Struja

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Klasična elektrodinamika
VFPt Solenoid correct2.svg
Električni magnetizam
Vidi također: Portal: Fizika

Električna struja ili električna struja - usmjereno (uređeno) kretanje čestica ili kvazičestica - nosilaca električnog naboja [1] [2] [3] .

Takvi nosioci mogu biti: u metalima - elektroni , u elektrolitima - joni ( katjoni i anjoni ), u gasovima - joni i elektroni , u vakuumu pod određenim uslovima - elektroni , u poluprovodnicima - elektroni ili rupe ( elektron-rupa provodljivost ). Ponekad se električna struja naziva i struja pomaka koja nastaje kao rezultat promjene vremena električnog polja [4] .

Električna struja ima sljedeće manifestacije:

Klasifikacija

Ako se nabijene čestice kreću unutar makroskopskih tijela u odnosu na određeni medij, tada se takva struja naziva električna struja provodljivosti . Ako se makroskopska nabijena tijela kreću (na primjer, nabijene kapi kiše), tada se ova struja naziva konvekcija [3] .

Razlikovati jednosmernu i naizmeničnu električnu struju, kao i sve vrste naizmenične struje. U takvim konceptima, riječ "električni" se često izostavlja.

  • Naizmjenična struja je električna struja koja se mijenja tokom vremena [5] . Pod naizmeničnom strujom podrazumeva se svaka struja koja nije jednosmerna.
  • Periodična struja je električna struja čije se trenutne vrijednosti ponavljaju u jednakim vremenskim intervalima u nepromijenjenom nizu [5] .
  • Sinusoidna struja je periodična električna struja, koja je sinusna funkcija vremena [5] . Među naizmjeničnim strujama glavna je struja čija se vrijednost mijenja po sinusoidnom zakonu [6] . U ovom slučaju, potencijal svakog kraja vodiča mijenja se u odnosu na potencijal drugog kraja vodiča naizmjenično iz pozitivnog u negativan i obrnuto, prolazeći kroz sve međupotencijale (uključujući nulti potencijal). Kao rezultat toga, nastaje struja koja kontinuirano mijenja smjer: kada se kreće u jednom smjeru, povećava se, dostižući maksimum, koji se naziva amplituda vrijednost, zatim se smanjuje, na trenutak postaje jednaka nuli, zatim ponovo raste, ali u drugom smjera i također dostigne maksimalnu vrijednost , pada, da bi zatim ponovo prošao kroz nulu, nakon čega se ciklus svih promjena nastavlja.
  • Kvazistacionarna struja - "relativno sporo promjenjiva naizmjenična struja, za čije trenutne vrijednosti se zakoni jednosmjernih struja zadovoljavaju s dovoljnom točnošću" ( TSB ) [7] . Ovi zakoni su Ohmov zakon , Kirchhoffova pravila i drugi. Kvazistacionarna struja, kao i jednosmjerna struja, ima istu jačinu struje u svim dijelovima nerazgranatog kola. Prilikom izračunavanja krugova kvazistacionarne struje zbog nastajanja e. itd. sa. indukcijski kapacitet i induktivnost se bilježe kao pauširani parametri. Obične industrijske struje su kvazistacionarne, osim struja u dalekovodima, kod kojih nije zadovoljen uslov kvazistacionarnosti duž voda [7] . Elektromagnetni poremećaji se šire duž električnog kola brzinom svjetlosti, stoga za periodično promjenjive struje uvjet kvazistacionarnosti ima oblik: , gdje - karakteristične dimenzije električnog kola, - brzina svetlosti, - period promjena. Na primjer, struja frekvencije snage od 50 Hz je kvazistacionarna za krugove dužine do 100 km. [osam]
  • Struja visoke frekvencije je naizmjenična struja (počevši od frekvencije od približno desetina kHz ), za koju postaju značajne pojave [9] kao što su emisija elektromagnetnih valova i skin efekat . Osim toga, ako valna dužina zračenja naizmjenične struje postane uporediva s dimenzijama elemenata električnog kola, tada se narušava uvjet kvazistacionarnosti, što zahtijeva posebne pristupe proračunu i dizajnu takvih kola (vidi Duga linija ) .
  • Pulsirajuća struja je periodična električna struja čija je prosječna vrijednost u određenom periodu različita od nule [5] .
  • Jednosmjerna struja je električna struja koja ne mijenja svoj smjer [5] .

Vrtložne struje

Vrtložne struje (Foucaultove struje) su "zatvorene električne struje u masivnom vodiču koje nastaju kada se mijenja magnetni tok koji prodire u njega" [10] , stoga su vrtložne struje indukcijske struje. Što se brže mijenja magnetni tok, to su vrtložne struje jače. Vrtložne struje ne teku duž određenih staza u žicama, ali kada su zatvorene u vodiču, formiraju krugove nalik vrtlogu.

Postojanje vrtložnih struja dovodi do skin efekta, odnosno do činjenice da se naizmjenična električna struja i magnetski tok šire uglavnom u površinskom sloju vodiča. Zagrijavanje provodnika vrtložnim strujama dovodi do gubitaka energije, posebno u jezgrama namotaja naizmjenične struje. Da bi se smanjili gubici energije za vrtložne struje, koristi se podjela AC magnetnih kola na zasebne ploče, izolirane jedna od druge i smještene okomito na smjer vrtložnih struja, što ograničava moguće konture njihovih putanja i uvelike smanjuje veličinu ovih struje. Na vrlo visokim frekvencijama, umjesto feromagneta za magnetska kola, koriste se magnetodielektrici, u kojima se, zbog vrlo velikog otpora, praktički ne pojavljuju vrtložne struje.

Specifikacije

Istorijski gledano, prihvaćeno je da se smjer struje poklapa sa smjerom kretanja pozitivnih naboja u vodiču . U ovom slučaju, ako su jedini nosioci struje negativno nabijene čestice (na primjer, elektroni u metalu ), tada je smjer struje suprotan smjeru kretanja nabijenih čestica [2] .

Brzina drifta elektrona

Brzina (drift) usmjerenog kretanja čestica u provodnicima, uzrokovanog vanjskim poljem, ovisi o materijalu provodnika, masi i naboju čestica, temperaturi okoline , primijenjenoj potencijalnoj razlici i mnogo je manja od brzina svetlosti . Za 1 sekundu, elektroni u provodniku se kreću zbog uređenog kretanja za manje od 0,1 mm [11] - 20 puta manje od brzine pužnice [ izvor nije naveden 1748 dana ] . Unatoč tome, brzina širenja same električne struje jednaka je brzini svjetlosti (brzini prostiranja prednjeg dijela elektromagnetnog vala ). Odnosno, mjesto gdje elektroni mijenjaju brzinu kretanja nakon promjene napona kreće se brzinom širenja elektromagnetnih oscilacija.

Snaga i gustina struje

Električna struja ima kvantitativne karakteristike: jačinu skalarne struje i vektorsku gustinu struje .

Snaga struje je fizička veličina jednaka omjeru količine naboja prošlo neko vreme preko poprečnog preseka provodnika, na vrednost ovog vremenskog perioda.

Struja u Međunarodnom sistemu jedinica (SI) mjeri se u amperima (ruska oznaka: A; međunarodna: A).

Omov zakon struje u dijelu kola je direktno proporcionalna naponu primijenjen na ovaj dio kola, i obrnuto je proporcionalan njegovom otporu :

Ako električna struja nije konstantna u dijelu kola, tada se napon i jačina struje stalno mijenjaju, dok su za običnu naizmjeničnu struju prosječni napon i jačina struje nula. Međutim, prosječna snaga oslobođene topline u ovom slučaju nije jednaka nuli. Stoga se koriste sljedeći koncepti:

  • trenutni napon i struja, odnosno djelovanje u datom trenutku.
  • vršni napon i struja, odnosno maksimalne apsolutne vrijednosti
  • efektivni (efektivni) napon i struja određeni su termičkim efektom struje, odnosno imaju iste vrijednosti koje imaju za jednosmjernu struju sa istim toplinskim efektom [12] .

Gustoća struje je vektor čija je apsolutna vrijednost jednaka omjeru struje koja teče kroz određeni dio provodnika, okomito na smjer struje, na površinu ovog presjeka i smjer vektor se poklapa sa smjerom kretanja pozitivnih naboja koji formiraju struju.

Prema Ohmovom zakonu u diferencijalnom obliku, gustoća struje u mediju proporcionalno jačini električnog polja i provodljivost medija :

Snaga

U prisustvu struje u vodiču, rad se vrši protiv sila otpora. Električni otpor bilo kojeg vodiča sastoji se od dvije komponente:

  • aktivni otpor - otpornost na stvaranje topline;
  • reaktancija - "otpor zbog prijenosa energije na električno ili magnetsko polje (i obrnuto)" ( TSB ) [13] .

Obično se većina rada električne struje generira kao toplina . Snaga gubitka topline je vrijednost jednaka količini topline koja se oslobađa u jedinici vremena. Prema Joule-Lenzovom zakonu, snaga toplotnih gubitaka u provodniku je proporcionalna jačini struje koja teče i primijenjenom naponu:

Snaga se mjeri u vatima .

U kontinuiranom mediju, volumetrijski gubici snage je određen skalarnim proizvodom vektora gustoće struje i vektor jačine električnog polja na ovom mjestu:

Volumetrijska snaga se mjeri u vatima po kubnom metru .

Otpornost na zračenje je uzrokovana stvaranjem elektromagnetnih valova oko vodiča. Ovaj otpor kompleksno zavisi od oblika i veličine provodnika, od dužine emitovanog talasa. Za jedan pravolinijski provodnik, u kojem svuda teče struja istog smjera i jačine, i čija je dužina L mnogo manja od dužine elektromagnetnog talasa koji emituje , ovisnost otpora o talasnoj dužini i provodniku je relativno jednostavna:

Najčešće korišćena električna struja standardne frekvencije od 50 Hz odgovara talasu dužine oko 6 hiljada kilometara, zbog čega je snaga zračenja obično zanemarljiva u poređenju sa snagom gubitka toplote. Međutim, s povećanjem frekvencije struje, duljina emitiranog vala se smanjuje, a snaga zračenja se u skladu s tim povećava. Provodnik sposoban da emituje vidljivu energiju naziva se antena .

Frekvencija

Frekvencija se odnosi na naizmjeničnu struju koja povremeno mijenja snagu ili smjer. Ovo također uključuje najčešće korištenu sinusnu struju.

Period naizmjenične struje je najmanji vremenski period (izražen u sekundama) nakon kojeg se promjene struje (i napona) ponavljaju [12] . Broj perioda koje struja izvodi u jedinici vremena naziva se frekvencija. Frekvencija se mjeri u hercima , pri čemu jedan herc (Hz) odgovara jednom ciklusu u sekundi.

Bias current

Ponekad se, radi praktičnosti, uvodi koncept struje pomaka. U Maxwellovim jednačinama , struja pomaka je prisutna na jednakoj osnovi sa strujom uzrokovanom kretanjem naelektrisanja. Intenzitet magnetnog polja zavisi od ukupne električne struje, jednakoj zbroju struje provodljivosti i struje pomaka. Po definiciji, gustina struje pristrasnosti Je vektorska veličina proporcionalna brzini promjene električnog polja na vrijeme:

Činjenica je da kada se električno polje promijeni, kao i kada teče struja, nastaje magnetsko polje , što ova dva procesa čini sličnima jedan drugom. Osim toga, promjena električnog polja obično je praćena prijenosom energije . Na primjer, prilikom punjenja i pražnjenja kondenzatora , unatoč činjenici da nema pomicanja nabijenih čestica između njegovih ploča, oni govore o struji pomaka koja teče kroz njega, noseći određenu energiju i na neobičan način zatvarajući električni krug . Bias current u kondenzatoru se određuje formulom:

,

gdje - naboj na pločama kondenzatora, - razlika potencijala između ploča, - kapacitet kondenzatora.

Struja pomaka nije električna struja, jer nije povezana s kretanjem električnog naboja.

Osnovne vrste provodnika

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока» [14] . Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах [3] .

Электрические токи в природе

Атмосферное электричество — электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин [15] . В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:

  • при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
  • напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
  • атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
  • место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю [16] . Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10 −12 А/м².

Полный ток, текущий на всю поверхность Земли , при этом составляет приблизительно 1800 А [17] .

Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний . Огни святого Эльма — естественный коронный электрический разряд.

Биотоки — движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные ( электрические скаты , электрический угорь ) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.

Применение

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие — электроэнергетика .

Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

  • получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,
  • получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,
  • получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,
  • возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,
  • получения звука,
  • получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,
  • создания магнитного поля (в электромагнитах ).

Использование электрического тока в медицине

Электробезопасность

Включает в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

  • термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
  • электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
  • биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги);
  • механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови).

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

  • безопасным считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
  • минимально ощутимый человеком переменный ток составляет около 0,6—1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5—7 мА постоянного тока;
  • пороговым неотпускающим называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10—15 мА, для постоянного — 50—80 мА;
  • фибрилляционным порогом называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц . Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.

В России, в соответствии с Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей [18] и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок [19] , установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.

См. также

Примечания

  1. Ковалёв Н. Ф., Миллер М. А. Электрический ток // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1998. — Т. 5. — С. 515. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7 .
  2. 1 2 Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Изд. 4-е, стереотипное. — М. : Физматлит ; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3 ; ISBN 5-89155-086-5 ..
  3. 1 2 3 4 Электрический ток // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  4. ГОСТ Р 52002-2003 Электротехника. Термины и определения основных понятий
  5. 1 2 3 4 5 ГОСТ Р 52002-2003. Электротехника. Термины и определения основных понятий http://www.gosthelp.ru/gost/gost2416.html
  6. Любой периодический несинусоидальный ток может быть представлен в виде комбинации синусоидальных гармонических составляющих (гармоник), имеющих соответствующие амплитуды, часто́ты и начальные фазы. См. Ряд Фурье . Радиотехнические цепи и сигналы — Понятие спектра
  7. 1 2 Квазистационарный ток // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  8. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 2. Электричестов и магнетизм. - М., Наука, 1988. - c. 258
  9. которые являются либо полезными, определяющими его применение, либо вредными, против которых принимаются необходимые меры.
  10. Вихревые токи // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  11. Электрический ток в металлах (недоступная ссылка) . Дата обращения: 1 января 2012. Архивировано 14 февраля 2012 года.
  12. 1 2 Переменный ток // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  13. Электрическое сопротивление // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  14. Электролиты // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  15. Атмосферное электричество / В. М. Березин // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов . — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
  16. ЭСБЕ/Атмосферное электричество — Викитека .
  17. Имянитов И. М. Атмосферное электричество // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Советская энциклопедия , 1988. — Т. 1. Ааронова—Бома эффект — Длинные линии. — С. 144—146. — 704 с. — 100 000 экз.
  18. Приказ Минэнерго РФ от 13.01.2003 № 6 «Об утверждении Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей»
  19. Приказ Минэнерго РФ от 27.12.2000 N 163 «Об утверждении Межотраслевых правил по охране труда (правил безопасности) при эксплуатации электроустановок»

Литература

Ссылки