnoge od ovih slobodnih nabijenih čestica koje lebde oko i između atoma. Njihovo kretanje je nasumično, tako da protok u bilo kojem zadani smjer odsutan. Što je potrebno za postojanje električne struje?

U uvjete za postojanje električne struje spada i postojanje napona. Kada se nanese na vodič, svi slobodni elektroni kretat će se u istom smjeru, stvarajući struju.

Zanima me električna struja

Zanimljivo je da kada električna energija prenosi se kroz vodič brzinom svjetlosti, sami elektroni se kreću mnogo sporije. U stvari, kada biste polako hodali pored vodljive žice, vaša brzina bi bila 100 puta veća od brzine elektrona. To je zbog činjenice da ne moraju putovati velike udaljenosti kako bi prenijeli energiju jedni drugima.

Istosmjerna i izmjenična struja

Danas postoje dva široko korištena različite vrste struja - istosmjerna i izmjenična. U prvom se elektroni kreću u jednom smjeru, s “negativne” strane na “pozitivnu” stranu. Izmjenična struja gura elektrone naprijed-natrag, mijenjajući smjer protoka nekoliko puta u sekundi.

Generatori koji se koriste u elektranama za proizvodnju električne energije dizajnirani su za proizvodnju izmjenične struje. Vjerojatno nikada niste primijetili da svjetla u vašem domu zapravo trepere jer se smjer struje mijenja, ali to se događa prebrzo da bi vaše oči to primijetile.

Koji su uvjeti za postojanje istosmjerne električne struje? Zašto su nam potrebne obje vrste i koja je bolja? Ovaj dobra pitanja. Činjenica da još uvijek koristimo obje vrste struje sugerira da obje služe određenim svrhama. Još u 19. stoljeću bilo je jasno da je učinkovit prijenos energije na velike udaljenosti između elektrane i kuće moguć samo pri vrlo visokim naponima. Ali problem je bio taj slanje stvarno visoki napon bila izuzetno opasna za ljude.

Rješenje ovog problema bilo je smanjenje napetosti izvan kuće prije nego što se pošalje unutra. Do danas se istosmjerna električna struja koristi za prijenos na velike udaljenosti, uglavnom zbog svoje sposobnosti da se lako pretvara u druge napone.

Kako djeluje električna struja?

Uvjeti za postojanje električne struje su prisutnost nabijenih čestica, vodiča i napona. Mnogi su znanstvenici proučavali elektricitet i otkrili da postoje dvije vrste elektriciteta: statički i strujni.

Igra drugi golema uloga u svakodnevnom životu svake osobe, budući da predstavlja električnu struju koja prolazi kroz krug. Koristimo ga svakodnevno za napajanje naših domova i još mnogo toga.

Što je električna struja?

Kada električni naboji kruže u strujnom krugu s jednog mjesta na drugo, stvara se električna struja. Uvjeti za postojanje električne struje uključuju, osim nabijenih čestica, i prisutnost vodiča. Najčešće je ovo žica. Njegov strujni krug je zatvoreni krug u kojem struja prolazi iz izvora napajanja. Kada je krug otvoren, on ne može završiti putovanje. Na primjer, kada je svjetlo u vašoj sobi isključeno, krug je otvoren, ali kada je krug zatvoren, svjetlo je upaljeno.

Trenutna snaga

Na uvjete postojanja električne struje u vodiču uvelike utječu karakteristike napona kao što su snaga. Ovo je mjera koliko se energije koristi tijekom određeno razdoblje vrijeme.

Postoji mnogo različitih jedinica koje se mogu koristiti za izražavanje ove karakteristike. Međutim, električna snaga gotovo se mjeri u vatima. Jedan vat je jednak jednom džulu u sekundi.

Električni naboj u kretanju

Koji su uvjeti za postojanje električne struje? Može biti u obliku iznenadnog pražnjenja statičkog elektriciteta, poput munje ili iskre od trenja o vunenu tkaninu. Češće, međutim, kada govorimo o električnoj struji, govorimo o više kontroliranom obliku električne energije koji uzrokuje paljenje svjetla i rad uređaja. Većinu električnog naboja nose negativni elektroni i pozitivni protoni unutar atoma. Međutim, potonji su uglavnom imobilizirani iznutra atomske jezgre, pa rad prijenosa naboja s jednog mjesta na drugo obavljaju elektroni.

Elektroni u vodljivom materijalu kao što je metal uglavnom se slobodno kreću od jednog atoma do drugog duž svojih vodljivih pojaseva, koji su najviše orbite elektrona. dostatan elektromotorna sila ili napon stvara neravnotežu naboja koja može uzrokovati protok elektrona kroz vodič u obliku električne struje.

Ako povučemo analogiju s vodom, uzmimo, na primjer, cijev. Kada otvorimo ventil na jednom kraju kako bismo omogućili protok vode u cijev, ne moramo čekati da se ta voda probije do kraja. Vodu dobivamo na drugom kraju gotovo trenutno jer ulazna voda potiskuje vodu koja je već u cijevi. To se događa kada postoji električna struja u žici.

Električna struja: uvjeti postojanja električne struje

Električna struja se obično smatra protokom elektrona. Kada su dva kraja baterije međusobno spojena pomoću metalne žice, ova nabijena masa prolazi kroz žicu od jednog kraja (elektrode ili pola) baterije do suprotnog. Dakle, nazovimo uvjete za postojanje električne struje:

1. Nabijene čestice.
2. Dirigent.
3. Izvor napona.

Ipak, nije sve tako jednostavno. Koji su uvjeti potrebni za postojanje električne struje? Na ovo pitanje može se detaljnije odgovoriti razmatranjem sljedećih karakteristika:

• Razlika potencijala (napona). Ovo je jedan od obaveznih uvjeta. Mora postojati potencijalna razlika između 2 točke, što znači da odbojna sila koju stvaraju nabijene čestice na jednom mjestu mora biti veća od njihove sile na drugoj točki. Izvori napona općenito se ne nalaze u prirodi, a elektroni su raspoređeni u okruženje prilično ravnomjerno. Ipak, znanstvenici su uspjeli izmisliti određene vrste uređaji u kojima se te nabijene čestice mogu akumulirati, stvarajući tako potreban napon (na primjer, u baterijama).
• Električni otpor (vodič). Ovo je drugo važan uvjet, koji je neophodan za postojanje električne struje. To je put kojim putuju nabijene čestice. Samo oni materijali koji omogućuju slobodno kretanje elektrona djeluju kao vodiči. Oni koji nemaju tu sposobnost nazivaju se izolatorima. Na primjer, metalna žica bit će izvrstan vodič, dok će njezin gumeni omotač biti izvrstan izolator.

Pažljivo proučavajući uvjete za nastanak i postojanje električne struje, ljudi su uspjeli ukrotiti ovaj moćni i opasni element i usmjeriti ga za dobrobit čovječanstva.

Što je električna struja

Usmjereno gibanje električki nabijenih čestica pod utjecajem . Takve čestice mogu biti: u vodičima – elektroni, u elektrolitima – ioni (kationi i anioni), u poluvodičima – elektroni i tzv. Postoji i "prednaponska struja", čiji je tok posljedica procesa punjenja kapacitivnosti, tj. mijenjanje razlike potencijala između ploča. Nema kretanja čestica između ploča, već kroz kondenzator teče struja.

Teoretski električni krugovi Strujom se smatra usmjereno kretanje nositelja naboja u vodljivom mediju pod utjecajem električnog polja.

Struja vodljivosti (jednostavno struja) u teoriji električnih krugova je količina elektriciteta koja teče po jedinici vremena kroz presjek vodiča: i=q/t, gdje je i struja. A; q = 1,6·10 9 - naboj elektrona, C; t - vrijeme, s.

Ovaj izraz vrijedi za sklopove DC. Za krugove izmjenične struje koristi se tzv. trenutna vrijednost struje, jednako brzini naboj se mijenja tijekom vremena: i(t)= dq/dt.

Električna struja nastaje kada se u dijelu električnog kruga između dviju točaka vodiča pojavi električno polje ili razlika potencijala. Razlika potencijala između dviju točaka naziva se napon ili pad napona u ovom dijelu kruga.

Umjesto pojma “struja” (“strujna veličina”) često se koristi izraz “jačina struje”. Međutim, potonje se ne može nazvati uspješnim, jer trenutna snaga nije nikakva sila doslovno ovu riječ, već samo intenzitet kretanja električnih naboja u vodiču, količinu električne energije koja prolazi po jedinici vremena kroz površinu poprečnog presjeka vodiča.
Struju karakterizira , koja se u SI sustavu mjeri u amperima (A), i gustoćom struje, koja se u SI sustavu mjeri u amperima po kvadratnom metru.
Jedan amper odgovara kretanju naboja elektriciteta jednakog jednom kulonu (C) kroz poprečni presjek vodiča za jednu sekundu (s):

1A = 1C/s.

U opći slučaj, označavajući struju slovom i i naboj q, dobivamo:

i = dq / dt.

Jedinica struje naziva se amper (A). Jačina struje u vodiču je 1 A ako kroz presjek vodiča u 1 sekundi prođe električni naboj jednak 1 kulonu.

Ako je napon doveden duž vodiča, unutar vodiča nastaje električno polje. Pri jakosti polja E na elektrone s nabojem e djeluje sila f = Ee. Veličine f i E su vektorske. Tijekom slobodnog puta, elektroni poprimaju usmjereno gibanje zajedno s kaotičnim gibanjem. Svaki elektron ima negativan naboj i prima komponentu brzine usmjerenu suprotno od vektora E (slika 1). Uređeno gibanje, karakterizirano određenom prosječnom brzinom elektrona vcp, određuje tijek električne struje.

Elektroni mogu imati usmjereno gibanje u razrijeđenim plinovima. U elektrolitima i ioniziranim plinovima struja je uglavnom posljedica kretanja iona. U skladu s činjenicom da se u elektrolitima pozitivno nabijeni ioni kreću od pozitivnog pola prema negativnom, povijesno je prihvaćen smjer struje obrnuti smjer kretanja elektrona.

Za smjer struje uzima se smjer kretanja pozitivno nabijenih čestica, tj. smjer suprotan kretanju elektrona.
U teoriji električnih krugova, smjer struje u pasivnom krugu (izvan izvora energije) uzima se kao smjer kretanja pozitivno nabijenih čestica od višeg potencijala prema nižem. Taj je smjer usvojen na samom početku razvoja elektrotehnike i proturječi pravom smjeru kretanja nositelja naboja - elektrona koji se kreću u vodljivom mediju od minusa prema plusu.

Vrijednost jednaka omjeru struje i površine poprečnog presjeka S naziva se gustoća struje (označava se s δ): δ= JE

Pretpostavlja se da je struja ravnomjerno raspoređena po presjeku vodiča. Gustoća struje u žicama obično se mjeri u A/mm2.

Prema vrsti nositelja električnog naboja i mediju njihova gibanja razlikujemo ih vodljive struje i struje pomaka. Vodljivost se dijeli na elektronsku i ionsku. Za stacionarne uvjete razlikuju se dvije vrste struja: istosmjerna i izmjenična.

Prijenos električne struje nazivamo pojavu prijenosa električnih naboja nabijenim česticama ili tijelima koja se gibaju u slobodnom prostoru. Glavna vrsta prijenosa električne struje je kretanje u praznini elementarne čestice, koji imaju naboj (kretanje slobodnih elektrona u vakuumskim cijevima), kretanje slobodnih iona u uređajima s pražnjenjem u plinu.

Električna struja pomaka (polarizacijska struja) zove se uređeno kretanje vezanih nositelja električnih naboja. Ova vrsta struje može se uočiti u dielektricima.
Ukupna električna struja - skalarna veličina, jednak zbroju električna struja vodljivosti, električna prijenosna struja i električna struja pomaka kroz predmetnu površinu.

Konstanta je struja koja može varirati u veličini, ali ne mijenja predznak proizvoljno dugo vremena. Više o tome pročitajte ovdje:

Izmjenična struja je struja koja periodički mijenja i veličinu i predznak.Veličina koja karakterizira izmjeničnu struju je frekvencija (mjerena u hercima u SI sustavu), u slučaju kada se njezina jakost periodički mijenja. Izmjenična struja visoke frekvencije gura se na površinu vodiča. Struje visoke frekvencije koriste se u strojogradnji za toplinsku obradu površina dijelova i zavarivanje, au metalurgiji za taljenje metala.Izmjenične struje dijelimo na sinusne i nesinusni. Struja koja se mijenja prema harmonijskom zakonu naziva se sinusoidna:

i = Im sin ωt,

Njime se karakterizira brzina promjene izmjenične struje, definirana kao broj potpunih ponavljajućih oscilacija u jedinici vremena. Frekvencija je označena slovom f i mjeri se u hercima (Hz). Dakle, trenutna frekvencija u mreži od 50 Hz odgovara 50 potpunih oscilacija u sekundi. Kutna frekvencija ω je brzina promjene struje u radijanima po sekundi i povezana je s frekvencijom jednostavnim odnosom:

ω = 2πf

Stalne (fiksne) vrijednosti istosmjernih i izmjeničnih struja označiti veliko slovo I nestalne (trenutne) vrijednosti - slovo i. Konvencionalno pozitivni smjer struje je smjer kretanja pozitivnih naboja.

Ovo je struja koja se mijenja prema sinusnom zakonu tijekom vremena.

Izmjenična struja također se odnosi na struju u konvencionalnim jednofaznim i trofaznim mrežama. U tom se slučaju parametri izmjenične struje mijenjaju prema harmonijskom zakonu.

Budući da izmjenična struja varira tijekom vremena, jednostavnih načina rješenja problema prikladna za istosmjerne krugove ovdje nisu izravno primjenjiva. Na vrlo visoke frekvencije optužbe mogu napraviti oscilatorno gibanje- tok s jednog mjesta u lancu na drugo i natrag. U ovom slučaju, za razliku od krugova istosmjerne struje, struje u serijski spojenim vodičima možda neće biti iste. Kapacitivnosti prisutne u krugovima izmjenične struje pojačavaju ovaj učinak. Osim toga, kada se struja mijenja, pojavljuju se učinci samoindukcije, koji postaju značajni čak i pri niskim frekvencijama ako se koriste zavojnice s visokim induktivitetom. Na relativno niskim frekvencijama, izmjenični krugovi još uvijek se mogu izračunati korištenjem , koji se, međutim, mora na odgovarajući način modificirati.

Krug koji uključuje različite otpornike, induktore i kondenzatore može se tretirati kao da se sastoji od općenitog otpornika, kondenzatora i induktora spojenih u seriju.

Razmotrimo svojstva takvog kruga spojenog na generator sinusne izmjenične struje. Da biste formulirali pravila za izračun krugova izmjenične struje, morate pronaći odnos između pada napona i struje za svaku od komponenti takvog kruga.

Svira savršeno različite uloge u izmjeničnim i istosmjernim krugovima. Ako se npr. spojite na strujni krug elektrokemijska ćelija, tada će se kondenzator početi puniti sve dok napon na njemu ne postane jednak EMF-u elementa. Tada će se punjenje zaustaviti i struja će pasti na nulu. Ako je krug spojen na generator izmjenične struje, tada će u jednom poluciklusu elektroni istjecati iz lijeve ploče kondenzatora i nakupljati se na desnoj, au drugom - obrnuto. Ovi pokretni elektroni predstavljaju izmjeničnu struju, čija je jakost jednaka na obje strane kondenzatora. Sve dok frekvencija izmjenične struje nije jako visoka, struja kroz otpornik i induktor također je ista.

U uređajima koji troše izmjeničnu struju, izmjeničnu struju često ispravljaju ispravljači za proizvodnju istosmjerne struje.

Vodiči električne struje

Materijal u kojem teče struja naziva se. Neki materijali niske temperature prijeći u stanje supravodljivosti. U tom stanju ne pružaju gotovo nikakav otpor struji; njihov otpor teži nuli. U svim ostalim slučajevima, vodič se opire protoku struje i, kao rezultat toga, dijelu energije električne čestice pretvara u toplinu. Jakost struje može se izračunati korištenjem dionice kruga i Ohmovog zakona za cijeli krug.

Brzina kretanja čestica u vodičima ovisi o materijalu vodiča, masi i naboju čestice, okolnoj temperaturi, primijenjenoj razlici potencijala i mnogo je manja brzina Sveta. Unatoč tome, sama brzina širenja električne struje jednaka je brzini svjetlosti u određenom mediju, odnosno brzini širenja fronte elektromagnetskog vala.

Kako struja utječe na ljudsko tijelo?

Struja koja prolazi kroz tijelo osobe ili životinje može izazvati električne opekline, fibrilaciju ili smrt. S druge strane, električna struja se koristi u intenzivnoj njezi, za liječenje mentalna bolest, osobito depresije, električna stimulacija određenih područja mozga koristi se za liječenje bolesti poput Parkinsonove bolesti i epilepsije, pacemaker koji stimulira srčani mišić impulsna struja, koristi se za bradikardiju. Kod ljudi i životinja struja se koristi za prijenos živčanih impulsa.

Prema sigurnosnim propisima, minimalna struja koju osoba može osjetiti je 1 mA. Struja postaje opasna za ljudski život počevši od sile od približno 0,01 A. Struja postaje smrtonosna za osobu počevši od sile od približno 0,1 A. Napon manji od 42 V smatra se sigurnim.