Ηλεκτρική ενέργεια

Τι είναι το ηλεκτρικό ρεύμα

Ηλεκτρισμός — κατευθυνόμενη κίνηση ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων υπό κρούση ηλεκτρικό πεδίο... Τέτοια σωματίδια μπορεί να είναι: σε αγωγούς - ηλεκτρόνια, σε ηλεκτρολύτες - ιόντα (κατιόντα και ανιόντα), σε ημιαγωγούς - ηλεκτρόνια και οι λεγόμενες «οπές» («αγωγιμότητα ηλεκτρονιακών οπών»). Υπάρχει επίσης ένα «ρεύμα πόλωσης», η ροή του οποίου οφείλεται στη διαδικασία φόρτισης της χωρητικότητας, δηλαδή σε μια αλλαγή στη διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών. Δεν υπάρχει κίνηση σωματιδίων μεταξύ των πλακών, αλλά το ρεύμα ρέει μέσω του πυκνωτή.

Στη θεωρία των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, ρεύμα θεωρείται η κατευθυνόμενη κίνηση των φορέων φορτίου σε ένα αγώγιμο μέσο υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου.

Ρεύμα αγωγιμότητας (μόνο ρεύμα) στη θεωρία των ηλεκτρικών κυκλωμάτων είναι η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που ρέει ανά μονάδα χρόνου μέσω της διατομής ενός σύρματος: i = q /T, όπου i — ρεύμα. ΕΝΑ; q = 1,6·109 — φορτίο ηλεκτρονίων, С; t — χρόνος, s.

Αυτή η έκφραση ισχύει για κυκλώματα συνεχούς ρεύματος. Για κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος, τα λεγόμενα Στιγμιαία τιμή ρεύματος ίση με το ρυθμό μεταβολής της φόρτισης με την πάροδο του χρόνου: i (t) = dq /dt.

Η πρώτη προϋπόθεση για τη μακροχρόνια ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος του εξεταζόμενου τύπου είναι η παρουσία μιας πηγής ή γεννήτριας που διατηρεί τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των φορέων φορτίου. Η δεύτερη προϋπόθεση είναι το κλείσιμο του δρόμου. Συγκεκριμένα, για να υπάρχει συνεχές ρεύμα, είναι απαραίτητο να υπάρχει μια κλειστή διαδρομή κατά μήκος της οποίας τα φορτία μπορούν να κινούνται στο κύκλωμα χωρίς να αλλάζει η τιμή τους.

Όπως γνωρίζετε, σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης των ηλεκτρικών φορτίων, δεν μπορούν να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν. Επομένως, εάν οποιοσδήποτε όγκος χώρου όπου ρέουν ηλεκτρικά ρεύματα περιβάλλεται από μια κλειστή επιφάνεια, το ρεύμα που ρέει σε αυτόν τον όγκο πρέπει να είναι ίσο με το ρεύμα που ρέει έξω από αυτόν.

Περισσότερα για αυτό: Προϋποθέσεις ύπαρξης ηλεκτρικού ρεύματος

Η κλειστή διαδρομή μέσω της οποίας ρέει ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται ηλεκτρικό κύκλωμα ή ηλεκτρικό κύκλωμα. Ηλεκτρικό κύκλωμα — χωρίζεται σε δύο μέρη: το εσωτερικό μέρος, στο οποίο τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια κινούνται αντίθετα προς την κατεύθυνση των ηλεκτροστατικών δυνάμεων και το εξωτερικό μέρος, στο οποίο αυτά τα σωματίδια κινούνται προς την κατεύθυνση των ηλεκτροστατικών δυνάμεων. Τα άκρα των ηλεκτροδίων στα οποία συνδέεται το εξωτερικό κύκλωμα ονομάζονται σφιγκτήρες.

Έτσι, ένα ηλεκτρικό ρεύμα εμφανίζεται όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο εμφανίζεται σε ένα τμήμα ενός ηλεκτρικού κυκλώματος ή μια διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων σε ένα καλώδιο. Πιθανή διαφορά μεταξύ δύο σημείων ηλεκτρικό κύκλωμα ονομάζονται τάση ή πτώση τάσης σε αυτό το τμήμα του κυκλώματος.

Αντί του όρου "ρεύμα" ("τρέχουσα ποσότητα"), χρησιμοποιείται συχνά ο όρος "ισχύς ρεύματος".Ωστόσο, το τελευταίο δεν μπορεί να ονομαστεί επιτυχημένο, καθώς η ισχύς του ρεύματος δεν είναι καμία δύναμη με την κυριολεκτική έννοια της λέξης, αλλά μόνο η ένταση της κίνησης των ηλεκτρικών φορτίων στον αγωγό, η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που περνά ανά μονάδα χρόνου μέσω του σταυρού. περιοχή τομής του αγωγού.
Το ρεύμα χαρακτηρίζεται ένταση ρεύματος, που στο σύστημα SI μετριέται σε αμπέρ (Α), και η πυκνότητα ρεύματος, η οποία στο σύστημα SI μετριέται σε αμπέρ ανά τετραγωνικό μέτρο.

Ένα αμπέρ αντιστοιχεί στην κίνηση διαμέσου της διατομής του σύρματος σε ένα δευτερόλεπτο (s) φορτίου ηλεκτρικής ενέργειας σε ποσότητα ενός κουλόμπ (C):

1A = 1C / s.

Στη γενική περίπτωση, δηλώνοντας το ρεύμα με το γράμμα i και το φορτίο q, παίρνουμε:

i = dq / dt.

Η μονάδα ρεύματος ονομάζεται αμπέρ (Α).

Ampere (A) — η ισχύς ενός συνεχούς ρεύματος που, όταν διέρχεται από δύο παράλληλους ευθύγραμμους αγωγούς άπειρου μήκους και αμελητέας διατομής, που βρίσκονται σε κενό σε απόσταση 1 m ο ένας από τον άλλο, δημιουργεί μεταξύ αυτών των αγωγών 2,10 -7 Η για κάθε μέτρο μήκους .

Το ρεύμα στο σύρμα είναι 1 A εάν ένα ηλεκτρικό φορτίο ίσο με 1 coulomb διέλθει από τη διατομή του σύρματος σε 1 s.

Ρύζι. 1. Κατευθυντική κίνηση ηλεκτρονίων σε αγωγό

Εάν μια τάση ενεργεί στο καλώδιο, τότε δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο καλώδιο. Με ένταση πεδίου E, μια δύναμη f = Ee δρα στα ηλεκτρόνια φορτίου e. Οι ποσότητες e και E είναι διανυσματικά μεγέθη. Κατά τη διάρκεια της ελεύθερης διαδρομής, τα ηλεκτρόνια αποκτούν μια κατευθυνόμενη κίνηση μαζί με μια χαοτική. Κάθε ηλεκτρόνιο έχει αρνητικό φορτίο και δέχεται τη συνιστώσα της ταχύτητας αντίθετη από το διάνυσμα Ε (Εικ. 1). Η διατεταγμένη κίνηση, που χαρακτηρίζεται από μια ορισμένη μέση ταχύτητα των ηλεκτρονίων vcp, καθορίζει τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος.

Τα ηλεκτρόνια μπορεί να έχουν κατευθυνόμενη κίνηση σε σπάνια αέρια. Στους ηλεκτρολύτες και τα ιονισμένα αέρια, το ρεύμα οφείλεται κυρίως στην κίνηση των ιόντων. Σύμφωνα με το γεγονός ότι τα θετικά φορτισμένα ιόντα μετακινούνται από τον θετικό πόλο στον αρνητικό πόλο στους ηλεκτρολύτες, ιστορικά η κατεύθυνση του ρεύματος έχει θεωρηθεί ότι είναι αντίθετη από την κατεύθυνση της ροής των ηλεκτρονίων.

Η φορά του ρεύματος λαμβάνεται ως η κατεύθυνση προς την οποία κινούνται τα θετικά φορτισμένα σωματίδια, δηλ. κατεύθυνση αντίθετη από την κίνηση των ηλεκτρονίων.
Στη θεωρία των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, η κατεύθυνση του ρεύματος σε ένα παθητικό κύκλωμα (εκτός των πηγών ενέργειας) λαμβάνεται ως η κατεύθυνση κίνησης των θετικά φορτισμένων σωματιδίων από ένα υψηλότερο δυναμικό σε ένα χαμηλότερο. Αυτή η κατεύθυνση ελήφθη στην αρχή της ανάπτυξης της ηλεκτρικής μηχανικής και έρχεται σε αντίθεση με την πραγματική κατεύθυνση της κίνησης των φορέων φορτίου - ηλεκτρόνια που κινούνται σε αγώγιμα μέσα από το μείον στο συν.

Η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος στον ηλεκτρολύτη και των ελεύθερων ηλεκτρονίων στον αγωγό

Η ποσότητα ίση με την αναλογία του ρεύματος προς το εμβαδόν διατομής S ονομάζεται πυκνότητα ρεύματος: I / S

Σε αυτή την περίπτωση, θεωρείται ότι το ρεύμα κατανέμεται ομοιόμορφα στη διατομή του σύρματος. Η πυκνότητα ρεύματος στα καλώδια συνήθως μετράται σε A / mm2.

Ανάλογα με το είδος των φορέων των ηλεκτρικών φορτίων και το μέσο κίνησης τους χωρίζονται σε αγώγιμα ρεύματα και ρεύματα μετατόπισης... Η αγωγιμότητα διακρίνεται σε ηλεκτρονική και ιοντική. Για τους στατικούς τρόπους λειτουργίας, διακρίνονται δύο τύποι ρευμάτων: άμεσο και εναλλασσόμενο.

Μεταφορά ηλεκτροπληξίας ονομάζεται το φαινόμενο της μεταφοράς ηλεκτρικών φορτίων από φορτισμένα σωματίδια ή σώματα που κινούνται σε ελεύθερο χώρο.Ο κύριος τύπος μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος είναι η κίνηση στην κοιλότητα των στοιχειωδών φορτισμένων σωματιδίων (η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε σωλήνες ηλεκτρονίων), η κίνηση των ελεύθερων ιόντων σε συσκευές εκκένωσης αερίου.

Ρεύμα μετατόπισης (ρεύμα πόλωσης) ονομάζεται η διατεταγμένη κίνηση των σχετικών φορέων ηλεκτρικών φορτίων. Αυτός ο τύπος ρεύματος μπορεί να παρατηρηθεί στα διηλεκτρικά.

Ολικό ηλεκτρικό ρεύμα — μια κλιμακωτή τιμή ίση με το άθροισμα του ρεύματος ηλεκτρικής αγωγιμότητας, του ηλεκτρικού ρεύματος μεταφοράς και του ηλεκτρικού ρεύματος μετατόπισης μέσω της υπό εξέταση επιφάνειας.

Σταθερά ονομάζεται ένα ρεύμα που μπορεί να αλλάξει σε μέγεθος, αλλά δεν αλλάζει το πρόσημά του για αυθαίρετα μεγάλο χρονικό διάστημα. Διαβάστε περισσότερα γι 'αυτό εδώ: DC

Μαγνητιστικό ρεύμα — ένα σταθερό μικροσκοπικό (αμπέρ) ρεύμα, το οποίο είναι ο λόγος για την ύπαρξη ενός εγγενούς μαγνητικού πεδίου μαγνητισμένων ουσιών.

Μεταβλητές που ονομάζονται ρεύμα που αλλάζουν περιοδικά τόσο σε μέγεθος όσο και σε πρόσημο. Η ποσότητα που χαρακτηρίζει το εναλλασσόμενο ρεύμα είναι η συχνότητα (στο σύστημα SI μετριέται σε Hertz), σε περίπτωση που η ισχύς του αλλάζει περιοδικά.

Ένα εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας μετατοπίζεται στην επιφάνεια του σύρματος. Τα ρεύματα υψηλής συχνότητας χρησιμοποιούνται στη μηχανολογία για τη θερμική επεξεργασία επιφανειών εξαρτημάτων και τη συγκόλληση, στη μεταλλουργία για την τήξη μετάλλων. Τα εναλλασσόμενα ρεύματα χωρίζονται σε ημιτονοειδή και μη ημιτονοειδή… Το ημιτονοειδές ρεύμα είναι ένα ρεύμα που αλλάζει σύμφωνα με έναν αρμονικό νόμο:

i = αμαρτία wt,

Πού είμαι, - κορυφαία (υψηλότερη) τρέχουσα τιμή, Α,

Ο ρυθμός μεταβολής του εναλλασσόμενου ρεύματος χαρακτηρίζεται από τον συχνότητα, που ορίζεται ως ο αριθμός των πλήρων επαναλαμβανόμενων ταλαντώσεων ανά μονάδα χρόνου.Η συχνότητα συμβολίζεται με το γράμμα f και μετριέται σε Hertz (Hz). Άρα μια συχνότητα ρεύματος δικτύου 50 Hz αντιστοιχεί σε 50 πλήρεις ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο. Η γωνιακή συχνότητα w είναι ο ρυθμός μεταβολής του ρεύματος σε ακτίνια ανά δευτερόλεπτο και σχετίζεται με τη συχνότητα με μια απλή σχέση:

w = 2pi f

Οι σταθερές (σταθερές) τιμές συνεχών και εναλλασσόμενων ρευμάτων σημαίνουν με το κεφαλαίο γράμμα I μη στάσιμες (στιγμιαίες) τιμές - με το γράμμα i. Συνήθως η θετική κατεύθυνση του ρεύματος είναι η φορά κίνησης των θετικών φορτίων.

Εναλλασσόμενο ρεύμα Είναι ένα ρεύμα που αλλάζει σύμφωνα με τον ημιτονοειδές νόμο με την πάροδο του χρόνου.

Εναλλασσόμενο ρεύμα σημαίνει επίσης ρεύμα σε συμβατικά μονοφασικά και τριφασικά δίκτυα. Στην περίπτωση αυτή, οι παράμετροι του εναλλασσόμενου ρεύματος αλλάζουν σύμφωνα με τον αρμονικό νόμο.

Δεδομένου ότι το ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, απλές λύσεις κατάλληλες για κυκλώματα συνεχούς ρεύματος δεν είναι άμεσα εφαρμόσιμες εδώ. Σε πολύ υψηλές συχνότητες, τα φορτία μπορούν να ταλαντώνονται—ρέουν από το ένα σημείο του κυκλώματος στο άλλο και πάλι πίσω. Σε αυτήν την περίπτωση, σε αντίθεση με τα κυκλώματα συνεχούς ρεύματος, τα ρεύματα στα συνδεδεμένα σε σειρά καλώδια μπορεί να είναι άνισα.

Οι χωρητικότητες που υπάρχουν στα κυκλώματα AC ενισχύουν αυτό το αποτέλεσμα. Επιπλέον, όταν αλλάζει το ρεύμα, γίνονται αισθητά φαινόμενα αυτο-επαγωγής, τα οποία γίνονται σημαντικά ακόμη και σε χαμηλές συχνότητες εάν χρησιμοποιούνται πηνία υψηλής επαγωγής.

Σε σχετικά χαμηλές συχνότητες, το κύκλωμα AC μπορεί ακόμα να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας Οι κανόνες του Kirchhoffη οποία όμως πρέπει να τροποποιηθεί ανάλογα.

Ένα κύκλωμα που περιέχει διάφορες αντιστάσεις, επαγωγείς και πυκνωτές μπορεί να θεωρηθεί ως γενικευμένη αντίσταση, πυκνωτής και πηνίο συνδεδεμένα σε σειρά.

Εξετάστε τις ιδιότητες ενός τέτοιου κυκλώματος που συνδέεται με μια γεννήτρια ημιτονοειδούς εναλλασσόμενου ρεύματος. Για να διαμορφώσετε τους κανόνες για τον υπολογισμό των εναλλασσόμενων κυκλωμάτων, πρέπει να βρείτε τη σχέση μεταξύ της πτώσης τάσης και του ρεύματος για καθένα από τα στοιχεία ενός τέτοιου κυκλώματος.

Συμπυκνωτής παίζει εντελώς διαφορετικούς ρόλους στα κυκλώματα AC και DC. Εάν, για παράδειγμα, ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο είναι συνδεδεμένο στο κύκλωμα, τότε ο πυκνωτής θα αρχίσει να φορτίζειέως ότου η τάση σε αυτό γίνει ίση με το emf του στοιχείου. Στη συνέχεια, η φόρτιση θα σταματήσει και το ρεύμα θα πέσει στο μηδέν.

Εάν το κύκλωμα είναι συνδεδεμένο με έναν εναλλάκτη, τότε σε έναν μισό κύκλο, τα ηλεκτρόνια θα ρέουν από την αριστερή πλάκα του πυκνωτή και θα συσσωρεύονται στα δεξιά και στο άλλο - αντίστροφα.

Αυτά τα κινούμενα ηλεκτρόνια αποτελούν ένα εναλλασσόμενο ρεύμα του οποίου η ισχύς είναι ίση και στις δύο πλευρές του πυκνωτή. Εφόσον η συχνότητα AC δεν είναι πολύ υψηλή, το ρεύμα μέσω της αντίστασης και του επαγωγέα είναι επίσης το ίδιο.

Σε συσκευές που καταναλώνουν εναλλασσόμενο ρεύμα, το εναλλασσόμενο ρεύμα συχνά διορθώνεται ανορθωτές για λήψη συνεχούς ρεύματος.

Αγωγοί για ηλεκτρικό ρεύμα

Το ηλεκτρικό ρεύμα σε όλες τις μορφές του είναι ένα κινητικό φαινόμενο, ανάλογο με τη ροή των ρευστών σε κλειστά υδραυλικά συστήματα. Κατ' αναλογία, η διαδικασία της κίνησης του ρεύματος ονομάζεται «ροή» (ροές ρεύματος).

Το υλικό στο οποίο ρέει το ρεύμα ονομάζεται αγωγός… Ορισμένα υλικά περνούν σε υπεραγωγιμότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε αυτή την κατάσταση, δεν δείχνουν σχεδόν καμία αντίσταση στο ρεύμα, η αντίστασή τους τείνει στο μηδέν.

Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις, ο αγωγός αντιστέκεται στη ροή του ρεύματος, και ως αποτέλεσμα, μέρος της ενέργειας των ηλεκτρικών σωματιδίων μετατρέπεται σε θερμότητα.Η ένταση μπορεί να υπολογιστεί με Νόμος του Ohm για τη διατομή του κυκλώματος και τον νόμο του Ohm για ολόκληρο το κύκλωμα.

Η ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων στα σύρματα εξαρτάται από το υλικό του σύρματος, τη μάζα και το φορτίο του σωματιδίου, τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, την εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού και είναι πολύ μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός. Ωστόσο, η ταχύτητα διάδοσης του ίδιου του ηλεκτρικού ρεύματος είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός σε ένα δεδομένο μέσο, ​​δηλαδή την ταχύτητα διάδοσης του μπροστινού μέρους ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος.

Πώς ο ηλεκτρισμός επηρεάζει το ανθρώπινο σώμα

Το ρεύμα που διέρχεται από το σώμα ανθρώπου ή ζώου μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρικά εγκαύματα, μαρμαρυγή ή θάνατο. Από την άλλη πλευρά, το ηλεκτρικό ρεύμα χρησιμοποιείται στην εντατική θεραπεία, για τη θεραπεία ψυχικών ασθενειών, ειδικά της κατάθλιψης, η ηλεκτρική διέγερση ορισμένων περιοχών του εγκεφάλου χρησιμοποιείται για τη θεραπεία ασθενειών όπως η νόσος του Πάρκινσον και η επιληψία, ένας βηματοδότης που διεγείρει τον καρδιακό μυ με παλμικό το ρεύμα χρησιμοποιείται για βραδυκαρδία. Σε ανθρώπους και ζώα, το ρεύμα χρησιμοποιείται για τη μετάδοση νευρικών ερεθισμάτων.

Για λόγους ασφαλείας, το ελάχιστο δεκτικό ρεύμα για ένα άτομο είναι 1 mA. Το ρεύμα γίνεται επικίνδυνο για τη ζωή ενός ατόμου ξεκινώντας από μια ισχύ περίπου 0,01 A. Το ρεύμα γίνεται θανατηφόρο για ένα άτομο ξεκινώντας από μια ισχύ περίπου 0,1 A. Μια τάση μικρότερη από 42 V θεωρείται ασφαλής.