Potencijal je fizička veličina koja karakterizira rad izvora na pomicanju naboja. Na primjer, ako obje točke spojite vodičem, na primjer komadom bakrene žice, tada će višak elektrona iz točke otići u točku B, stvarajući tako električnu struju u vodiču. Tako je usmjereni tok elektrona zapravo električna struja. Dakle, napon je sila koja pokreće negativno nabijene čestice, elektrone, u krugu.

Kvantitativno, možemo pokušati opisati struju kao zbir naboja elektrona koji prolaze kroz datu točku. No, kao što znate iz općeg tečaja fizike, elektron ima vrlo mali naboj, pa su za procjenu naboja naučnici uveli posebnu električnu jedinicu - kulon (Cl).

Jedan privjesak odgovara zbroju troškova 6,25*1018 ili 6250000000000000000 elektroni. Ako bilo koji naboj u jednom kulonu prođe kroz bilo koju točku u jednoj sekundi, to znači da je električna struja od jednog ampera (A) prošla kroz ovu točku u vodiču.

Snaga struje, jedna od glavnih električnih veličina, mjeri se u amperima. Tačka A, u skladu sa našom slikom, zbog viška elektrona ima negativan potencijal, a tačka B je pozitivna.

Protok elektrona može se konvencionalno predstaviti kao voda koja teče iz jednog spremnika u drugi. Vodovod između rezervoara uslovni je ekvivalent električnog vodiča, a razlika u nivoima vode u rezervoarima nije ništa drugo do uslovni ekvivalent razlike potencijala između dvije tačke.

Iako se elektroni zapravo kreću s negativnog pola na pozitivni pol, u elektrotehnici i elektronici općenito je prihvaćeno da električna struja u vodiču teče s pozitivnog pola na negativni pol. Ovaj sporazum ulazi u istoriju prije nekoliko stoljeća, kada se premalo znalo o prirodi električne struje.

Razlika potencijala, poznata i kao napon, mjeri se u voltima i označava se u formulama i dijagramima latiničnim slovom U... Veličina električne struje, mjerena u amperima i označena latinskim simbolom I.

Slobodni nosioci naboja - elektroni u vodiču, koji se kreću duž električnog kola, sudaraju se s atomima, koji stvaraju određene prepreke kretanju elektrona, čime se značajno smanjuje nominalna vrijednost električne struje. Ova prepreka u elektrotehnici naziva se otpor električnom strujom i označava se latinskim simbolom R. Apsolutno svaki materijal ima otpor ili električnu vodljivost (fizička veličina obrnuta otporu). Dobro je zamisliti otpor pri istom kretanju vode iz jednog spremnika u drugi, ali za razliku od prethodnog slučaja, dio cijevi zamijenit ćemo užim, pa će se ukupni protok vode smanjiti.

Svaki materijal ovisi o različitim fizičkim svojstvima: temperaturi, veličini, obliku itd. Tvari s niskim otporom na električnu struju nazivaju se vodiči. (imaju hrpu slobodnih elektrona, na primjer: zlato, bakar, srebro, aluminij, platina). Materijali koji imaju visoku otpornost na struju nazivaju se dielektrici. Imaju malu količinu slobodnih elektrona (plastika, guma, staklo, liskun). Fizička mjerna jedinica otpora je Ohm.

Jedan ohm je otpor neke tvari, koji pri naponu napajanja od jednog volta omogućuje protok struje jednake jednom amperu.

Dva naboja istog znaka, dva protona ili elektrona, opiru se približavanju i pokušavaju pobjeći jedno od drugog. Ovaj fizički proces naziva se odbijanje. Prvi Kulonov zakon, koji opisuje interakciju električnih naboja, kaže: naboji s istim predznakom odbijaju se. Drugi zakon interakcije električnih naboja zvuči ovako: suprotni naboji s različitim predznacima privlače se međusobno.

Elektrone negativno nabijenih elementarnih čestica privlače pozitivno nabijeni protoni u jezgri. Zašto onda elektron ostaje u svojoj orbiti i ne pada na jezgru? To se događa kao rezultat činjenice da se sila privlačenja elektrona kompenzira centripetalnom silom koja se javlja uslijed rotacije elektrona u njegovoj orbiti oko jezgre. Numerička vrijednost nominalne vrijednosti odbojnih i privlačnih sila koje postoje između dvije nabijene elementarne čestice ovisi o sljedećim komponentama: udaljenosti između čestica i njihovih naboja.

Naboj jednog elektrona je izuzetno mali, pa u praksi nije dobio distribuciju. Jedinica mjere naboja usvojena u SI sistemu bio je kulon (C). Ime je dobio u čast francuskog naučnika Coulomba, a u formulama je označen latiničnim slovom Q. Jedan privjesak jednak je 6,28 * 1018 elektronskih naboja.

Električni naboji nastali pomicanjem elektrona. Kada u jednom trenutku postoji snažan deficit negativnih čestica, a u drugom njihov višak, stvara se potencijalna razlika. Ako su dvije točke, između kojih postoji određeni nivo razlike potencijala, povezane vodičem, tada će elektroni trčati duž njega. Ovaj tok elektrona naziva se električna struja.

Električna struja je usmjereno kretanje protoka elektrona u područje pozitivnog naboja iz područja negativnog naboja. Amper (A) se koristi kao fizička jedinica za mjerenje struje u SI sistemu. Jedan amper je struja koja se pojavljuje u vodiču kad se naboj jednog kulona kreće u vremenu od jedne sekunde.

gdje I jačina struje u amperima, P vrijednost električnog naboja u kulonima, t vrijeme u sekundama.

Razmotrimo fizički proces strujanja koji prolazi kroz vodič. Nosioci naboja u električnom krugu su negativni elektroni. Uobičajeno se smatra da je struja protok negativno nabijenih elektrona, ali zapravo se elektroni kreću s jednog atoma na drugi, tada tvore pozitivne naboje, koji se nazivaju rupe. Drugim riječima, rupa je trag koji ostavlja elektron izbačen iz orbite.

Uvjetno možemo reći da se rupe kreću u smjeru suprotnom od protoka elektrona.

Ako elektroni idu s jednog kraja vodiča na drugi kraj, tada će struja teći kroz vodič. Kao rezultat usmjerenog kretanja slobodnih elektrona, oni se sudaraju s atomima, izbacujući druge elektrone iz svoje orbite, koji zauzvrat postaju slobodni. I već se ti oslobođeni elektroni sudaraju s drugim atomima i tako sve dok ne dosegnu pozitivni nabijeni kraj vodiča, također se sudarajući s drugim atomima. Ovo kretanje, nazvano drift, izvodi se kao rezultat odbijanja naboja. Osim toga, pozitivno nabijeni kraj vodiča s oštrim manjkom elektrona privlači negativno nabijene čestice. Zbog toga, zbog "rada" zakona interakcije električnih naboja, dolazi do sporog zanošenja elektrona.

Za bolje razumijevanje procesa uzmite šuplju cijev i napunite je kuglicama:

Ako na jedan kraj cijevi dodamo dodatnu kuglu, lopta će iskliznuti s drugog kraja.

Uređaj u koji elektroni izlaze s pozitivno nabijenog kraja vodiča i koji ih daje na negativno nabijeni kraj vodiča naziva se napon ili izvor energije.

Priključujemo LED na bateriju tipa prsta i ako se pravilno poštuje polaritet, zasvijetlit će. U kojem smjeru će se struja uspostaviti? U današnje vrijeme to svi znaju od plusa do minusa. Unutar baterije, dakle, od minus do plus - struja u ovom zatvorenom električnom krugu je konstantna.

Smjer kretanja pozitivno nabijenih čestica smatra se smjerom struje u krugu, ali na kraju krajeva, elektroni se kreću u metalima, a oni su, znamo, negativno nabijeni. To znači da je u stvarnosti koncept "trenutnog smjera" konvencija. Hajde da to shvatimo zašto, dok elektroni kruže kroz krug od minus do plus, svi oko njih kažu da struja ide od plus do minus... Zašto je ovaj apsurd?

Odgovor leži u istoriji formiranja elektrotehnike. Kada je Franklin razvio svoju teoriju elektriciteta, smatrao je da je njegovo kretanje poput kretanja fluida, koji, takoreći, teče s jednog tijela na drugo. Tamo gdje ima više električnog fluida, odatle teče u smjeru gdje ga ima manje.

Iz tog razloga, Franklin je nazvao tijela s viškom električne tekućine (konvencionalno!) Pozitivno elektrificirana, a tijela s nedostatkom električne tekućine - negativno elektrificirana. Odavde je potekla ideja kretanja. Pozitivni naboj teče, kao kroz sistem komunikacijskih žila, iz jednog nabijenog tijela u drugo.

Kasnije je francuski istraživač Charles Dufay u svojim eksperimentima s otkrio da se ne nabijaju samo natrljana tijela, već i natrkana, a pri dodiru se neutraliziraju naboji oba tijela. Pokazalo se da zapravo postoje dvije različite vrste električnog naboja, koje se međusobno neutraliziraju. Ovu teoriju o dva elektriciteta razvio je Franklin savremenik Robert Simmer, koji se i sam uverio da nešto u Franklinovoj teoriji nije potpuno tačno.

Škotski fizičar Robert Simmer nosio je dva para čarapa: tople vunene čarape i drugu svilu na vrhu. Kad je skinuo obje čarape odjednom s noge, a zatim izvukao jednu čarapu s druge, primijetio je sljedeću sliku: vunene i svilene čarape nabreknu, poprimajući oblik nogu i oštro se lijepe za svaku drugo. U isto vrijeme, čarape od istog materijala, poput vune i svile, odbijale su jedna drugu.

Ako je Simmer u jednoj ruci držao dvije svilene čarape, a u drugoj dvije vunene, kada je spojio ruke, odbijanje čarapa od istog materijala i privlačenje čarapa od različitih materijala doveli su do zanimljive interakcije među njima : Činilo se da su različite čarape nasrnule jedna na drugu i ispreplele se u klupko.

Promatranje ponašanja njegovih čarapa dovelo je Roberta Simmera do zaključka da u svakom tijelu ne postoji jedna, već dvije električne tekućine - pozitivna i negativna, koje se u tijelu nalaze u jednakim količinama. Prilikom trljanja dva tijela, jedno od njih može prijeći s jednog tijela na drugo, tada će u jednom tijelu biti viška jedne od tekućina, a u drugom - njegov nedostatak. Oba tijela će se elektrificirati, suprotno po znaku.

Ipak, elektrostatički fenomeni mogli bi se uspješno objasniti koristeći i Franklinovu hipotezu i Simmerovu hipotezu o dva elektriciteta. Ove teorije se međusobno natječu već neko vrijeme. Kada je 1779. Alessandro Volta stvorio svoj naponski stub, nakon čega je ispitana elektroliza, naučnici su došli do nedvosmislenog zaključka da se, u stvari, dva suprotna toka nosilaca naboja kreću u otopinama i tekućinama - pozitivnom i negativnom. Dualistička teorija električne struje, iako je nisu svi razumjeli, ipak je pobijedila.

Konačno, 1820. godine, govoreći pred Pariškom akademijom nauka, Ampere predlaže da se izabere jedan od pravaca kretanja naboja kao glavni smjer struje. To mu je bilo zgodno, budući da je Ampere proučavao međusobnu interakciju struja i struja s magnetima. I tako svaki put u toku poruke da ne spominjemo da se dva toka suprotnog naboja kreću u dva smjera duž jednog vodiča.

Ampere je predložio jednostavno uzeti smjer kretanja pozitivnog elektriciteta za smjer struje i cijelo vrijeme govoriti o smjeru struje, što znači kretanje pozitivnog naboja... Od tada je stav o smjeru struje koji je predložio Ampere svuda prihvaćen, a koristi se i danas.

Kad je Maxwell razvio svoju teoriju elektromagnetizma i odlučio primijeniti pravilo desnog vijka radi lakšeg određivanja smjera vektora magnetske indukcije, također se pridržavao ove pozicije: smjer struje je smjer kretanja pozitivan naboj.

Faraday je pak primijetio da je smjer struje uvjetovan, to je samo zgodan alat za naučnike da jedinstveno odrede smjer struje. Lenz je, predstavljajući svoje Lenzovo pravilo (vidi -), također koristio izraz "smjer struje", što znači kretanje pozitivnog elektriciteta. To je jednostavno zgodno.

Čak i nakon što je Thomson otkrio elektron 1897. godine, konvencionalnost smjera struje je i dalje očuvana. Čak i ako se samo elektroni stvarno kreću u vodiču ili u vakuumu, svejedno, suprotan smjer se uzima kao smjer struje - od plus do minus.

Više od stoljeća nakon otkrića elektrona, unatoč Faradayevim idejama o ionima, čak i s pojavom elektroničkih cijevi i tranzistora, iako je bilo poteškoća u opisima, uobičajeno stanje stvari i dalje ostaje. Zato je prikladnije raditi sa strujama, kretati se u njihovim magnetskim poljima, i čini se da to nikome ne stvara prave poteškoće.

Nemoguće je zamisliti život moderne osobe bez električne energije. Volti, amperi, vati - ove riječi zvuče u razgovoru o uređajima koji rade na električnu energiju. Ali koja je to električna struja i koji su uvjeti za njeno postojanje? O tome ćemo dalje govoriti, pružajući kratko objašnjenje za električare početnike.

Definicija

Električna struja je usmjereno kretanje nosača naboja - ovo je standardna formulacija iz udžbenika fizike. S druge strane, određene čestice tvari nazivaju se nosači naboja. Mogu biti:

• Elektroni su negativni nosioci naboja.
• Ioni su nosioci pozitivnog naboja.

Ali odakle dolaze nosioci naboja? Da biste odgovorili na ovo pitanje, morate se sjetiti osnovnih znanja o strukturi materije. Sve što nas okružuje je materija, sastoji se od molekula, njegovih najmanjih čestica. Molekule se sastoje od atoma. Atom se sastoji od jezgre oko koje se elektroni kreću u datim orbitama. Molekule se takođe kreću haotično. Kretanje i struktura svake od ovih čestica ovise o samoj tvari i utjecaju okoline na nju, na primjer, temperaturi, naprezanju itd.

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

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

Jedinica mjerenja struje je Amperi, prema njoj se izračunava formulom:

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

Ili je izravno proporcionalno iznosu prenijete naknade po jedinici vremena:

gdje Q - naboj, [Cl], t - vrijeme, [s].

Uslovi za postojanje električne struje

Shvatili smo što je električna struja, a sada razgovarajmo o tome kako osigurati njen protok. Za protok električne struje moraju biti ispunjena dva uslova:

1. Prisutnost besplatnih prijevoznika.
2. Električno polje.

Prvi uvjet za postojanje i protok električne energije ovisi o tvari u kojoj struja teče (ili ne teče), kao i o njenom stanju. Drugi uvjet je također izvediv: za postojanje električnog polja potrebno je prisustvo različitih potencijala, između kojih postoji medij u kojem će teći nositelji naboja.

Podsjetimo: Napon, EMF je razlika potencijala. Iz toga slijedi da je za ispunjenje uvjeta postojanja struje - prisutnosti električnog polja i električne struje potreban napon. To mogu biti ploče nabijenog kondenzatora, galvanske ćelije, EMF generiran magnetskim poljem (generatorom).

Kako nastaje, shvatili smo, razgovarajmo o tome gdje je usmjeren. Struja, uglavnom u našoj uobičajenoj upotrebi, kreće se u vodičima (električno ožičenje u stanu, žarulje sa žarnom niti) ili u poluvodičima (LED diode, procesor vašeg pametnog telefona i druga elektronika), rjeđe u plinovima (fluorescentne svjetiljke).

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

Zanimljiva je činjenica da se smjer kretanja struje uzimao kao kretanje pozitivnih naboja - od plusa do minusa. Iako se, u stvari, sve događa obrnuto. Činjenica je da je odluka o smjeru struje donesena prije proučavanja njene prirode, a i prije nego što je određena zbog toga što struja teče i postoji.

Električna struja u različitim okruženjima

Već smo spomenuli da se u različitim okruženjima električna struja može razlikovati u vrsti nosača naboja. Mediji se mogu podijeliti prema prirodi vodljivosti (u opadajućoj vodljivosti):

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

U metalima

U metalima postoje besplatni nosači naboja, koji se ponekad nazivaju i "električni plin". Odakle dolaze besplatni prijevoznici? Činjenica je da se metal, kao i svaka tvar, sastoji od atoma. Atomi se kreću ili osciliraju na ovaj ili onaj način. Što je temperatura metala viša, to kretanje je jače. U isto vrijeme, atomi općenito ostaju na svojim mjestima, ustvari tvoreći strukturu metala.

U elektronskim omotačima atoma obično postoji nekoliko elektrona koji imaju prilično slabu vezu s jezgrom. Pod utjecajem temperatura, kemijskih reakcija i interakcije nečistoća, koje se u svakom slučaju nalaze u metalu, elektroni se odvajaju od svojih atoma, stvaraju se pozitivno nabijeni ioni. Odvojeni elektroni nazivaju se slobodni i kreću se haotično.

Ako na njih djeluje električno polje, na primjer, ako spojite bateriju na komad metala, kaotično kretanje elektrona postat će uredno. Elektroni s mjesta na koje je priključen negativni potencijal (katoda galvanske ćelije, na primjer) počet će se pomicati u točku s pozitivnim potencijalom.

U poluvodičima

Poluvodiči su materijali u kojima nema slobodnih nosača naboja u normalnom stanju. Nalaze se u takozvanoj zabranjenoj zoni. Ali ako primijenite vanjske sile, kao što su električno polje, toplina, različito zračenje (svjetlo, zračenje itd.), One prevladaju zabranjenu zonu i odlaze u zonu slobodne ili provodljivosti. Elektroni se odvajaju od svojih atoma i postaju slobodni, tvoreći ione - pozitivne nosioce naboja.

Pozitivni nosioci u poluvodičima nazivaju se rupe.

Ako jednostavno prenesete energiju na poluvodič, na primjer, zagrijete ga, počet će kaotično kretanje nosača naboja. No, ako govorimo o poluvodičkim elementima, poput diode ili tranzistora, tada će se na suprotnim krajevima kristala pojaviti EMF (na njih se nanosi metalizirani sloj i lemljeni su vodiči), ali to se ne odnosi na tema današnjeg članka.

Ako na poluvodič primijenite izvor EMF -a, tada će i nositelji naboja ući u pojas provođenja, a počet će i njihovo usmjereno kretanje - rupe će ići na stranu s manjim električnim potencijalom, a elektroni - na stranu sa jedan veliki.

U vakuumu i plinu

Vakuum se naziva medij s potpunim (idealnim slučajem) odsustvom plinova ili njegovom minimalnom (u stvarnosti) količinom. Budući da nema tvari u vakuumu, nema mjesta odakle dolaze nosači naboja. Međutim, protok struje u vakuumu označio je početak elektronike i cijelu eru elektroničkih elemenata - vakuumskih cijevi. Korišteni su u prvoj polovici prošlog stoljeća, a 50 -ih godina počeli su postupno ustupati mjesto tranzistorima (ovisno o specifičnom području elektronike).

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

Na slici je prikazan proces strujanja u vakuumskoj lampi. U vakuumskim cijevima katoda se zagrijava pomoću obližnjeg vlakna na slici (H), na primjer u svjetiljci za osvjetljenje.

U ovom slučaju, ako promijenite polaritet napajanja - primijenite minus na anodu, a plus na katodu - struja neće teći. Ovo će dokazati da struja u vakuumu teče zbog kretanja elektrona iz KATODE u ANODU.

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 jačini (ionizacijski napon) elektroni odvojiti od atoma, a zatim oba bit će ispunjeni uvjeti za protok električne struje - polje i slobodni mediji.

Kao što je već spomenuto, ovaj proces se naziva ionizacija. Može se pojaviti ne samo zbog primijenjenog napona, već i pri zagrijavanju plina, rendgenskim zrakama, pod utjecajem ultraljubičastog zračenja i drugih stvari.

Struja će teći zrakom čak i ako je između elektroda postavljen plamenik.

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

U tečnosti

Recimo da imamo posudu s vodom u koju su smještene dvije elektrode, na koju je priključen izvor napajanja. Ako je voda destilirana, odnosno čista i ne sadrži nečistoće, onda je to dielektrik. Ali ako vodi 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.

Ako se u vodu doda bakreni sulfat, tada će se sloj bakra taložiti na jednoj od elektroda (katoda) - to se naziva elektrolizom, što dokazuje da se električna struja u tekućini provodi zbog kretanja iona - pozitivno i negativne nosače naboja.

Elektroliza je fizikalno -kemijski proces koji se sastoji u oslobađanju komponenti koje čine elektrolit na elektrodama.

Tako dolazi do bakrenjačenja, pozlate i premazivanja drugim metalima.

Zaključak

Ukratko, za protok električne struje potrebni su besplatni nosači naboja:

• elektroni u vodičima (metali) i vakuumu;
• elektroni i rupe u poluvodičima;
• joni (anioni i kationi) u tečnostima i gasovima.

Da bi se kretanje ovih nosača moglo urediti, potrebno je električno polje. Jednostavnim riječima, primijenite napon na krajevima tijela ili instalirajte dvije elektrode u okruženju u kojem bi trebala teći električna struja.

Također je vrijedno napomenuti da struja na određeni način utječe na tvar, postoje tri vrste izloženosti:

• termički;
• hemijski;
• fizički.

Korisno

Usmjereno (uređeno) kretanje čestica, nosilaca električnog naboja, u elektromagnetskom polju.

Što je električna struja u različitim tvarima? Uzmimo, prema tome, pokretne čestice:

• u metalima - elektroni,
• u elektrolitima - ioni (kationi i anioni),
• u gasovima - joni i elektroni,
• u vakuumu pod određenim uslovima - elektroni,
• u poluvodičima - rupe (provodljivost elektron -rupa).

Ponekad se električna struja naziva i struja pomaka nastala promjenom električnog polja tokom vremena.

Električna struja se manifestuje na sljedeći način:

• zagrijava vodiče (fenomen se ne primjećuje u supravodičima);
• mijenja kemijski sastav vodiča (ovaj fenomen je prvenstveno karakterističan za elektrolite);
• stvara magnetsko polje (manifestira se u svim vodičima bez iznimke).

Ako se naelektrisane čestice kreću unutar makroskopskih tijela u odnosu na određeni medij, tada se takva struja naziva električna "provodna struja". Ako se kreću makroskopska nabijena tijela (na primjer, nabijene kapi kiše), tada se ta struja naziva "konvekcija".

Struje se razlikuju u istosmjerne i izmjenične. Postoje i sve vrste izmjenične struje. Prilikom određivanja vrsta struje riječ "električna" se izostavlja.

• D.C- struja čiji se smjer i veličina ne mijenjaju tokom vremena. Može biti pulsirajuće, na primjer ispravljena varijabla, koja je jednosmjerna.
• Naizmjenična struja- električna struja, mijenja se tokom vremena. Pod naizmjeničnom strujom podrazumijeva se bilo koja struja koja nije istosmjerna.
• Periodična struja- električna struja, čije se trenutne vrijednosti ponavljaju u pravilnim intervalima u nepromijenjenom slijedu.
• Sinusoidna struja- periodična električna struja, koja je sinusoidna funkcija vremena. Među izmjeničnim strujama glavna je struja čija se vrijednost mijenja prema sinusoidnom zakonu. Bilo koja periodična nesinusoidna struja može se predstaviti kao kombinacija sinusnih komponenti harmonika (harmonika) sa odgovarajućim amplitudama, frekvencijama i početnim fazama. U ovom slučaju, elektrostatički 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, pojavljuje se struja koja kontinuirano mijenja smjer: pri kretanju u jednom smjeru povećava se, dostižući maksimum, koji se naziva vrijednost amplitude, zatim se smanjuje, na trenutak postaje jednaka nuli, pa se opet povećava, ali u drugom smjeru i također dostiže maksimalnu vrijednost, pada, da bi zatim ponovno prošao kroz nulu, nakon čega se nastavlja ciklus svih promjena.
• Kvazi-stacionarna struja- relativno sporo promjenjiva izmjenična struja, za čije trenutne vrijednosti zakoni istosmjernih struja zadovoljavaju dovoljnu tačnost. Ovi zakoni su Ohmov zakon, Kirchhoffova pravila i drugi. Kvazi-stacionarna struja, poput istosmjerne struje, ima istu jačinu struje u svim dijelovima nerazgranatog kola. Pri proračunu kola kvazi-stacionarne struje zbog pojavljivanja e. itd. sa. indukcije kapacitivnosti i induktivnosti uzimaju se u obzir kao skupni parametri. Uobičajene industrijske struje su kvazi-stacionarne, osim struja u dalekovodima u kojima nije zadovoljen uvjet kvazi-stacionarnosti duž dalekovoda.
• Struja visoke frekvencije- izmjenična struja (počevši od frekvencije od približno desetina kHz), za koju takve pojave postaju značajne, koje su ili korisne, određuju njenu uporabu, ili štetne, protiv kojih se poduzimaju potrebne mjere, poput zračenja elektromagnetskih valova i efekat kože. Osim toga, ako valna duljina zračenja izmjenične struje postane usporediva s dimenzijama elemenata električnog kruga, tada se narušava uvjet kvazistacionarnosti, što zahtijeva posebne pristupe proračunu i projektiranju takvih krugova.
• Pulsirajuća struja je periodična električna struja, čija se prosječna vrijednost u tom periodu razlikuje od nule.
• Jednosmjerna struja je električna struja koja ne mijenja smjer.

Vrtložne struje

Vrtložne struje (ili Foucaultove struje) su zatvorene električne struje u masivnom vodiču koje nastaju pri promjeni magnetskog toka koji prodire kroz njih, pa su vrtložne struje indukcijske struje. Što se brže mijenja magnetni tok, jače su vrtložne struje. Vrtložne struje ne teku duž određenih staza u žicama, ali kad su zatvorene u vodiču, tvore krugove nalik na vrtloge.

Postojanje vrtložnih struja dovodi do efekta kože, odnosno do činjenice da se izmjenična električna struja i magnetski tok šire uglavnom u površinskom sloju vodiča. Zagrijavanje vodiča vrtložnim strujama dovodi do gubitaka energije, posebno u jezgrama namotaja naizmjenične struje. Kako bi se smanjili gubici energije za vrtložne struje, koristi se podjela izmjeničnih magnetskih krugova na zasebne ploče, izolirane jedna od druge i smještene okomito na smjer vrtložnih struja, što ograničava moguće konture njihovih putanja i uvelike smanjuje njihovu veličinu. struje. Na vrlo visokim frekvencijama umjesto feromagneta za magnetska kola koriste se magnetodielektrik u kojem zbog vrlo velikog otpora vrtložne struje praktički ne nastaju.

Karakteristike

Istorijski gledano, prihvaćeno je da se smjer "" "struje" "" poklapa sa smjerom kretanja pozitivnih naboja u vodiču. Štoviše, ako su jedini nositelji struje negativno nabijene čestice (na primjer, elektroni u metalu), tada je smjer struje suprotan smjeru kretanja nabijenih čestica.

Brzina pomaka elektrona

Brzina zanošenja usmjerenog kretanja čestica u vodičima uzrokovana vanjskim poljem ovisi o materijalu vodiča, masi i naboju čestica, temperaturi okoline, primijenjenoj razlici potencijala i mnogo je manja od brzine svjetlosti. Za 1 sekundu, elektroni u vodiču se pomiču zbog uređenog kretanja za manje od 0,1 mm. Unatoč tome, brzina širenja same električne struje jednaka je brzini svjetlosti (brzina širenja fronta elektromagnetskog vala). To jest, mjesto na kojem elektroni mijenjaju brzinu kretanja nakon promjene napona kreće se brzinom širenja elektromagnetskih oscilacija.

Snaga i gustoća struje

Električna struja ima kvantitativne karakteristike: skalarnu - jakost struje i vektorsku - gustoću struje.

Struja jačine a je fizička veličina jednaka omjeru količine naboja

Prošlo je neko vreme

poprečnog presjeka vodiča, do vrijednosti ovog vremenskog intervala.

Snaga struje u SI mjeri se u amperima (međunarodna i ruska oznaka: A).

Ohmov zakon

u dijelu kruga izravno je proporcionalan električnom naponu

Primjenjuje se na ovaj dio kola i obrnuto je proporcionalan njegovom otporu

Ako električna struja nije konstantna u dijelu kruga, tada se napon i jakost struje stalno mijenjaju, dok su za običnu izmjeničnu struju prosječne vrijednosti napona i struje nule. Međutim, prosječna snaga topline koja se oslobađa u ovom slučaju nije jednaka nuli.

Stoga se koriste sljedeći pojmovi:

• trenutni napon i struja, odnosno djeluju u određenom trenutku.
• vršni napon i struja, odnosno maksimalne apsolutne vrijednosti
• efektivni (efektivni) napon i struja određeni su toplinskim učinkom struje, odnosno imaju iste vrijednosti koje imaju za istosmjernu struju sa istim toplinskim učinkom.

Gustoća struje- vektor čija je apsolutna vrijednost jednaka omjeru struje koja teče kroz određeni dio vodiča, okomito na smjer struje, na područje ovog presjeka, a smjer vektora se podudara sa smjerom kretanja pozitivnih naboja koji tvore struju.

Prema Ohmovom zakonu u diferencijalnom obliku, gustoća struje u mediju

proporcionalno jačini električnog polja

i provodljivost medija

Snaga

U prisutnosti struje u vodiču radi se protiv sila otpora. Električni otpor bilo kojeg vodiča sastoji se od dvije komponente:

• aktivna otpornost - otpornost na stvaranje topline;
• reaktancija - otpor uzrokovan prijenosom energije u električno ili magnetsko polje (i obrnuto).

Obično se većina rada električne struje stvara kao toplina. Snaga gubitka topline je vrijednost jednaka količini topline koja se oslobađa po jedinici vremena. Prema Joule-Lenz-ovom zakonu, snaga gubitaka topline u vodiču proporcionalna je jačini protočne struje i primijenjenom naponu:

Snaga se mjeri u vatima.

U kontinuiranom mediju, volumetrijski gubici snage

je određen skalarnim proizvodom vektora gustoće struje

i vektor jakosti električnog polja

na ovom mjestu:

Volumetrijska snaga mjeri se u vatima po kubnom metru.

Otpor zračenju uzrokovan je stvaranjem elektromagnetskih valova oko vodiča. Ovaj otpor složeno ovisi o obliku i veličini vodiča, o duljini emitiranog vala. Za jedan pravolinijski vodič u kojem je svugdje struja istog smjera i jačine i čija je duljina L mnogo manja od duljine elektromagnetskog vala koji emitira

Ovisnost otpora o valnoj duljini i vodiču relativno je jednostavna:

Najčešće korištena električna struja sa standardnom frekvencijom od 50 "Hz" "odgovara valnoj dužini od oko 6 hiljada kilometara, zbog čega je snaga zračenja obično zanemariva u odnosu na snagu gubitaka topline. Međutim, s povećanjem frekvencije struje, dužina emitiranog vala se smanjuje, a snaga zračenja se u skladu s tim povećava. Provodnik sposoban emitirati vidljivu energiju naziva se antena.

Frekvencija

Učestalost se odnosi na izmjeničnu struju koja povremeno mijenja snagu i / ili smjer. Ovo također uključuje najčešće korištenu sinusoidnu struju.

Period izmjenične struje je najmanji vremenski interval (izražen u sekundama) nakon kojeg se ponavljaju promjene struje (i napona). Broj perioda koje struja izvodi u jedinici vremena naziva se frekvencija. Učestalost se mjeri u hercima, jedan herc (Hz) odgovara jednom ciklusu u sekundi.

Struja pristranosti

Ponekad se radi praktičnosti uvodi koncept struje pomaka. U Maxwellovim jednadžbama struja pomaka prisutna je ravnopravno sa strujom uzrokovanom kretanjem naboja. Intenzitet magnetskog polja zavisi od ukupne električne struje, jednak zbroju provodne struje i struje pomaka. Po definiciji, gustoća struje pristranosti

Vektorska veličina proporcionalna brzini promjene električnog polja

na vrijeme:

Činjenica je da se pri promjeni električnog polja, kao i pri protoku struje, stvara magnetsko polje, što ova dva procesa čini sličnima. Osim toga, promjenu električnog polja obično prati prijenos energije. Na primjer, pri punjenju i pražnjenju kondenzatora, unatoč činjenici da nema gibanja nabijenih čestica između njegovih ploča, oni govore o struji pomaka koja teče kroz nju, nosi određenu energiju i zatvara električni krug na neobičan način. Struja pristranosti

u kondenzatoru određuje se formulom:

Naboj na pločama kondenzatora,

Električni napon između ploča,

Električni kapacitet kondenzatora.

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

Osnovne vrste vodiča

Za razliku od dielektrika, vodiči imaju slobodne nosioce nekompenziranih naboja, koji se pod djelovanjem sile, u pravilu, zbog razlike u električnim potencijalima, pokreću i stvaraju električnu struju. Volt-amperska karakteristika (ovisnost jakosti struje o naponu) najvažnija je karakteristika vodiča. Za metalne vodiče i elektrolite ima najjednostavniji oblik: jakost struje je direktno proporcionalna naponu (Ohmov zakon).

Metali - ovdje su nositelji struje elektroni provodljivosti, koji se obično smatraju elektronskim plinom, jasno pokazujući kvantna svojstva degeneriranog plina.

Plazma je jonizirani plin. Električni naboj prenose ioni (pozitivni i negativni) i slobodni elektroni koji nastaju pod djelovanjem zračenja (ultraljubičastog, rendgenskog i drugih) i (ili) zagrijavanja.

Elektroliti su tekuće ili čvrste tvari i sustavi u kojima su ioni prisutni u bilo kojoj vidljivoj koncentraciji, što uzrokuje prolaz električne struje. Ioni nastaju tijekom elektrolitičke disocijacije. Kada se zagrije, otpor elektrolita opada zbog povećanja broja molekula razloženih na ione. Kao rezultat prolaska struje kroz elektrolit, ioni se približavaju elektrodama i neutraliziraju se taložeći se na njima. Faradayevi zakoni elektrolize određuju masu tvari koja se oslobađa na elektrodama.

Postoji i električna struja elektrona u vakuumu, koja se koristi u katodnim uređajima.

Električne struje u prirodi

Atmosferska struja je električna energija koja se nalazi u zraku. Benjamin Franklin je po prvi put pokazao prisutnost električne energije u zraku i objasnio uzrok grmljavine i munje.

Kasnije je otkriveno da se električna energija nakuplja pri zgušnjavanju para u gornjim slojevima atmosfere, a sljedeći zakoni ukazuju da atmosferska struja slijedi:

• s vedrim nebom, kao i s oblačnim, elektricitet atmosfere je uvijek pozitivan, ako na određenoj udaljenosti od mjesta posmatranja nema kiše, grada ili snijega;
• napon električne energije oblaka postaje dovoljno jak da ga oslobodi iz okoline tek kada se para oblaka kondenzira u kapi kiše, što se može dokazati činjenicom da na mjestu posmatranja nema pražnjenja munje bez kiše, snijega ili grada , isključujući povratni udar groma;
• atmosferska struja raste s povećanjem vlažnosti i dostiže maksimum kada pada kiša, grad i snijeg;
• mjesto gdje pada kiša je rezervoar pozitivne struje, okružen pojasom negativa, koji je pak zatvoren u pojas pozitiva. Na granicama ovih pojaseva napon je nula.

Kretanje iona pod utjecajem sila električnog polja stvara okomitu provodnu struju u atmosferi prosječne gustoće od (2 ÷ 3) · 10 −12 A / m².

Ukupna struja koja teče cijelom površinom Zemlje iznosi približno 1800 A.

Munja je prirodno električno iskrenje. Utvrđena je električna priroda polarne svjetlosti. Svjetla St. Elma prirodno su koronsko električno pražnjenje.

Biostruje - kretanje iona i elektrona igra vrlo značajnu ulogu u svim životnim procesima. Biopotencijal stvoren u ovom slučaju postoji i na unutarstaničnom nivou i u pojedinim dijelovima tijela i organa. Prijenos živčanih impulsa odvija se pomoću elektrokemijskih signala. Neke životinje (električni zraci, električna jegulja) mogu akumulirati potencijal od nekoliko stotina volti i koristiti ih za samoodbranu.

Aplikacija

Prilikom proučavanja električne struje otkrivena su mnoga njezina svojstva koja su joj omogućila da pronađe praktičnu primjenu u različitim područjima ljudske djelatnosti, pa čak i da stvori nova područja koja bi bila nemoguća bez postojanja električne struje. Nakon što je pronađena praktična primjena električne struje, te iz razloga što se električna struja može dobiti na različite načine, u industrijskoj sferi nastao je novi koncept - električna energija.

Električna struja se koristi kao nosilac signala različite složenosti i vrste u različitim područjima (telefon, radio, kontrolna ploča, dugme za zaključavanje vrata itd.).

U nekim slučajevima dolazi do neželjenih električnih struja, poput lutajućih struja ili struja kratkog spoja.

Korištenje električne struje kao nosioca energije

• dobivanje mehaničke energije u svim vrstama elektromotora,
• dobijanje toplinske energije u uređajima za grijanje, električnim pećima, pri električnom zavarivanju,
• dobijanje svjetlosne energije u rasvjetnim i signalnim uređajima,
• pobuđivanje elektromagnetnih oscilacija visokih frekvencija, ultra visokih frekvencija i radio talasa,
• dobijanje zvuka,
• dobivanje različitih tvari elektrolizom, punjenje električnih baterija. Ovdje se elektromagnetska energija pretvara u kemijsku,
• stvaranje magnetskog polja (u elektromagnetima).

Upotreba električne struje u medicini

• dijagnostika - biostruje zdravih i oboljelih organa su različite, dok je moguće utvrditi bolest, njene uzroke i propisati liječenje. Grana fiziologije koja proučava električne pojave u tijelu naziva se elektrofiziologija.
  • Elektroencefalografija je metoda za proučavanje funkcionalnog stanja mozga.
  • Elektrokardiografija je tehnika snimanja i proučavanja električnih polja tokom rada srca.
  • Elektrogastrografija je metoda za proučavanje motoričke aktivnosti želuca.
  • Elektromiografija je metoda za proučavanje bioelektričnih potencijala koji nastaju u skeletnim mišićima.
• Liječenje i oživljavanje: električna stimulacija određenih područja mozga; liječenje Parkinsonove bolesti i epilepsije, također radi elektroforeze. Pejsmejker koji stimulira srčani mišić impulsnom strujom koristi se za bradikardiju i druge srčane aritmije.

električna sigurnost

Uključuje pravne, društveno-ekonomske, organizacione i tehničke, sanitarne i higijenske, terapijske i profilaktičke, rehabilitacione i druge mjere. Pravila o električnoj sigurnosti uređena su pravnim i tehničkim dokumentima, regulatornom i tehničkom osnovom. Poznavanje osnova električne sigurnosti obavezno je za osoblje koje opslužuje električne instalacije i električnu opremu. Ljudsko tijelo je vodič električne struje. Ljudska otpornost sa suhom i netaknutom kožom kreće se od 3 do 100 kOhm.

Struja koja prolazi kroz ljudski ili životinjski organizam proizvodi sljedeće radnje:

• termički (opekotine, zagrijavanje i oštećenje krvnih žila);
• elektrolitički (razgradnja krvi, kršenje fizičko -hemijskog sastava);
• biološki (iritacija i uzbuđenje tjelesnih tkiva, konvulzije)
• mehanički (pucanje krvnih žila pod utjecajem pritiska pare dobivenog zagrijavanjem s protokom krvi)

Glavni faktor koji određuje ishod električnog udara je količina struje koja prolazi kroz ljudsko tijelo. Iz sigurnosnih razloga električna struja je klasificirana na sljedeći način:

• "sigurna" "je struja čiji dugotrajni prolaz kroz ljudsko tijelo ne šteti i ne izaziva nikakve senzacije, njena vrijednost ne prelazi 50 μA (izmjenična struja 50 Hz) i 100 μA istosmjerne struje;
• "" Minimalno osjetljiva "" ljudska izmjenična struja je oko 0,6-1,5 mA (AC 50 Hz) i 5-7 mA DC;
• prag "" koji se ne oslobađa "" naziva se minimalna struja takve sile pri kojoj osoba više ne može naporom volje otrgnuti ruke od živog dijela. Za izmjeničnu struju to je oko 10-15 mA, za istosmjernu struju je 50-80 mA;
• "Prag fibrilacije" "odnosi se na izmjeničnu struju (50 Hz) od oko 100 mA i 300 mA DC, za koju je vjerojatnije da će uzrokovati fibrilaciju srčanih mišića duže od 0,5 s. Ovaj prag se istovremeno smatra uvjetno fatalnim za ljude.

U Rusiji, u skladu s Pravilima za tehnički rad električnih instalacija potrošača (Nalog Ministarstva energetike Ruske Federacije od 13.01.2003. Br. 6 "O odobrenju Pravila za tehnički rad električnih instalacija potrošača" ") i Pravilima o zaštiti rada za vrijeme rada električnih instalacija (Nalog Ministarstva energetike Ruske Federacije od 27.12.2000. N 163" O odobrenju Međuindustrijskih pravila o zaštiti rada (sigurnosna pravila) za vrijeme rada električnih instalacija) instalacije "), uspostavljeno je 5 kvalifikacijskih grupa za električnu sigurnost, ovisno o kvalifikacijama i radnom stažu zaposlenika i naponu električnih instalacija.

Napomene (uredi)

• Baumgart K.K., Električna struja.
• A.S. Kasatkin. Elektrotehnika.
• JUG. Sindeev. Elektrotehnika sa elektronskim elementima.

Električna struja može se predstaviti kao usmjereno kretanje nabijenih čestica, koje se tradicionalno uzimaju kao nosioci negativnog naboja ili elektrona. Ova tvrdnja vrijedi za čvrste vodiče, gdje se konstantno prisustvo slobodnih nabijenih čestica smatra normom. Za tekuće i plinovite medije takvi su nositelji pozitivno nabijeni ioni preko kojih se vrši prijenos tvari.

Fizički entitet

Da biste jasno razumjeli kako struja teče, prvo se morate upoznati s osnovnim fizičkim fenomenima koji dovode do stvaranja uređenog toka. Prema molekularno-atomističkoj teoriji, sva prirodna tijela (bez obzira na agregatno stanje) sastoje se od molekula i atoma koji uključuju negativno nabijene elektrone.

Da bi se razjasnili principi formiranja toka nabijenih čestica, najprikladnije je predstaviti sastav fizičkih tijela na sljedeći način:

• Atomi koji čine molekule konvencionalno su predstavljeni u obliku jezgre u središtu i elektrona koji se okreću oko nje brzinom svjetlosti;
• Zbog različitog polariteta ove dvije komponente, njihova kombinacija u normalnim uvjetima ima nulti naboj;

Dodatne informacije. U atomima bilo kojeg kemijskog elementa, broj elektrona koji se okreću po orbitama jednak je ukupnom naboju jezgre, što osigurava njihovu električnu neutralnost.

• U atomima nekih tvari na vanjskim ljuskama postoji veliki broj elektrona, koji su, osim toga, atomskim standardima uklonjeni iz jezgre na značajne udaljenosti;
• U nekim trenucima, neki od njih se izbace iz svojih orbita i počnu slobodno "lutati" između atoma, privučeni susjednim jezgrama ili se odbijaju od svojih elektrona.

Kao rezultat ovih procesa, u metalnim predmetima pojavljuju se slobodni naboji, koji se, kada se primijene električni potencijali (napon) suprotnog predznaka, počinju kretati uredno.

Usmjereno kretanje slobodnih nosača naboja u čvrstim tijelima (vodičima) naziva se električna struja.

U tvarima s niskim sadržajem slobodnih elektrona, ovo kretanje je ili potpuno nemoguće (dielektrik), ili je ograničeno na malu vrijednost. Takvi materijali nedovoljno zasićeni nosačima električne energije nazivaju se poluvodiči.

Vrste struja

Tokovi elektrona prisutni u provodnim materijalima mogu se stalno kretati u jednom smjeru ili stalno mijenjati smjer. U prvom slučaju stvaraju izmjenične struje, a u drugom istosmjerne struje.

Promjenjivi fluksi nastaju pod utjecajem napona različitih veličina i predznaka koji se primjenjuju na krajeve vodiča, a razlika potencijala istog polariteta koristi se za dobivanje signala konstantne struje.

Bilješka! Promjenjive struje teku kroz ožičenje bilo kojeg stana, a primjer druge vrste je jednosmjerno kretanje elektrona u akumulatorima ili baterijama.

Istorijski gledano, u krugu konstantnog protoka, njegov smjer se smatra kretanjem od "plusa" napajanja do njegovog "minusa". Iako se u stvarnosti nositelji negativnog naboja kreću u suprotnom smjeru (od "minus" do "plus"). Ali prethodno prihvaćeni uvjetni smjer toliko se ukorijenio u svijesti ljudi da je ostao nepromijenjen, smatrajući vrijednost ovog parametra apsolutno uvjetnom.

Da biste razumjeli gdje teku izmjenične struje, trebali biste krenuti izravno iz njihove definicije. U ovoj situaciji, pod utjecajem izmjeničnog potencijala (napona), mijenjaju smjer s određenom frekvencijom.

Bitan! U ruskim domaćinstvima izmjenični napon ima frekvenciju od 50 Herca. S odgovarajućom frekvencijom, struja koja teče kroz ožičenje također mijenja svoj smjer.

U stranim električnim mrežama (posebno u SAD -u i Japanu) ova frekvencija je 60 Herca, što donekle povećava efikasnost uz istovremeno povećanje gubitaka u dovodnim vodovima.

Dvosmjerno kretanje naboja

U većini metala, istodobno s protokom elektrona, primjećuje se suprotno kretanje čestica suprotnih znakova, nastalih od pozitivno nabijenih atoma. Njihovo kretanje poklapa se s povijesno utvrđenom definicijom (od "plus" do "minus"), tako da se, po želji, kretanje ovih sastavnih dijelova materije može uzeti kao pravi smjer.

Dodajmo rečenom da se atomske čestice različitih naboja (već spomenuti ioni i elektroni) u tekućinama i plinovima također kreću u suprotnim smjerovima. Ova metoda formiranja toka čestica u lancu naziva se elektroliza, koja se široko koristi u različitim industrijama.

U zaključku primjećujemo da je, za razliku od teorijskog gledišta, u praksi konvencionalno odabran smjer kretanja elektrona u određenom električnom krugu od temeljne važnosti. Bilo koji lanac radioelemenata koji je u njega uključen inicijalno se izračunava za određeni polaritet napajanog napona, a samim tim i za dati smjer generiranog strujnog signala.

Video