Elektromosság

Mi az elektromos áram

Elektromosság – elektromosan töltött részecskék irányított mozgása ütközés alatt elektromos mező... Ilyen részecskék lehetnek: vezetőben - elektronok, elektrolitokban - ionok (kationok és anionok), félvezetőkben - elektronok és úgynevezett "lyukak" ("elektronlyukak vezetőképessége"). Van egy "előfeszítő áram" is, amelynek áramlása a kapacitás töltési folyamatának köszönhető, vagyis a lemezek közötti potenciálkülönbség változásából. A lemezek között nem történik részecskemozgás, de áram folyik át a kondenzátoron.

Az elektromos áramkörök elméletében az áramot a töltéshordozók irányított mozgásának tekintik egy vezető közegben, elektromos tér hatására.

A vezetési áram (éppen áram) az elektromos áramkörök elméletében a huzal keresztmetszetén egységnyi idő alatt átfolyó villamos energia mennyisége: i = q /T, ahol i - áram. A; q = 1,6·109 — elektrontöltés, С; t — idő, s.

Ez a kifejezés egyenáramú áramkörökre érvényes. A váltakozó áramú áramkörökhöz az ún A pillanatnyi áramérték, amely megegyezik a töltés időbeli változásának sebességével: i (t) = dq /dt.

A vizsgált típusú elektromos áram hosszú távú létezésének első feltétele egy olyan forrás vagy generátor jelenléte, amely fenntartja a töltéshordozók közötti potenciálkülönbséget. A második feltétel az útlezárás. Különösen az egyenáram létezéséhez zárt útra van szükség, amelyen keresztül a töltések értékük megváltoztatása nélkül mozoghatnak az áramkörben.

Mint tudják, az elektromos töltések megmaradásának törvénye értelmében nem keletkezhetnek vagy semmisíthetők meg. Ezért ha egy olyan tértérfogatot, ahol elektromos áram folyik, zárt felület vesz körül, akkor az ebben a térfogatban folyó áramnak meg kell egyeznie a belőle kifolyó árammal.

Erről bővebben: Az elektromos áram létezésének feltételei

Azt a zárt utat, amelyen elektromos áram folyik, elektromos áramkörnek vagy elektromos áramkörnek nevezzük. Elektromos áramkör – két részre oszlik: a belső részre, amelyben az elektromosan töltött részecskék az elektrosztatikus erők irányával ellentétes irányban mozognak, és a külső részre, amelyben ezek a részecskék az elektrosztatikus erők irányába mozognak. Az elektródák azon végeit, amelyekhez a külső áramkör csatlakozik, bilincseknek nevezzük.

Tehát elektromos áram akkor keletkezik, amikor elektromos mező jelenik meg egy elektromos áramkör szakaszán, vagy potenciálkülönbség a vezeték két pontja között. Potenciális különbség két pont között elektromos áramkör feszültségnek vagy feszültségesésnek nevezzük az áramkör azon szakaszában.

Az "áram" ("aktuális mennyiség") kifejezés helyett gyakran az "áramerősség" kifejezést használják.Ez utóbbi azonban nem nevezhető sikeresnek, mivel az áramerősség nem bármilyen erő a szó szó szoros értelmében, hanem csak az elektromos töltések mozgásának intenzitása a vezetőben, az egységnyi idő alatt áthaladó elektromosság mennyisége a keresztben. a vezető keresztmetszete.
Az áramot jellemzik áramerősség, amelyet az SI rendszerben amperben (A) mérnek, és az áramsűrűséget, amelyet az SI rendszerben amper per négyzetméterben mérnek.

Egy amper az egy coulomb (C) elektromos töltés egy másodperc (s) alatti elmozdulásának felel meg a huzal keresztmetszetén:

1A = 1C/s.

Általános esetben az áramot i betűvel és a q töltéssel jelölve a következőt kapjuk:

i = dq / dt.

Az áram mértékegységét ampernek (A) nevezzük.

Amper (A) – az egyenáram erőssége, amely két párhuzamos, végtelen hosszúságú és elhanyagolható keresztmetszetű, vákuumban egymástól 1 m távolságra lévő egyenes vezetéken áthaladva 2,10 -7 H minden méter hosszúságra.

A vezetékben lévő áram 1 A, ha 1 coulombnak megfelelő elektromos töltés 1 s alatt halad át a vezeték keresztmetszetén.

Rizs. 1. Elektronok irányított mozgása egy vezetőben

Ha feszültség hat a vezetékre, akkor a vezeték belsejében elektromos mező keletkezik. E térerősség mellett az e töltésű elektronokra f = Ee erő hat. Az e és E mennyiségek vektormennyiségek. A szabad út során az elektronok irányított és kaotikus mozgást kapnak. Minden elektron negatív töltésű, és az E vektorral ellentétes sebességkomponenst kapja (1. ábra). A rendezett mozgás, amelyet az elektronok egy bizonyos átlagos sebessége vcp jellemez, meghatározza az elektromos áram áramlását.

Az elektronok irányított mozgása lehet ritka gázokban. Az elektrolitokban és az ionizált gázokban az áram elsősorban az ionok mozgásának köszönhető. Összhangban azzal a ténnyel, hogy a pozitív töltésű ionok a pozitív pólusról a negatív pólusra mozognak az elektrolitokban, történelmileg az áram irányát az elektronáramlás irányával ellentétesnek feltételezték.

Az áram irányát tekintjük a pozitív töltésű részecskék mozgási irányának, azaz. az elektron mozgásával ellentétes irányba.
Az elektromos áramkörök elméletében a passzív áramkörben (az energiaforrásokon kívül) áramló áram irányát tekintjük a pozitív töltésű részecskék mozgási irányának a magasabb potenciálról az alacsonyabbra. Ezt az irányt az elektrotechnika fejlődésének legelején vették, és ellentmond a töltéshordozók valódi mozgási irányának - a vezetőképes közegben mínuszból pluszba mozgó elektronok.

Az elektromos áram iránya az elektrolitban és a szabad elektronok a vezetőben

Az áram és az S keresztmetszeti terület arányával egyenlő mennyiséget áramsűrűségnek nevezzük: I / S

Ebben az esetben feltételezzük, hogy az áram egyenletesen oszlik el a vezeték keresztmetszetén. A vezetékek áramsűrűségét általában A / mm2-ben mérik.

Az elektromos töltések hordozóinak típusa és mozgásuk közege szerint vezetőáramokra és eltolási áramokra osztják... A vezetőképességet elektronikus és ionosra osztják. Az álló üzemmódok esetében kétféle áramot különböztetnek meg: közvetlen és váltakozó.

Az áramütés átvitelének nevezzük azt a jelenséget, amikor a szabad térben mozgó töltött részecskék vagy testek elektromos töltései átadódnak.Az elektromos áramátvitel fő típusa az elemi töltött részecskék üregében történő mozgása (szabad elektronok mozgása az elektroncsövekben), a szabad ionok mozgása a gázkisülési eszközökben.

Az elmozduló áramot (polarizációs áramot) a kapcsolódó elektromos töltéshordozók rendezett mozgásának nevezik. Ez az áramtípus a dielektrikumokban figyelhető meg.

Teljes elektromos áram – skaláris érték, amely megegyezik az elektromos vezetési áram, az elektromos átviteli áram és a vizsgált felületen áthaladó elektromos elmozdulási áram összegével.

Állandónak nevezzük azt az áramot, amelynek nagysága változhat, de nem változtatja az előjelét tetszőlegesen hosszú ideig. Bővebben itt olvashat róla: DC

Mágnesező áram — állandó mikroszkopikus (amper) áram, amely az oka a mágnesezett anyagok belső mágneses mezőjének.

Áramnak nevezett változók, amelyek periodikusan változnak mind a nagyságrendben, mind az előjelben. A váltóáramot jellemző mennyiség a frekvencia (az SI rendszerben hertzben mérjük), abban az esetben, ha az erőssége periodikusan változik.

A huzal felületén nagyfrekvenciás váltóáramot tolnak el. A nagyfrekvenciás áramokat a gépészetben az alkatrészek felületeinek hőkezelésére és hegesztésére, a kohászatban fémek olvasztására használják. A váltakozó áramokat szinuszosra és nem szinuszosra osztják… A szinuszos áram olyan áram, amely egy harmonikus törvény szerint változik:

i = sin wt,

hol vagyok, - csúcs (legmagasabb) áramérték, Ah,

A váltakozó áram változási sebességét az jellemzi frekvencia, az egységnyi idő alatt bekövetkező teljes ismétlődő rezgések száma.A frekvenciát f betűvel jelöljük, és hertzben (Hz) mérjük. Tehát egy 50 Hz-es hálózati áramfrekvencia másodpercenként 50 teljes oszcillációnak felel meg. A w szögfrekvencia az áram változásának sebessége radián per másodpercben, és a frekvenciához egy egyszerű összefüggéssel kapcsolódik:

w = 2pi f

Az egyenáramok és a váltakozó áramok stacioner (fix) értékei I nagybetűvel nem stacionárius (pillanatnyi) értékeket jelentenek - i betűvel. Általában az áram pozitív iránya a pozitív töltések mozgási iránya.

Váltakozó áram Ez egy olyan áram, amely idővel a szinuszos törvény szerint változik.

A váltakozó áram a hagyományos egyfázisú és háromfázisú hálózatok áramát is jelenti. Ebben az esetben a váltakozó áram paraméterei a harmonikus törvény szerint változnak.

Mivel az AC áram idővel változik, az egyenáramú áramkörökhöz megfelelő egyszerű megoldások itt nem alkalmazhatók közvetlenül. Nagyon magas frekvenciákon a töltések oszcillálhatnak – áramolhatnak az áramkör egyik helyéről a másikra, majd vissza. Ebben az esetben, az egyenáramú áramköröktől eltérően, a sorosan kapcsolt vezetékekben az áramok egyenlőtlenek lehetnek.

A váltakozó áramú áramkörökben jelenlévő kapacitások fokozzák ezt a hatást. Ezen túlmenően az áram változásakor önindukciós hatások érezhetők, amelyek nagy induktivitású tekercsek alkalmazása esetén még alacsony frekvenciákon is jelentőssé válnak.

Viszonylag alacsony frekvenciákon a váltakozó áramú áramkör még kiszámítható Kirchhoff szabályaiamelyet azonban ennek megfelelően módosítani kell.

A különféle ellenállásokat, induktorokat és kondenzátorokat tartalmazó áramkört sorba kapcsolt általánosított ellenállásnak, kondenzátornak és induktornak tekinthetjük.

Tekintsük egy ilyen, szinuszos váltóáramú generátorhoz csatlakoztatott áramkör tulajdonságait. A váltakozó áramkörök kiszámítására vonatkozó szabályok megfogalmazásához meg kell találnia a feszültségesés és az áram közötti összefüggést egy ilyen áramkör egyes összetevőinél.

Kondenzátor teljesen más szerepet játszik az AC és DC áramkörökben. Ha például egy elektrokémiai cellát csatlakoztatunk az áramkörhöz, akkor a kondenzátor töltődni kezdamíg a benne lévő feszültség egyenlővé nem válik az elem emf-jével. Ezután a töltés leáll, és az áramerősség nullára csökken.

Ha az áramkör egy generátorhoz van csatlakoztatva, akkor az egyik félciklusban az elektronok a kondenzátor bal oldali lemezéről áramlanak, és a jobb oldalon halmozódnak fel, a másikban pedig fordítva.

Ezek a mozgó elektronok váltakozó áramot alkotnak, amelynek erőssége a kondenzátor mindkét oldalán egyenlő. Amíg az AC frekvencia nem túl magas, az ellenálláson és az induktoron áthaladó áram is azonos.

A váltakozó áramot fogyasztó készülékekben a váltakozó áramot gyakran egyenirányítják egyenirányítók egyenáram beszerzésére.

Vezetők elektromos áramhoz

Az elektromos áram minden formája kinetikus jelenség, hasonlóan a zárt hidraulikus rendszerekben folyó folyadékáramláshoz. Analógia alapján az árammozgás folyamatát "áramlásnak" (áramáramlásoknak) nevezik.

Az anyagot, amelyben az áram folyik, ún karmester… Egyes anyagok alacsony hőmérsékleten szupravezetővé válnak. Ebben az állapotban szinte semmilyen ellenállást nem mutatnak az árammal szemben, ellenállásuk nullára hajlik.

Minden más esetben a vezető ellenáll az áram áramlásának, és ennek eredményeként az elektromos részecskék energiájának egy része hővé alakul.Az áramerősség kiszámítható Ohm törvénye az áramkör keresztmetszetére és az Ohm-törvényre a teljes áramkörre.

A részecskék huzalokban való mozgási sebessége függ a huzal anyagától, a részecske tömegétől és töltésétől, a környezet hőmérsékletétől, az alkalmazott potenciálkülönbségtől és jóval kisebb, mint a fénysebesség. Maga az elektromos áram terjedési sebessége azonban megegyezik a fény sebességével egy adott közegben, vagyis az elektromágneses hullám frontjának terjedési sebességével.

Hogyan hat az elektromosság az emberi testre

Az emberi vagy állati testen áthaladó áram elektromos égési sérüléseket, fibrillációt vagy halált okozhat. Másrészt az elektromos áramot az intenzív osztályon, a mentális betegségek, különösen a depresszió kezelésére használják, az agy bizonyos területeinek elektromos stimulációját olyan betegségek kezelésére használják, mint a Parkinson-kór és az epilepszia, a szívizomot pulzáló pacemaker. áramot használnak bradycardiára. Embereknél és állatoknál az áramot idegimpulzusok továbbítására használják.

Biztonsági okokból a minimális vételi áram egy személy számára 1 mA. Az áram körülbelül 0,01 A erősségtől válik veszélyessé az ember életére. Az áram körülbelül 0,1 A erősségtől válik halálossá az ember számára. A 42 V-nál kisebb feszültség biztonságosnak tekinthető.