Де проходить струм ст. Також існують інші способи створення внутрішнього струму в

Електричним струмомназивають упорядкований рух електричних зарядів. Спрямований рух електричних зарядів у провіднику під дією сил електричного поля називають струмом провідності. Для появи та існування струму провідності необхідні дві умови:

1. Наявність у цьому середовищі електричних зарядів. У металах ними є електрони провідності; у рідких провідниках (електролітах) – позитивні та від'ємні іони; у газах – позитивні іони та електрони.

2. Наявність електричного поля, енергія якого витрачалася б на переміщення електричних зарядів.

За напрямок електричного струму умовно приймають напрямок руху позитивних зарядів. Кількісною характеристикою електричного струму є сила струму- Заряд, що протікає через поперечний переріз провідника в одиницю часу:

Силу струму можна пов'язати із середньою швидкістю υ упорядкованого руху зарядів. За час dtчерез поперечний переріз провідника площею dSпротікає заряд dq, укладений в обсязі провідника завдовжки dl = υ. dt, (рис.5.1)

dq = q 0 . n. dS. dl,

де q 0- Заряд кожної частинки, n- Концентрація частинок.

Тоді сила струму

. (5.2)

Щільність струмуj- Векторна фізична величина, чисельно рівна силі струму, що проходить через одиницю площі перерізу провідника, проведеного перпендикулярно до напрямку струму, і збігається з напрямком струму

Для того, щоб струм був тривалим, необхідно пристрій, в якому будь-який вид енергії безперервно перетворювався б на енергію електричного поля. Такий пристрій називається джерелом струму. У джерелі струму переміщення носіїв відбувається проти сил поля, а це можливе лише завдяки силам неелектростатичного походження, які називаються сторонніми силами.

Величина, що дорівнює роботі сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду по замкнутому ланцюгу, називається електрорушійною силою (ЕРС) x ,

Сторонню силу, що діє на заряд, можна представити через напруженість поля сторонніх сил

тоді ЕРС для замкнутого ланцюга визначається виразом

Отже, ЕРС, що діє в замкнутому ланцюзі, дорівнює циркуляції вектора напруженості поля сторонніх сил.

Величина, чисельно рівна роботі, що здійснюється електричними та сторонніми силами при переміщенні одиничного позитивного заряду на даній ділянці ланцюга, називається напругою:

dS tga=1/R

Рис.5.1 Рис.5.2

5.2 Узагальнений закон Ома. Диференційна форма закону Ома

Для кожного провідника – твердого, рідкого та газоподібного – існує певна залежність сили струму від прикладеної напруги – вольт - амперна характеристика (ВАХ).Найпростіший вид вона має у металевих провідників та розчинів електролітів (рис.5.2) та визначається законом Ома.

Згідно Закону Омадля однорідної (не містить сторонніх сил) ділянки ланцюга, сила струму прямо пропорційна доданій напрузі Uі назад пропорційна опору провідника R

Одиницею опору є Ом ([R ] = 1 Ом). Ом – опір такого провідника, в якому при напрузі 1 Утече струм 1 А.

Опір залежить від властивостей провідника, форми та його геометричних розмірів. Для однорідного циліндричного провідника

де l- Довжина провідника, S- площа поперечного перерізу,

r- питомий опір (опір провідника довжиною 1м та площею поперечного перерізу 1 м 2)залежить від природи провідника та температури ([ r] = Ом. м).

Величина, обернена до питомого опору, називається питомою електропровідністю: s = 1/r.

Для неоднорідного ділянки ланцюга, тобто. дільниці, що містить ЕРС (рис.5.3), з урахуванням (5.7) та (5.8) отримаємо

. (5.10)

Цей вираз отримав назву узагальненого закону Ома в інтегральній формі.

Отримаємо закон Ома для однорідної ділянки ланцюга у диференційній формі. Для цього виділимо в околиці деякої точки всередині провідника елементарний циліндричний об'єм з утворюючими, паралельними вектору щільності струму jу цій точці (рис. 5.4).

- + dS

R x 12 J

Рис. 5.3 Мал. 5.4

Через поперечний переріз циліндра тече струм силою I=jdS. Напруга, прикладена до циліндра, дорівнює

де E- Напруженість поля в даній точці.

Опір циліндра. Підставляючи I, Uі R

у формулу (5.8) та враховуючи, що напрямки векторів збігаються, отримаємо закон Ома для однорідної ділянки ланцюга у диференційній формі

. (5.11)

Закон Ома для неоднорідної ділянки ланцюгав диференційної формизапишеться так:

, (5.12)

де - Напруженість поля сторонніх сил.

Провідники та джерела струму в електричних ланцюгах можуть з'єднуватися послідовно та паралельно.

Послідовнимназивається таке з'єднання провідників, коли кінець одного провідника з'єднується з початком іншого (рис.5.5). При цьому виконуються співвідношення:

I = const;

U = U 1 +U 2 + ... + U n;

R=R 1 +R 2 +…+R n. (5.13)

Паралельнимназивається таке з'єднання, коли одні кінці провідників з'єднуються в один вузол, інші кінці - в інший (рис.5.6). При цьому виконуються співвідношення:

I = I 1 +I 2 + ... + I n;

U=const;

. (5.14)

R 1 I 1

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

R 1 R 2 R 3

Рис. 5.5 Мал. 5.6

При послідовному з'єднанні кількох однакових джерел струму (рис.5.7) повна ЕРС батареї дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС всіх джерел, а сумарний опір дорівнює сумі внутрішніх опорів:

x б = x 1 + x 2 + ... + x n, r б = r 1 + r 2 + ... + R n.

При паралельному підключенні nджерел з однаковими ЕРС - xта внутрішніми опорами – r(рис.5.8) ЕРС батареї дорівнює ЕРС одного джерела (x б = x),а внутрішній опір батареї r б = r/n.

Зміст:

Кожному обивателю знайомі на слух електричні величини - струм, напруга, від них залежить робота побутових приладів, але повне розуміння визначення електроструму є в небагатьох людей. Показове порівняння електричного струму з течією річки, лише у ньому рухаються частки, мають заряд, а річці - вода. Треба розуміти, що струм рухається лише в одному напрямку, для його існування мають бути створені умови, розглянемо ці процеси докладніше.

Основні визначення

Електрика щодня оточує нас, але що таке електричний струм і пов'язані з ним величини – розуміє не кожна людина, проте вони важливі для повсякденного життя. Є кілька тлумачень поняття електроструму:

Прийняте у шкільному підручнику визначення, що електричний струм - це рух частинок, мають заряд з допомогою на них електричного поля. Частинками є: протони, дірки, електрони, іони.
В електричній літературі вищих навчальних закладів пишеться, що електричний струм - швидкість, з якою заряд змінюється з часом. Приймається негативний заряд електронів, позитивний у протонів та нейтральний у нейтронів.

У електротехніці фахівці відзначають значення такого поняття, як сила струму – це кількість частинок, що мають заряд, які проходять через переріз провідника з часом. Рух струму в провіднику можна описати так: «…Всі струмопровідні матеріали мають внутрішню будову (молекули, атоми, ядра з електронами, що обертаються), коли на матеріал впливає хімічна реакція, електрони від одного атома переходять до іншого. Створюється ситуація, коли одні атоми відчувають брак електронах, інші - їх надлишок, що свідчить про протилежність заряду. Електрони прагнуть переходу з однієї речовини в іншу, цей рух і є електричний струм».

Фахівці акцентують увагу на тому, що в цьому випадку струм тече лише до того моменту, поки не відбудеться зрівняння зарядів у двох речовинах.

Для розуміння руху струму важливо знати визначення напруги – це різниця потенціалів, які беруться у двох точках електричного поля, що вимірюються у вольтах.

Електрична енергія

У різних регіонах, зокрема, й в Україні простий обиватель цікавиться: «Що таке електричний струм?», з якою метою він застосовується, із чого походить. Повсякденно ми користуємось електричною енергією, яка представлена змінним струмом у електричних мережах.

Змінний струм у провіднику - це коли частки, що мають заряд за певний проміжок часу, змінюють його за напрямом, а також за величиною. Графічно змінний струм є синусоїдою. Створюється він генераторами, в яких обертаються котушки з проводами та у процесі обертання перетинають магнітне поле. У період обертання котушки можуть відкриватися та закриватися по відношенню до магнітного поля, що створює електричний струм, який змінюється у провідниках у напрямку, а повний цикл проходить за одну хвилину.

Обертання генераторів походить від парових турбін, що мають різні джерела живлення: вугілля, газ, атомний реактор, нафта. Далі через систему трансформаторів підвищується напруга струму, через провідники потрібного діаметра переноситься він без втрат на тривалу відстань. Діаметр дроту, яким проходить струм, визначає його силу і величину, гарячими лініями в енергетиці називаються магістральні лінії передачі енергії, є й заземлені варіанти, коли передача електроенергії відбувається під землею.

Де застосовується електричний струм?

Саме струм значно полегшує нам життя, створюючи комфорт у будинку. Він застосовується для освітлення приміщень, вулиці, для просушування речей, нагрівальних елементах електроплити, в інших побутових приладах і пристроях, виконує роботу підйому гаражних дверей і т.д.

Умови, необхідні для отримання електроструму

Для існування електроструму потрібні такі умови: наявність частинок, що мають заряд, електропровідний матеріал, яким рухатимуться частинки, джерело напруги. Важливою умовою отримання електроструму є наявність напруги, що визначається різницею потенціалів. Іншими словами, сила, створювана зарядженими частинками відштовхування, в одній точці більша, ніж в іншій.

Природних джерел напруги не існує, тому навколо нас рівномірно розподіляються електрони, але такі винаходи, як батарейки дали можливість накопичувати в них електричну енергію.

Іншою важливою умовою є електричний опір, або провідник, яким рухатимуться частинки, що мають заряд. Матеріали, в яких ця дія можлива, називаються електропровідними, а ті, в яких немає вільного руху електронів - ізоляторами. Звичайний провід має провідну металеву жилу та ізолюючу оболонку.

Електрострум у провідниках

У будь-якому провіднику є носії електричного заряду, які рухаються під впливом сили поля, створюваного електричною машиною.

Металеві провідники переносять заряд за допомогою електронів. Чим вище температура провідника і нагрівання дроту, тим гірше протікає струм, оскільки в ньому починається хаотичний рух атомів від теплового впливу, збільшується опір провідного матеріалу. Чим нижча температура провідника (в ідеалі - прагнення до нуля), тим менший його опір.

Рідини можуть проводити електрострум за допомогою іонів (електроліти). Переміщення відбувається до електрода, що має протилежний з іоном знак, і осідаючи на ньому, іони здійснюють процес електролізу. Аніони - позитивно заряджені іони, що рухаються до катода. Катіони – іони, що мають негативний заряд, рухаються до анода. У процесі нагрівання електроліту зменшується опір.

Газ також має провідність, електрострум у ньому - плазма. Рух відбувається за допомогою заряджених іонів або вільних електронів, які у процесі випромінювання.

Електронно-променева трубка - це приклад електроструму у вакуумі від стрижня катода до стрижня анода.

Електрострум у напівпровідниках

Для розуміння проходження струму у цьому матеріалі дамо йому визначення. Напівпровідник - проміжний матеріал між провідником та ізолятором, залежить від питомої провідності, наявності в ньому домішок, температурного стану та випромінювання, що впливає на нього. Чим нижча температура, тим більше опір напівпровідника, властивості його впливають на вимірювання характеристик. Електрострум у напівпровіднику - це сума електронного та діркового струму.

Коли підвищується температура напівпровідника відбувається розрив ковалентних зв'язків від дії теплової енергії на валентні електрони, утворюються вільні електрони, в точці розриву виходить дірка. Вона займається валентним електроном іншої пари, а сама переміщається далі у кристалі. Коли вільний електрон зустрічається з діркою, між ними відбувається рекомбінація, відновлення електронних зв'язків. Коли напівпровідник впливають енергією електромагнітного випромінювання, з'являються у ньому электронно-дырочные пари.

Закони електричного струму

У електротехніці застосовуються основні закони, що дають визначення електричного струму. Один із найголовніших - закон Ома, особливістю якого є швидкість передачі енергії без зміни її форми з однієї точки до іншої.

Цей закон показує зв'язок між напругою та силою струму, а також опором провідника чи ділянки ланцюга. Опір вимірюється в омах.

Роботу електроструму визначають законом Джоуля-Ленца, який говорить про те, що в будь-якій точці ланцюга струм виконує роботу.

Фарадей відкрив магнітну індукцію, а також досвідченим способом встановив, що при перетині лінії магнітної індукції поверхнею замкнутого провідника у ньому з'являється електрострум. Він вивів закон електромагнітної індукції:

Чи не замкнуті провідники, що перетинають лінії магнітного поля, отримують на кінцях напругу, що говорить про появу ЕРС індукції. Якщо магнітний потік незмінний і перетинає замкнутий контур, то ньому не виникає електроструму. ЕРС індукції замкнутого контуру, коли змінюється магнітний потік, дорівнює модулю його швидкості зміни.

Висновок

Коли по провіднику протікає електричний струм, він його нагріває, тому необхідно дотримуватися заходів безпеки, працюючи з електричними приладами та пристроями. Не можна допускати перевантаження лінії передачі енергії, вона може нагрітися і виникне пожежа. Електрострум завжди рухається шляхом найменшого опору.

У момент появи КЗ (короткого замикання) струм у рази зростає, відбувається моментальне виділення величезного теплового значення, яке плавить метал. Електричний струм може викликати опіки на тілі людини або тварини, але застосовується в реанімаційних установках для депресивних рішень та лікування захворювань.

За правилами електробезпеки відчутний людиною струм настає з величини один міліампер, а небезпечним для здоров'я вважається струм з 0,01 ампера, смертельною величиною визначено силу струму 0,1 ампера. Безпечна напруга для людини – 12-24-32-42 вольта.

Без електрики неможливо уявити життя сучасної людини. Вольти, Ампери, Ватти – ці слова звучать у розмові про пристрої, які працюють від електрики. Але що це таке електричний струм та які умови його існування? Про це ми розповімо далі, надавши коротке пояснення для електриків-початківців.

Визначення

Електричним струмом є спрямований рух носіїв зарядів – це стандартне формулювання підручника фізики. У свою чергу, носіями заряду називаються певні частинки речовини. Ними можуть бути:

Електрони – негативні носії заряду.
Іони – позитивні носії заряду.

Але звідки беруться носії заряду? Для відповіді це питання слід згадати базові знання про будову речовини. Все що нас оточує – речовина, вона складається з молекул, найдрібніших частинок. Молекули складаються з атомів. Атом складається з ядра, довкола якого рухаються електрони на заданих орбітах. Молекули також хаотично рухаються. Рух і структура кожної з цих частинок залежать від самої речовини та впливу на неї навколишнього середовища, наприклад, температури, напруги та іншого.

Іоном називають атом, у якого змінилося співвідношення електронів та протонів. Якщо спочатку атом нейтральний, то іони у свою чергу ділять на:

Аніони - позитивний іон атома, що втратив електрони.
Катіони – це атом із «зайвими» електронами, що приєдналися до атома.

Одиниця вимірювання струму – Ампер, згідно з яким він обчислюється за формулою:

де U – напруга, [У], а R – опір, [Ом].

Або прямопропорційний кількості заряду, перенесеному за одиницю часу:

де Q - заряд, [Кл], t - час, [с].

Умови існування електричного струму

Що таке електричний струм ми розібралися, тепер поговоримо про те, як забезпечити його протікання. Для протікання електричного струму необхідно виконання двох умов:

Наявність вільних носіїв заряду.
Електричне поле.

Перша умова існування та протікання електрики залежить від речовини, в якій протікає (або не протікає) струм, а також його стан. Друга умова також здійсненна: для існування електричного поля обов'язково наявність різних потенціалів, між якими знаходиться середовище, в якому протікатимуть носії заряду.

Нагадаємо:Напруга, ЕРС – це різниця потенціалів. Звідси випливає, що для виконання умов існування струму – наявності електричного поля та електричного струму, потрібна напруга. Це можуть бути обкладки зарядженого конденсатора, гальванічний елемент, ЕРС, що виникло під дією магнітного поля (генератор).

Як він виникає, ми розібралися, поговоримо про те, куди він спрямований. Струм, в основному, у звичному для нас використанні, рухається у провідниках (електропроводка в квартирі, лампочки розжарювання) або напівпровідниках (світлодіоди, процесор вашого смартфона та інша електроніка), рідше в газах (люмінесцентні лампи).

Так ось основними носіями заряду в більшості випадків є електрони, вони рухаються від мінуса (крапки з негативним потенціалом) до плюсу (крапці з позитивним потенціалом, докладніше про це ви дізнаєтеся нижче).

Але цікавим є той факт, що за напрям руху струму було прийнято рух позитивних зарядів – від плюса до мінуса. Хоча фактично все відбувається навпаки. Справа в тому, що рішення про напрям струму було прийнято до вивчення його природи, а також до того, як було визначено за рахунок чого протікає та існує струм.

Електричний струм у різних середовищах

Ми вже згадували у тому, що у різних середовищах електричний струм може відрізнятися на кшталт носіїв заряду. Середовища можна розділити за характером провідності (за зменшенням провідності):

Провідник (метали).
Напівпровідник (кремній, германій, арсенід галію та ін).
Діелектрик (вакуум, повітря, дистильована вода).

У металах

У металах є вільні носії зарядів, їх іноді називають "електричним газом". Звідки беруться вільні носії зарядів? Справа в тому, що метал, як і будь-яка речовина, складається з атомів. Атоми так чи інакше рухаються або вагаються. Чим вище температура металу, тим сильніший цей рух. При цьому самі атоми загалом залишаються на своїх місцях, власне і формуючи структуру металу.

В електронних оболонках атома зазвичай є кілька електронів, у яких зв'язок із ядром досить слабкий. Під впливом температур, хімічних реакцій та взаємодії домішок, які у будь-якому випадку перебувають у металі, електрони відриваються від своїх атомів, утворюються позитивно заряджені іони. Електрони, що відірвалися, називаються вільними і рухаються хаотично.

Якщо на них впливатиме електричне поле, наприклад, якщо підключити до шматка металу батарейку, хаотичний рух електронів стане впорядкованим. Електрони від точки, до якої підключено негативний потенціал (катод гальванічного елемента, наприклад), почнуть рухатися до точки з позитивним потенціалом.

У напівпровідниках

Напівпровідниками є такі матеріали, у яких нормальному стані немає вільних носіїв заряду. Вони перебувають у так званій забороненій зоні. Але якщо докласти зовнішніх сил, таких як електричне поле, тепло, різні випромінювання (світлове, радіаційне тощо), вони долають заборонену зону і переходять у вільну зону або зону провідності. Електрони відриваються від атомів і стають вільними, утворюючи іони – позитивні носії зарядів.

Позитивні носії у напівпровідниках називаються дірками.

Якщо просто передати енергію напівпровіднику, наприклад, нагріти, почнеться хаотичний рух носіїв заряду. Але якщо йдеться про напівпровідникові елементи, типу діода або транзистора, то на протилежних кінцях кристала (ними нанесений металізований шар і припаяні висновки) виникне ЕРС, але це не стосується теми сьогоднішньої статті.

Якщо прикласти джерело ЕРС до напівпровідника, то носії заряду також перейдуть у зону провідності, а також почнеться їх спрямований рух – дірки підуть у бік із меншим електричним потенціалом, а електрони – у бік із більшим.

У вакуумі та газі

Вакуумом називають середовище з повною (ідеальний випадок) відсутністю газів або мінімізованою (насправді) його кількістю. Так як у вакуумі немає ніякої речовини, то й носіям заряду братися нема звідки. Однак протікання струму у вакуумі започаткувало електроніку і цілу епоху електронних елементів – електровакуумних ламп. Їх використовували в першій половині минулого століття, а в 50-х роках вони почали поступово поступатися місцем транзисторам (залежно від конкретної галузі електроніки).

Припустимо, що ми маємо посудину, з якої відкачали весь газ, тобто. у ньому повний вакуум. У посудину поміщено два електроди, назвемо їх анод та катод. Якщо ми підключимо до катода негативний потенціал джерела ЕРС, а до анода позитивний – нічого не станеться і не протікатиме струм. Але якщо ми почнемо нагрівати катод, то струм почне протікати. Цей процес називається термоелектронною емісією – випромінювання електронів із нагрітої поверхні електрона.

На малюнку зображено процес протікання струму у вакуумній лампі. У вакуумних лампах катод нагрівають розташованої поряд ниткою розжарення на рис (Н), типу такий, як у освітлювальній лампі.

При цьому, якщо змінити полярність харчування – на анод подати мінус, а на катод подати плюс – не протікатиме струм. Це доведе, що струм у вакуумі протікає з допомогою руху електронів від КАТОДА до АНОДУ.

Газ також як і будь-яка речовина складається з молекул і атомів, це означає, що якщо газ перебуватиме під впливом електричного поля, то за певної його сили (напруга іонізації) електрони відірвуться від атома, тоді будуть виконані обидві умови протікання електричного струму – поле та вільні носії.

Як було зазначено, цей процес називається іонізацією. Вона може походити не тільки від прикладеної напруги, але і при нагріванні газу, рентгенівському випромінюванні, під впливом ультрафіолету та іншого.

Струм через повітря потече, навіть якщо між електродами встановити пальник.

Протікання струму в інертних газах супроводжується люмінесценцією газу, це активно використовується в люмінесцентних лампах. Перебіг електричного струму в газовому середовищі називається газовим розрядом.

У рідині

Припустимо, що у нас є посудина з водою, в яку вміщено два електроди, до яких підключено джерело живлення. Якщо вода дистильована, тобто чиста і не містить домішок, вона є діелектриком. Але якщо ми додамо у воду трохи солі, сірчаної кислоти чи будь-якої іншої речовини, утвориться електроліт і через нього почне протікати струм.

Електроліт – речовина, що проводить електричний струм унаслідок дисоціації на іони.

Якщо у воду додати мідний купорос, то одному з електродів (катоді) осяде шар міді – це називається електроліз, що доводить що електричний струм рідини здійснюється з допомогою руху іонів – позитивних і негативних носіїв заряду.

Електроліз - фізико-хімічний процес, який полягає у виділенні на електродах компонентів складових електроліт.

Таким чином відбувається зміднення, золочення та покриття іншими металами.

Висновок

Підіб'ємо підсумки, для протікання електричного струму потрібні вільні носії зарядів:

електрони у провідниках (метали) та вакуумі;
електрони та дірки у напівпровідниках;
іони (аніони та катіони) у рідині та газах.

Для того, щоб рух цих носіїв став упорядкованим, потрібне електричне поле. Простими словами - прикласти напругу на кінцях тіла або встановити два електроди в середовищі, де передбачається протікання електричного струму.

Також варто відзначити, що струм належним чином впливає на речовину, розрізняють три типи впливу:

теплове;
хімічна;
фізичне.

Корисне

Заряд у русі. Він може набувати форми раптового розряду статичної електрики, такого як, наприклад, блискавка. Або це може бути контрольований процес у генераторах, батареях, сонячних або паливних елементах. Сьогодні ми розглянемо саме поняття "електричний струм" та умови існування електричного струму.

Електрична енергія

Більшість електроенергії, яку ми використовуємо, надходить у вигляді змінного струму з електричної мережі. Він створюється генераторами, що працюють за законом індукції Фарадея, завдяки якому магнітне поле, що змінюється, може індукувати електричний струм у провіднику.

Генератори мають котушки проводи, що обертаються, які проходять через магнітні поля в міру їх обертання. Коли обертаються котушки, вони відкриваються і закриваються щодо магнітного поля і створюють електричний струм, що змінює напрямок на кожному повороті. Струм проходить через повний цикл вперед і назад 60 разів на секунду.

Генератори можуть харчуватися від парових турбін, нагрітих вугіллям, природним газом, нафтою чи ядерним реактором. З генератора струм проходить через ряд трансформаторів, де зростає його напруга. Діаметр проводів визначає величину та силу струму, яку вони можуть переносити без перегріву та втрати енергії, а напруга обмежена лише тим, наскільки добре лінії ізольовані від землі.

Цікаво відзначити, що струм переноситься лише одним дротом, а не двома. Дві його сторони позначаються як позитивна та негативна. Однак, оскільки полярність змінного струму змінюється 60 разів на секунду, вони мають інші назви - гарячі (магістральні лінії електропередач) і заземлені (що проходять під землею для замикання ланцюга).

Навіщо потрібний електричний струм?

Існує маса можливостей застосування електроструму: він може висвітлити ваш будинок, вимити та висушити одяг, підняти двері вашого гаража, змусити закипіти воду в чайнику та дати можливість працювати іншим побутовим предметам, які значно полегшують нам життя. Проте дедалі важливішим стає здатність струму передавати інформацію.

При підключенні до Інтернету комп'ютером використовується лише невелика частина електричного струму, але це те, без чого сучасна людина не уявляє свого життя.

Поняття про електричний струм

Подібно до річкової течії, потоку молекул води, електричний струм - це потік заряджених частинок. Що це таке, що його викликає і чому він не завжди йде в одному напрямку? Коли ви чуєте слово тече, про що ви думаєте? Можливо це буде річка. Це хороша асоціація, тому що саме через це електричний струм отримав свою назву. Він дуже схожий на потік води, тільки замість молекул води, що рухаються руслом, заряджені частинки рухаються провідником.

Серед умов, необхідних існування електричного струму, є пункт, що передбачає наявність електронів. Атоми у провідному матеріалі мають багато цих вільних заряджених частинок, які плавають навколо та між атомами. Їх рух є випадковим, тому потік у якомусь заданому напрямку відсутня. Що потрібно, щоб існував електричний струм?

Умови існування електричного струму включають наявність напруги. Коли воно застосовується до провідника, всі вільні електрони рухатимуться в одному напрямку, створюючи струм.

Цікаво про електричний струм

Цікаво, що коли електрична енергія передається через провідник зі швидкістю світла, самі електрони рухаються набагато повільніше. Насправді, якби ви не поспішаючи пройшли поряд із струмопровідним дротом, ваша швидкість була б у 100 разів швидше, ніж рухаються електрони. Це зумовлено тим, що їм не потрібно долати величезних відстаней, щоб передавати енергію один одному.

Прямий та змінний струм

Сьогодні широко використовуються два різні типи струму - постійний і змінний. У першому електрони рухаються в одному напрямку, з «негативної» сторони на «позитивну». Змінний струм штовхає електрони назад і вперед, змінюючи напрямок потоку кілька разів на секунду.

Генератори, що використовуються на електростанціях для електроенергії, призначені для виробництва змінного струму. Ви, напевно, ніколи не звертали уваги на те, що світло у вашому будинку насправді мерехтить, оскільки поточний напрямок змінюється, але це відбувається занадто швидко, щоб очі змогли це розпізнати.

Якими є умови існування постійного електричного струму? Навіщо нам потрібні обидва типи і який із них кращий? Це добрі питання. Той факт, що ми все ще використовуємо обидва типи струму, говорить про те, що вони служать певним цілям. Ще в XIX столітті було зрозуміло, що ефективна передача потужності на великі відстані між електростанцією та будинком була можлива лише за дуже високої напруги. Але проблема полягала в тому, що відправлення справді високої напруги було надзвичайно небезпечним для людей.

Вирішення цієї проблеми полягало в тому, щоб зменшити напругу поза домом, перш ніж відправляти її всередину. І до цього дня постійний електричний струм використовується для передачі на великі відстані, в основному через його здатність легко перетворюватися на інші напруги.

Як працює електричний струм

Умови існування електричного струму включають наявність заряджених частинок, провідника і напруги. Багато вчених вивчали електрику та виявили, що існує два його типи: статичне та поточне.

Саме друге відіграє величезну роль у повсякденному житті будь-якої людини, оскільки є електричним струмом, який проходить через ланцюг. Ми щодня використовуємо його для харчування наших будинків та багато іншого.

Що таке електричний струм?

Коли ланцюги циркулюють електричні заряди з місця в інше, виникає електричний струм. Умови існування електричного струму включають, крім заряджених частинок, наявність провідника. Найчастіше це провід. Схема його є замкнутий контур, у якому струм проходить від джерела живлення. Коли ж ланцюг розімкнуто, він не може закінчити шлях. Наприклад, коли світло у вашій кімнаті вимкнене, ланцюг розімкнений, але коли ланцюг замкнутий, світло горить.

Потужність струму

На умови існування електричного струму у провіднику великий вплив має така характеристика напруги, як потужність. Це показник того, скільки енергії використовується протягом певного періоду часу.

Існує багато різних одиниць, які можуть бути використані для вираження даної характеристики. Однак електрична потужність майже вимірюється у ватах. Один ват дорівнює одному джоулю в секунду.

Електричний заряд у русі

Якими є умови існування електричного струму? Він може набувати форми раптового розряду статичної електрики, такого як блискавка або іскра від тертя з вовняною тканиною. Однак частіше, коли ми говоримо про електричний струм, ми маємо на увазі більш контрольовану форму електрики, завдяки якій світиться світло і працюють прилади. Більшість електричного заряду переноситься негативними електронами та позитивними протонами всередині атома. Однак другі переважно іммобілізовані всередині атомних ядер, тому робота з перенесення заряду з одного місця в інше проходить електронами.

Електрони у провідному матеріалі, такому як метал, значною мірою вільні для переходу від одного атома до іншого вздовж їх зон провідності, які є вищими електронними орбітами. Достатня електрорушійна сила або напруга створює дисбаланс заряду, який може спричинити рух електронів через провідник у вигляді електричного струму.

Якщо провести аналогію з водою, візьмемо, наприклад, трубу. Коли ми відкриваємо клапан на одному кінці, щоб вода потрапила в трубу, то нам не потрібно чекати, поки ця вода прокладе весь шлях до кінця. Ми отримуємо воду на іншому кінці майже миттєво, тому що вода, що входить, штовхає воду, яка вже знаходиться в трубі. Це те, що відбувається у разі електричного струму у дроті.

Електричний струм: умови існування електричного струму

Електричний струм зазвичай сприймається як потік електронів. Коли два кінці батареї з'єднані один з одним за допомогою металевого дроту, ця заряджена маса через провід потрапляє з одного кінця (електрода або полюса) на протилежний батареї. Отже, назвемо умови існування електричного струму:

Заряджені частинки.
Провідник.
Джерело напруги.

Однак не все так просто. Які умови потрібні для існування електричного струму? На це питання можна відповісти докладніше, розглянувши такі характеристики:

Різниця потенціалів (напруга).Це одна з обов'язкових умов. Між двома точками має бути різниця потенціалів, що означає, що відштовхувальна сила, яка створюється зарядженими частинками в одному місці, повинна бути більшою, ніж їхня сила в іншій точці. Джерела напруги, як правило, не зустрічаються в природі, і електрони розподіляються у навколишньому середовищі досить рівномірно. Все ж таки вченим вдалося винайти певні типи приладів, де ці заряджені частинки можуть накопичуватися, тим самим створюючи ту необхідну напругу (наприклад, в батарейках).
Електричний опір (провідник).Це друга важлива умова, яка потрібна для існування електроструму. Це шлях, яким переміщаються заряджені частки. Як провідники виступають тільки ті матеріали, які дають можливість електронам вільно переміщатися. Ті ж, які не мають цієї здібності, називаються ізоляторами. Наприклад, дріт з металу буде чудовим провідником, тоді як його гумова оболонка буде чудовим ізолятором.

Ретельно вивчивши умови виникнення та існування електричного струму, люди змогли приручити цю потужну та небезпечну стихію та спрямувати її на благо людства.

Що таке електричний струм

Спрямований рух електрично заряджених частинок під впливом. Такими частинками можуть бути: у провідниках – електрони, в електролітах – іони (катіони та аніони), у напівпровідниках – електрони і, так звані, "дірки" ("електронно-діркова провідність"). Також існує " струм зміщення " , перебіг якого зумовлено процесом заряду ємності, тобто. зміною різниці потенціалів між обкладками. Між обкладками ніякого руху частинок немає, але струм через конденсатор протікає.

Теоретично електричних ланцюгів за струм прийнято вважати спрямоване рух носіїв заряду у провідній середовищі під впливом електричного поля.

Струменем провідності (просто струмом) в теорії електричних ланцюгів називають кількість електрики, що протікає за одиницю часу через поперечний переріз провідника: i=q/t , де i - Струм. А; q = 1,6 · 109 - заряд електрона, Кл; t – час, с.

Цей вираз справедливий для ланцюгів постійного струму. Для ланцюгів змінного струму застосовують так зване миттєве значення струму, що дорівнює швидкості зміни заряду в часі: i(t) = dq/dt.

Електричний струм виникає тоді, коли на ділянці електричного кола з'являється електричне поле, або різницю потенціалів між двома точками провідника. Різниця потенціалів між двома точками називають напругою або падінням напруги на цій ділянці ланцюга.

Замість терміну "струм" ("величина струму") часто застосовується термін "сила струму". Однак останній не можна назвати вдалим, тому що сила струму не є будь-якою силою в буквальному значенні цього слова, а лише інтенсивність руху електричних зарядів у провіднику, кількість електрики, що проходить за одиницю часу через площу поперечного перерізу провідника.
Струм характеризується , що у системі СІ вимірюється в амперах (А), і щільністю струму , що у системі СІ вимірюється в амперах на квадратний метр.
Один ампер відповідає переміщенню через поперечний переріз провідника протягом однієї секунди (з) заряду електрики завбільшки в один кулон (Кл):

1А = 1Кл/с.

У випадку, позначивши струм буквою i, а заряд q, отримаємо:

i = dq/dt.

Одиниця струму називається ампер (А). Струм у провіднику дорівнює 1 А, якщо через поперечний переріз провідника за 1 с проходить електричний заряд, рівний 1 кулон.

Якщо вздовж провідника діє напруга, то всередині провідника виникає електричне поле. При напруженості поля Е на електрони із зарядом е діє сила f = Ее. Величини f та E векторні. Протягом часу вільного пробігу електрони набувають направленого руху поряд з хаотичним. Кожен електрон має негативний заряд і отримує складову швидкості, спрямовану протилежно до вектора Е (рис. 1). Упорядкований рух, що характеризується деякою середньою швидкістю електронів vcp, визначає перебіг електричного струму.

Електрони можуть мати спрямований рух у розріджених газах. В електролітах та іонізованих газах протікання струму в основному зумовлене рухом іонів. Відповідно до того, що в електролітах позитивно заряджені іони рухаються від позитивного полюса до негативного, історично напрям струму був прийнятий зворотним напрямом руху електронів.

За напрям струму приймається напрям, у якому переміщуються позитивно заряджені частки, тобто. напрямок, протилежний переміщенню електронів.
Теоретично електричних ланцюгів за напрям струму в пасивної ланцюга (поза джерелами енергії) взято напрямок руху позитивно заряджених частинок від вищого потенціалу до нижчого. Такий напрямок було прийнято на початку розвитку електротехніки і суперечить справжньому напрямку руху носіїв заряду - електронів, що рухаються в провідних середовищах від мінуса до плюсу.

Величина, що дорівнює відношенню струму до площі поперечного перерізу S, називаються щільністю струму (позначається δ): δ= I/S

При цьому передбачається, що струм рівномірно розподілено за перерізом провідника. Щільність струму у проводах зазвичай вимірюється А/мм2.

За типом носіїв електричних зарядів та середовища їх переміщення розрізняють струми провідностіі струми усунення. Провідність ділять на електронну та іонну. Для режимів, що встановилися, розрізняють два види струмів: постійний і змінний.

Електричним струмом перенесенняназивають явище перенесення електричних зарядів зарядженими частинками чи тілами, які у вільному просторі. Основним видом електричного струму перенесення є рух у порожнечі елементарних частинок, що мають заряд (рух вільних електронів в електронних лампах), рух вільних іонів у газорозрядних приладах.

Електричним струмом усунення (струмом поляризації)називають упорядкований рух пов'язаних носіїв електричних зарядів. Цей вид струму можна спостерігати у діелектриках.
Повний електричний струм- скалярна величина, що дорівнює сумі електричного струму провідності, електричного струму перенесення та електричного струму зміщення крізь розглянуту поверхню.

Постійним називають струм, який може змінюватися за величиною, але не змінює свого знака скільки завгодно довгий час. Докладніше про це читайте тут:

Змінним називають струм, який періодично змінюється як за величиною, і за знаком.Величиною, що характеризує змінний струм, є частота (у системі СІ вимірюється у герцах), у тому випадку, коли його сила змінюється періодично. Змінний струм високої частотивитісняється на поверхню провідника. Струми високої частоти застосовується в машинобудуванні для термообробки поверхонь деталей та зварювання, в металургії для плавки металів.Змінні струми поділяють на синусоїдальні та несинусоїдальні. Синусоїдальним називають струм, що змінюється за гармонійним законом:

i = Im sin ωt,

Швидкість зміни змінного струму характеризується його , визначається як число повних коливань, що повторюються, в одиницю часу. Частота позначається буквою f і вимірюється у герцах (Гц). Так, частота струму в мережі 50 Гц відповідає 50 повним коливанням на секунду. Кутова частота - швидкість зміни струму в радіанах в секунду і пов'язана з частотою простим співвідношенням:

ω = 2πf

Установлені (фіксовані) значення постійного та змінного струмівпозначають великою літерою I невстановлені (миттєві) значення - літерою i. Умовно позитивним напрямом струму вважають напрямок руху позитивних зарядів.

Це струм, який змінюється згідно із законом синуса з часом.

Під змінним струмом також мають на увазі струм у звичайних одно-і трифазних мережах. І тут параметри змінного струму змінюються за гармонійним законом.

Оскільки змінний струм змінюється у часі, прості способи розв'язання задач, придатні для ланцюгів постійного струму, тут непридатні. При дуже високих частотах заряди можуть здійснювати коливальний рух - перетікати з одних місць ланцюга до інших і назад. При цьому, на відміну від кіл постійного струму, струми в послідовно з'єднаних провідниках можуть виявитися неоднаковими. Ємності, які є в ланцюгах змінного струму, посилюють цей ефект. Крім того, при зміні струму позначаються ефекти самоіндукції, які стають суттєвими навіть за низьких частот, якщо використовуються котушки з великою індуктивністю. При порівняно низьких частотах ланцюга змінного струму можна розраховувати за допомогою , які, однак, необхідно відповідним чином модифікувати.

Ланцюг, до якого входять різні резистори, котушки індуктивності та конденсатори, можна розглядати, якби вона складалася з узагальнених резистора, конденсатора та котушки індуктивності, з'єднаних послідовно.

Розглянемо властивості такого ланцюга, підключеного до генератора синусоїдального змінного струму. Щоб сформулювати правила, що дозволяють розраховувати ланцюги змінного струму, потрібно знайти співвідношення між падінням напруги та струмом для кожного компонента такого ланцюга.

Відіграє різні ролі в ланцюгах змінного і постійного струмів. Якщо, наприклад, до ланцюга підключити електрохімічний елемент, то конденсатор почне заряджатися, поки напруга на ньому стане рівною ЕРС елемента. Потім зарядка припиниться і струм впаде до нуля. Якщо ж ланцюг підключений до генератора змінного струму, то в один напівперіод електрони витікатимуть з лівої обкладки конденсатора і накопичуватимуться на правій, а в іншій - навпаки. Ці електрони, що переміщаються, і являють собою змінний струм, сила якого однакова по обидва боки конденсатора. Поки частота змінного струму дуже велика, струм через резистор і котушку індуктивності також однаковий.

У пристроях-споживачах змінного струму змінний струм часто випрямляється випрямлячами отримання постійного струму.

Провідники електричного струму

Матеріал, у якому тече струм, називається . Деякі матеріали за низьких температур переходять у стан надпровідності. У такому стані вони не чинять майже жодного опору струму, їхній опір прагне нуля. У решті випадків провідник чинить опір течії струму й у результаті частина енергії електричних частинок перетворюється на тепло. Силу струму можна розрахувати для ділянки ланцюга і закону Ома для повного ланцюга.

Швидкість руху частинок у провідниках залежить від матеріалу провідника, маси та заряду частки, навколишньої температури, прикладеної різниці потенціалів і становить величину, набагато меншу за швидкість світла. Попри це, швидкість поширення власне електричного струму дорівнює швидкості світла у цьому середовищі, тобто швидкості поширення фронту електромагнітної хвилі.

Як струм впливає на організм людини

Струм, пропущений через організм людини або тварини, може спричинити електричні опіки, фібриляцію або смерть. З іншого боку, електричний струм використовують у реанімації, для лікування психічних захворювань, особливо депресії, електростимуляцію певних областей головного мозку застосовують для лікування таких захворювань, як хвороба Паркінсона та епілепсія, водій ритму, що стимулює серцевий м'яз імпульсним струмом, використовують при брадикардії. В організмі людини і тварин струм використовується передачі нервових імпульсів.

За технікою безпеки, мінімально відчутний людиною струм становить 1 мА. Небезпечним для життя людини струм стає з сили приблизно 0,01 А. Смертельним для людини струм стає з сили приблизно 0,1 А. Безпечним вважається напруга менше 42 В.