Smjer toka struje. Kako struja teče

Električna struja je uređeno kretanje nabijenih čestica. U čvrstim tijelima to je kretanje elektrona (negativno nabijenih čestica), a u tekućim i plinovitim tijelima to je kretanje jona (pozitivno nabijene čestice). Štoviše, struja može biti konstantna ili naizmjenična, a oni imaju potpuno različita kretanja električnih naboja. Da biste dobro razumjeli i savladali temu kretanja struje u provodnicima, možda prvo trebate detaljnije razumjeti osnove elektrofizike. Ovdje ću početi.

Dakle, kako uopće teče električna struja? Poznato je da se supstance sastoje od atoma. To su elementarne čestice materije. Struktura atoma podseća na naš solarni sistem, gde se jezgro atoma nalazi u centru. Sastoji se od protona (pozitivnih električnih čestica) i neutrona (električno neutralnih čestica) čvrsto stisnutih zajedno. Oko ovog jezgra, elektroni (manje čestice s negativnim nabojem) rotiraju u svojim orbitama ogromnom brzinom. Različite tvari imaju različit broj elektrona i orbite u kojima rotiraju. Atomi čvrstih materija imaju ono što se zove kristalna rešetka. Ovo je struktura tvari u kojoj su atomi raspoređeni jedan u odnosu na drugi određenim redoslijedom.

Gdje ovdje može nastati električna struja? Ispostavilo se da se u nekim supstancama (provodnicima struje) elektroni koji su najudaljeniji od njihovog jezgra mogu odvojiti od atoma i premjestiti se na susjedni atom. Ovo kretanje elektrona naziva se slobodnim. Elektroni se jednostavno kreću unutar supstance od jednog atoma do drugog. Ali ako se vanjsko elektromagnetno polje spoji na ovu tvar (električni vodič), stvarajući tako električni krug, tada će se svi slobodni elektroni početi kretati u jednom smjeru. To je upravo kretanje električne struje unutar provodnika.

Sada shvatimo šta su istosmjerna i naizmjenična struja. Dakle, jednosmjerna struja se uvijek kreće samo u jednom smjeru. Kao što je rečeno na samom početku, elektroni se kreću u čvrstim, a joni u tečnim i gasovitim telima. Elektroni su negativno nabijene čestice. Posljedično, u čvrstim tijelima električna struja teče od minusa do plusa izvora energije (elektroni se kreću duž električnog kola). U tekućinama i plinovima struja se kreće u dva smjera odjednom, odnosno, istovremeno, elektroni teku u plus, a ioni (pojedinačni atomi koji nisu međusobno povezani kristalnom rešetkom, svaki su za sebe) teku u minus izvor napajanja.

Naučnici su zvanično prihvatili da se kretanje dešava od plusa do minusa (suprotno od onoga što se dešava u stvarnosti). Dakle, sa naučne tačke gledišta ispravno je reći da se električna struja kreće od plusa do minusa, ali sa stvarne tačke gledišta (elektrofizičke prirode) ispravnije je verovati da struja teče od minusa do plusa (u čvrste materije). Ovo je vjerovatno urađeno radi neke pogodnosti.

Sada, što se tiče naizmjenične električne struje. Ovdje je sve malo komplikovanije. Ako u slučaju istosmjerne struje kretanje nabijenih čestica ima samo jedan smjer (fizički, elektroni sa predznakom minus teku u plus), tada se kod naizmjenične struje smjer kretanja povremeno mijenja u suprotan. Vjerovatno ste čuli da obična gradska električna mreža ima naizmjenični napon od 220 volti i standardnu frekvenciju od 50 herca. Dakle, ovih 50 herca pokazuje da u jednoj sekundi električna struja uspijeva proći kroz cijeli ciklus sinusoidnog oblika 50 puta. Zapravo, u jednoj sekundi smjer struje se mijenja čak 100 puta (promijeni se dva puta u jednom ciklusu).

P.S. Važan je smjer struje u električnim krugovima. U mnogim slučajevima, ako je krug dizajniran za jedan smjer struje, a slučajno ga promijenite u suprotnom smjeru ili spojite naizmjeničnu struju umjesto istosmjerne struje, najvjerojatnije će uređaj jednostavno otkazati. Mnogi poluvodiči koji rade u krugovima mogu se probiti i izgorjeti kada struja teče u suprotnom smjeru. Dakle, kada povezujete električnu energiju, smjer struje morate strogo poštovati.

Punjenje u pokretu. Može biti u obliku iznenadnog pražnjenja statičkog elektriciteta, kao što je munja. Ili bi to mogao biti kontrolirani proces u generatorima, baterijama, solarnim ili gorivnim ćelijama. Danas ćemo se osvrnuti na sam pojam “električne struje” i uslove za postojanje električne struje.

Električna energija

Većina električne energije koju koristimo dolazi u obliku naizmjenične struje iz električne mreže. Stvaraju ga generatori koji rade prema Faradayevom zakonu indukcije, zbog čega promjenjivo magnetsko polje može inducirati električnu struju u vodiču.

Generatori imaju rotirajuće zavojnice žice koje prolaze kroz magnetna polja dok se rotiraju. Kako se kalemovi rotiraju, otvaraju se i zatvaraju u odnosu na magnetsko polje i stvaraju električnu struju koja mijenja smjer sa svakim okretom. Struja prolazi kroz puni ciklus naprijed-nazad 60 puta u sekundi.

Generatori se mogu pokretati parnim turbinama koje se zagrijavaju na ugalj, prirodni plin, naftu ili nuklearni reaktor. Iz generatora struja prolazi kroz niz transformatora, gdje se njen napon povećava. Promjer žica određuje količinu i intenzitet struje koju mogu nositi bez pregrijavanja i gubitka energije, a napon je ograničen samo time koliko su vodovi dobro izolirani od zemlje.

Zanimljivo je napomenuti da struju prenosi samo jedna žica, a ne dvije. Njegove dvije strane su označene kao pozitivna i negativna. Međutim, budući da se polaritet naizmjenične struje mijenja 60 puta u sekundi, oni imaju i druga imena - vrući (glavni vodovi) i uzemljeni (pod zemljom kako bi se sklopio krug).

Zašto je potrebna električna struja?

Postoji mnogo namjena električne struje: može osvijetliti vaš dom, oprati i osušiti odjeću, podići vam garažna vrata, prokuvati vodu u kotliću i omogućiti druge kućne potrepštine koje nam znatno olakšavaju život. Međutim, sposobnost struje da prenosi informacije postaje sve važnija.

Pri povezivanju na Internet računar koristi samo mali dio električne struje, ali to je nešto bez čega savremeni ljudi ne mogu zamisliti svoj život.

Koncept električne struje

Kao tok rijeke, tok molekula vode, električna struja je tok nabijenih čestica. Šta je to što ga uzrokuje i zašto ne ide uvijek u istom smjeru? Kada čujete riječ "teče", na šta pomislite? Možda će to biti rijeka. Ovo je dobra asocijacija jer je zbog toga električna struja dobila ime. Vrlo je sličan protoku vode, ali umjesto da se molekuli vode kreću duž kanala, nabijene čestice se kreću duž provodnika.

Među uslovima neophodnim za postojanje električne struje, postoji tačka koja zahteva prisustvo elektrona. Atomi u provodljivom materijalu imaju mnoge od ovih slobodnih nabijenih čestica koje lebde oko i između atoma. Njihovo kretanje je nasumično, tako da nema protoka u bilo kojem smjeru. Šta je potrebno da bi postojala električna struja?

Uvjeti za postojanje električne struje uključuju prisustvo napona. Kada se nanese na provodnik, svi slobodni elektroni će se kretati u istom smjeru, stvarajući struju.

Zanima me električna struja

Ono što je zanimljivo je da kada se električna energija prenosi kroz provodnik brzinom svjetlosti, sami elektroni se kreću mnogo sporije. U stvari, ako hodate polako pored provodljive žice, vaša brzina bi bila 100 puta veća od elektrona. To je zbog činjenice da ne moraju putovati velike udaljenosti da bi prenosili energiju jedni drugima.

Jednosmjerna i naizmjenična struja

Danas se široko koriste dvije različite vrste struje - jednosmjerna i naizmjenična. U prvom, elektroni se kreću u jednom smjeru, sa “negativne” na “pozitivnu” stranu. Naizmjenična struja gura elektrone naprijed-nazad, mijenjajući smjer toka nekoliko puta u sekundi.

Generatori koji se koriste u elektranama za proizvodnju električne energije dizajnirani su za proizvodnju naizmjenične struje. Vjerovatno nikada niste primijetili da svjetla u vašem domu zapravo trepere jer se smjer struje mijenja, ali to se dešava prebrzo da bi vaše oči mogle primijetiti.

Koji su uslovi za postojanje jednosmerne električne struje? Zašto su nam potrebne obje vrste i koja je bolja? Ovo su dobra pitanja. Činjenica da još uvijek koristimo obje vrste struje sugerira da obje služe određenim svrhama. Još u 19. veku bilo je jasno da je efikasan prenos energije na velike udaljenosti između elektrane i kuće moguć samo pri veoma visokim naponima. Ali problem je bio u tome što je slanje stvarno visokog napona bilo izuzetno opasno za ljude.

Rješenje ovog problema bilo je smanjenje napetosti izvan kuće prije nego što se pošalje unutra. Do danas se jednosmjerna električna struja koristi za prijenos na velike udaljenosti, uglavnom zbog svoje sposobnosti da se lako pretvara u druge napone.

Kako radi električna struja?

Uvjeti za postojanje električne struje uključuju prisustvo nabijenih čestica, provodnika i napona. Mnogi naučnici su proučavali elektricitet i otkrili da postoje dvije vrste elektriciteta: statički i strujni.

To je druga koja igra veliku ulogu u svakodnevnom životu svake osobe, jer predstavlja električnu struju koja prolazi kroz strujni krug. Koristimo ga svakodnevno za napajanje naših domova i još mnogo toga.

Šta je električna struja?

Kada električni naboji kruže u kolu od jednog mjesta do drugog, stvara se električna struja. Uvjeti postojanja električne struje uključuju, pored nabijenih čestica, i prisustvo provodnika. Najčešće je to žica. Njegovo kolo je zatvoreno kolo u kojem struja prolazi iz izvora napajanja. Kada je krug otvoren, on ne može završiti putovanje. Na primjer, kada je svjetlo u vašoj sobi isključeno, strujni krug je otvoren, ali kada je krug zatvoren, svjetlo je uključeno.

Trenutna snaga

Na uslove postojanja električne struje u provodniku u velikoj meri utiču naponske karakteristike kao što je snaga. Ovo je mjera koliko se energije koristi u određenom vremenskom periodu.

Postoji mnogo različitih jedinica koje se mogu koristiti za izražavanje ove karakteristike. Međutim, električna snaga se gotovo mjeri u vatima. Jedan vat je jednak jednom džulu u sekundi.

Električni naboj u pokretu

Koji su uslovi za postojanje električne struje? Može biti u obliku iznenadnog pražnjenja statičkog elektriciteta, kao što je munja ili iskra od trenja o vunenu tkaninu. Međutim, češće, kada govorimo o električnoj struji, govorimo o kontroliranijoj formi električne energije koja čini da svjetla gore i uređaji rade. Većinu električnog naboja nose negativni elektroni i pozitivni protoni unutar atoma. Međutim, potonji su uglavnom imobilizirani unutar atomskih jezgri, tako da posao prijenosa naboja s jednog mjesta na drugo obavljaju elektroni.

Elektroni u provodljivom materijalu kao što je metal uglavnom se slobodno kreću od jednog atoma do drugog duž svojih provodnih traka, koje su najviše orbite elektrona. Dovoljna elektromotorna sila ili napon stvara neravnotežu naboja koja može uzrokovati protok elektrona kroz provodnik u obliku električne struje.

Ako povučemo analogiju s vodom, uzmimo, na primjer, cijev. Kada otvorimo ventil na jednom kraju kako bismo dozvolili da voda teče u cijev, ne moramo čekati da ta voda prođe sve do kraja. Na drugom kraju dobijamo vodu gotovo trenutno jer nadolazeća voda potiskuje vodu koja je već u cijevi. Ovo se dešava kada postoji električna struja u žici.

Električna struja: uslovi za postojanje električne struje

Električna struja se obično smatra protokom elektrona. Kada su dva kraja baterije spojena jedan na drugi pomoću metalne žice, ova nabijena masa prolazi kroz žicu od jednog kraja (elektrode ili pola) baterije na suprotni. Dakle, nazovimo uslove za postojanje električne struje:

Nabijene čestice.
Dirigent.
Izvor napona.

Međutim, nije sve tako jednostavno. Koji su uslovi neophodni za postojanje električne struje? Na ovo pitanje može se detaljnije odgovoriti uzimajući u obzir sljedeće karakteristike:

Razlika potencijala (napon). Ovo je jedan od obaveznih uslova. Mora postojati razlika potencijala između 2 tačke, što znači da odbojna sila koju stvaraju nabijene čestice na jednom mjestu mora biti veća od njihove sile u drugoj tački. Izvori napona, po pravilu, ne postoje u prirodi, a elektroni su prilično ravnomjerno raspoređeni u okolini. Ipak, naučnici su uspjeli izmisliti određene vrste uređaja u kojima se te nabijene čestice mogu akumulirati, stvarajući tako neophodan napon (na primjer, u baterijama).
Električni otpor (provodnik). Ovo je drugi važan uslov koji je neophodan za postojanje električne struje. Ovo je put kojim putuju nabijene čestice. Samo oni materijali koji dozvoljavaju elektronima da se slobodno kreću djeluju kao provodnici. Oni koji nemaju tu sposobnost nazivaju se izolatori. Na primjer, metalna žica će biti odličan provodnik, dok će njen gumeni omotač biti odličan izolator.

Pažljivo proučavajući uslove za nastanak i postojanje električne struje, ljudi su uspjeli ukrotiti ovaj moćni i opasni element i usmjeriti ga za dobrobit čovječanstva.

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

Šta je električna struja u različitim supstancama? Uzmimo, shodno tome, pokretne čestice:

u metalima - elektronima,
u elektrolitima - joni (kationi i anjoni),
u gasovima - jonima i elektronima,
u vakuumu pod određenim uslovima - elektroni,
u poluprovodnicima - rupe (provodljivost elektron-rupa).

Ponekad se električna struja naziva i struja pomaka, koja nastaje kao rezultat promjene električnog polja tijekom vremena.

Električna struja se manifestira na sljedeći način:

zagreva provodnike (fenomen se ne primećuje kod superprovodnika);
mijenja hemijski sastav provodnika (ovaj je fenomen prvenstveno karakterističan za elektrolite);
stvara magnetno polje (manifestira se u svim provodnicima bez izuzetka).

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

Struje se dijele na direktne i naizmjenične. Postoje i sve vrste naizmjenične struje. Prilikom definiranja vrste struje, riječ “električna” se izostavlja.

D.C- struja čiji se smjer i veličina ne mijenjaju tokom vremena. Može postojati pulsirajuća, na primjer ispravljena varijabla, koja je jednosmjerna.
Izmjenična struja- električna struja koja se mijenja tokom vremena. Izmjenična struja se odnosi na bilo koju struju koja nije jednosmjerna.
Periodična struja- električna struja, čije se trenutne vrijednosti ponavljaju u pravilnim intervalima u nepromijenjenom nizu.
Sinusoidna struja- periodična električna struja, koja je sinusna funkcija vremena. Među naizmjeničnim strujama, glavna je struja čija vrijednost varira prema sinusoidnom zakonu. Bilo koja periodična nesinusoidna struja može se predstaviti kao kombinacija sinusoidnih harmonijskih komponenti (harmonika) koji imaju odgovarajuće amplitude, frekvencije i početne faze. 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, nastaje struja koja kontinuirano mijenja smjer: kada se kreće u jednom smjeru, povećava se, dostižući maksimum, koji se naziva amplituda vrijednost, zatim se smanjuje, u nekom trenutku postaje jednaka nuli, zatim ponovo raste, ali u drugom smjeru i također dostiže maksimalnu vrijednost , smanjuje se i zatim ponovo prolazi kroz nulu, nakon čega se ciklus svih promjena nastavlja.
Kvazistacionarna struja- relativno sporo promjenjiva naizmjenična struja, za trenutne vrijednosti čije su zakoni istosmjerne struje zadovoljeni s dovoljnom točnošću. 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 proračuna kvazistacionarnih strujnih kola zbog nastajanja e. d.s. indukcije kapacitivnosti i induktivnosti se uzimaju u obzir kao zbirni parametri. Obične industrijske struje su kvazistacionarne, osim struja u dalekovodima, kod kojih nije zadovoljen uslov kvazistacionarnosti duž vodova.
Struja visoke frekvencije- naizmjenična struja (počevši od frekvencije od približno desetina kHz), za koju postaju značajne takve pojave koje su ili korisne koje određuju njenu upotrebu, ili štetne, protiv koje se preduzimaju potrebne mjere, kao što su zračenje elektromagnetnih valova i efekt kože. Osim toga, ako valna duljina zračenja naizmjenične struje postane usporediva s dimenzijama elemenata električnog kruga, tada se krši kvazistacionarni uvjet, što zahtijeva posebne pristupe proračunu i dizajnu takvih krugova.
Pulsirajuća struja je periodična električna struja čija je prosječna vrijednost tokom određenog perioda različita od nule.
Jednosmjerna struja- Ovo je električna struja koja ne mijenja svoj smjer.

Vrtložne struje

Vrtložne struje (ili Foucaultove struje) su zatvorene električne struje u masivnom vodiču koje nastaju kada se mijenja magnetni tok koji prodire u njega, stoga su vrtložne struje inducirane struje. Što se brže mijenja magnetni tok, to su jače vrtložne struje. Vrtložne struje ne teku duž određenih staza u žicama, ali kada se zatvore 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 provodnika. Zagrijavanje provodnika vrtložnim strujama dovodi do gubitaka energije, posebno u jezgrama namotaja naizmjenične struje. Da bi smanjili gubitke energije zbog vrtložnih struja, koriste se podjelom magnetskih krugova naizmjenične struje 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 struja. Na vrlo visokim frekvencijama, umjesto feromagneta, za magnetna kola se koriste magnetodielektrici, u kojima se, zbog vrlo velikog otpora, praktički ne pojavljuju vrtložne struje.

Karakteristike

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

Brzina drifta elektrona

Brzina pomaka usmjerenog kretanja čestica u vodičima uzrokovana vanjskim poljem ovisi o materijalu provodnika, masi i naboju čestica, okolnoj temperaturi, primijenjenoj potencijalnoj razlici i mnogo je manja od brzine svjetlosti. Za 1 sekundu, elektroni u provodniku se pomjeraju zbog uređenog kretanja za manje od 0,1 mm. Unatoč tome, brzina širenja same električne struje jednaka je brzini svjetlosti (brzini prostiranja fronta elektromagnetnog talasa). Odnosno, mjesto gdje elektroni mijenjaju brzinu svog kretanja nakon promjene napona kreće se brzinom širenja elektromagnetnih oscilacija.

Jačina i gustina struje

Električna struja ima kvantitativne karakteristike: skalarnu - jačinu struje, i vektorsku - gustinu struje.

Snaga struje a je fizička veličina jednaka omjeru količine naboja

Prošlo neko vrijeme

kroz poprečni presek provodnika, na vrednost ovog vremenskog perioda.

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

Prema Ohmovom zakonu, jačina struje

u dijelu kola je direktno proporcionalna električnom naponu

primijenjen na ovaj dio kola, i obrnuto je proporcionalan njegovom otporu

Ako električna struja u dijelu kola nije konstantna, tada se napon i struja stalno mijenjaju, dok su za običnu naizmjeničnu struju prosječne vrijednosti napona i 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 vremena.
amplituda napona i struje, 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.

Gustoća struje- vektor čija je apsolutna vrijednost jednaka omjeru jačine 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 srednje provodljivosti

Snaga

Kada postoji struja 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 uzrokovan prijenosom energije na električno ili magnetsko polje (i obrnuto).

Obično se većina posla koji obavlja električna struja oslobađa u obliku topline. Snaga gubitka topline je vrijednost jednaka količini topline koja se oslobađa po jedinici vremena. Prema Joule-Lenzovom zakonu, snaga gubitka topline u provodniku je proporcionalna jačini struje koja teče i primijenjenom naponu:

Snaga se mjeri u vatima.

U kontinuiranom mediju, volumetrijski gubitak 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, kao i od dužine emitovanog talasa. Za jedan ravan provodnik, u kojem je struja svuda istog smjera i jačine, i čija je dužina L znatno 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 talasnoj dužini od oko 6 hiljada kilometara, zbog čega je snaga zračenja obično zanemariva u odnosu na snagu toplotnih gubitaka. Međutim, kako se frekvencija struje povećava, duljina emitiranog vala se smanjuje, a snaga zračenja se u skladu s tim povećava. Provodnik koji može emitovati primjetnu energiju naziva se antena.

Frekvencija

Koncept frekvencije odnosi se na naizmjeničnu struju koja povremeno mijenja snagu i/ili smjer. Ovo također uključuje najčešće korištenu struju, koja varira prema sinusoidnom zakonu.

Period izmjenične struje je najkraći vremenski period (izražen u sekundama) kroz koji se promjene struje (i napona) ponavljaju. Broj perioda koje struja izvodi po jedinici vremena naziva se frekvencija. Frekvencija se mjeri u hercima, jedan herc (Hz) je jednak jednom ciklusu u sekundi.

Bias current

Ponekad se, radi praktičnosti, uvodi koncept struje pomaka. U Maxwellovim jednačinama, struja pomaka je prisutna u jednakim uvjetima sa strujom uzrokovanom kretanjem naelektrisanja. Intenzitet magnetnog polja zavisi od ukupne električne struje, jednake zbiru struje provodljivosti i struje pomaka. Po definiciji, gustina struje pristrasnosti

Vektorska količina 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. Osim toga, promjena električnog polja obično je praćena prijenosom energije. Na primjer, prilikom punjenja i pražnjenja kondenzatora, unatoč činjenici da nema kretanja nabijenih čestica između njegovih ploča, oni govore o struji pomaka koja teče kroz njega, prenoseći nešto energije i zatvarajući električni krug na jedinstven način. Bias current

u kondenzatoru se određuje formulom:

Napunite ploče kondenzatora

Električni napon između ploča,

Električni kapacitet kondenzatora.

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

Glavne vrste provodnika

Za razliku od dielektrika, provodnici sadrže slobodne nosioce nekompenziranih naboja, koji se pod utjecajem sile, obično razlike električnog potencijala, kreću i stvaraju električnu struju. Strujna-naponska karakteristika (ovisnost struje o naponu) je najvažnija karakteristika provodnika. Za metalne vodiče i elektrolite, ima najjednostavniji oblik: jačina struje je direktno proporcionalna naponu (Ohmov zakon).

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

Plazma je jonizovani gas. Električni naboj prenose joni (pozitivni i negativni) i slobodni elektroni, koji nastaju pod uticajem zračenja (ultraljubičastog, rendgenskog i dr.) i (ili) zagrijavanja.

Elektroliti su tekuće ili čvrste tvari i sistemi u kojima su joni prisutni u bilo kojoj primjetnoj koncentraciji, uzrokujući prolaz električne struje. Ioni nastaju procesom elektrolitičke disocijacije. Kada se zagriju, otpor elektrolita se smanjuje zbog povećanja broja molekula razloženih na ione. Kao rezultat prolaska struje kroz elektrolit, ioni se približavaju elektrodama i neutraliziraju se, taložeći se na njima. Faradejevi zakoni elektrolize određuju masu supstance koja se oslobađa na elektrodama.

Postoji i električna struja elektrona u vakuumu, koja se koristi u uređajima sa elektronskim snopom.

Električne struje u prirodi

Atmosferski elektricitet je električna energija koja se nalazi u zraku. Benjamin Franklin je prvi pokazao prisustvo elektriciteta u zraku i objasnio uzrok grmljavine i munje.

Naknadno je ustanovljeno da se elektricitet akumulira u kondenzaciji para u gornjoj atmosferi, a ukazani su sljedeći zakoni da atmosferski elektricitet slijedi:

na vedrom nebu, kao i na oblačnom nebu, elektricitet atmosfere je uvijek pozitivan, osim ako pada kiša, grad ili snijeg na određenoj udaljenosti od mjesta posmatranja;
napon električne energije oblaka postaje dovoljno jak da se oslobodi iz okoline tek kada se pare oblaka kondenzuju u kapi kiše, o čemu svjedoči činjenica da se pražnjenje groma ne dešava bez kiše, snijega ili grada na mjestu osmatranja, osim povratni udar groma;
atmosferski elektricitet raste kako se vlažnost povećava i dostiže maksimum kada pada kiša, grad i snijeg;
mjesto gdje pada kiša je rezervoar pozitivnog elektriciteta, okružen pojasom negativnog, koji je zauzvrat zatvoren u pojas pozitivnog. Na granicama ovih pojaseva napon je nula.

Kretanje jona pod uticajem sila električnog polja formira vertikalnu struju provodljivosti u atmosferi sa prosečnom gustinom od oko (2÷3) 10 −12 A/m².

Ukupna struja koja teče preko cijele površine Zemlje je otprilike 1800 A.

Munja je prirodno varničko električno pražnjenje. Ustanovljena je električna priroda aurore. Vatra Svetog Elma je prirodno koronsko električno pražnjenje.

Biostruje - kretanje jona i elektrona igra veoma značajnu ulogu u svim životnim procesima. Tako stvoren biopotencijal postoji kako na unutarćelijskom nivou tako i u pojedinim dijelovima tijela i organa. Prijenos nervnih impulsa odvija se pomoću elektrohemijskih signala. Neke životinje (električne raža, električne jegulje) sposobne su akumulirati potencijale od nekoliko stotina volti i to koristiti za samoodbranu.

Aplikacija

Prilikom proučavanja električne struje otkrivena su mnoga njena svojstva, što je omogućilo pronalaženje praktične primjene u različitim područjima ljudske djelatnosti, pa čak i stvaranje novih područja koja bi bila nemoguća bez postojanja električne struje. Nakon što je električna struja pronađena u praksi, a iz razloga što se električna struja može dobiti na različite načine, u industrijskoj sferi je nastao novi koncept - električna energija.

Električna struja se koristi kao nosilac signala različite složenosti i vrste u različitim oblastima (telefon, radio, kontrolna tabla, dugme za zaključavanje vrata i tako dalje).

U nekim slučajevima se pojavljuju neželjene električne struje, kao što su lutajuće struje ili struje kratkog spoja.

Upotreba električne struje kao nosioca energije

dobijanje mehaničke energije u svim vrstama elektromotora,
dobijanje toplotne energije u uređajima za grejanje, električnim pećima, tokom elektro zavarivanja,
dobijanje svetlosne energije u rasvetnim i signalnim uređajima,
pobuđivanje elektromagnetnih oscilacija visoke frekvencije, ultravisoke frekvencije i radio talasa,
primanje zvuka,
dobijanje raznih supstanci elektrolizom, punjenje električnih baterija. Ovdje se elektromagnetna energija pretvara u hemijsku energiju,
stvaranje magnetnog polja (u elektromagnetima).

Upotreba električne struje u medicini

dijagnostika - biostruje zdravih i bolesnih organa su različite, te 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 za snimanje i proučavanje električnih polja tokom srčane aktivnosti.
- Elektrogastrografija je metoda za proučavanje motoričke aktivnosti želuca.
- Elektromiografija je metoda za proučavanje bioelektričnih potencijala koji nastaju u skeletnim mišićima.
Liječenje i reanimacija: električna stimulacija određenih područja mozga; liječenje Parkinsonove bolesti i epilepsije, također za elektroforezu. Pejsmejker koji stimuliše srčani mišić pulsnom strujom koristi se za bradikardiju i druge srčane aritmije.

električna sigurnost

Obuhvata pravne, socio-ekonomske, organizacione i tehničke, sanitarno-higijenske, tretmansko-preventivne, rehabilitacione i druge mere. Pravila električne sigurnosti regulisana su pravnim i tehničkim dokumentima, regulatornim i tehničkim okvirom. Poznavanje osnova električne sigurnosti je obavezno za osoblje koje servisira električne instalacije i elektro opremu. Ljudsko tijelo je provodnik električne struje. Otpornost ljudi sa suvom i netaknutom kožom kreće se od 3 do 100 kOhm.

Struja koja prolazi kroz ljudsko ili životinjsko tijelo proizvodi sljedeće efekte:

termički (opekotine, zagrijavanje i oštećenje krvnih žila);
elektrolitički (razgradnja krvi, poremećaj fizičkog i hemijskog sastava);
biološki (iritacija i ekscitacija tjelesnih tkiva, konvulzije)
mehanički (pucanje krvnih sudova pod uticajem pritiska pare dobijenog zagrevanjem protokom krvi)

Glavni faktor koji određuje ishod električnog udara je količina struje koja prolazi kroz ljudsko tijelo. Prema sigurnosnim mjerama, električna struja se klasificira na sljedeći način:

„sigurnom“ se smatra struja čiji dugotrajni prolazak kroz ljudsko tijelo ne uzrokuje štetu i ne izaziva nikakve senzacije, njena vrijednost ne prelazi 50 μA (izmjenična struja 50 Hz) i 100 μA jednosmjerne struje;
“Minimalna primjetna” naizmjenična struja za ljude je oko 0,6-1,5 mA (50 Hz naizmjenična struja) i 5-7 mA jednosmjerne struje;
prag „neoslobađanja“ je minimalna struja takve snage da osoba više nije u stanju silom volje otrgnuti ruke od dijela koji nosi struju. Za naizmjeničnu struju je oko 10-15 mA, za jednosmjernu struju je 50-80 mA;
„Prag fibrilacije“ je jačina naizmjenične struje (50 Hz) od oko 100 mA i jednosmjerne struje od 300 mA, čiji utjecaj duži od 0,5 s vjerovatno izaziva fibrilaciju srčanih mišića. Ovaj prag se takođe smatra uslovno fatalnim za ljude.

U Rusiji, u skladu sa Pravilima za tehnički rad električnih instalacija potrošača (Naredba Ministarstva energetike Ruske Federacije od 13. januara 2003. br. 6 „O odobravanju Pravila za tehnički rad električnih instalacija potrošača”) i Pravila za zaštitu rada tokom rada električnih instalacija (Naredba Ministarstva energetike Ruske Federacije od 27. decembra 2000. N 163 „O odobravanju Međuindustrijskih pravila o zaštiti na radu (pravila sigurnosti) za rad Električne instalacije"), formirano je 5 kvalifikacionih grupa za električnu sigurnost u zavisnosti od kvalifikacija i iskustva radnika i napona električnih instalacija.

Bilješke

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

Spojimo LED na AA bateriju i ako je polaritet ispravan, upalit će se. U kom pravcu će se uspostaviti struja? Danas to svi znaju od plusa do minusa. I unutar baterije, dakle, od minusa do plusa - struja u ovom zatvorenom električnom krugu je konstantna.

Smjer struje u kolu se obično smatra smjerom kretanja pozitivno nabijenih čestica, ali u metalima se kreću elektroni, a oni su, kao što znamo, negativno nabijeni. To znači da je u stvarnosti koncept „smjera struje“ konvencija. Hajde da to shvatimo zašto, dok elektroni teku kroz kolo od minusa do plusa, svi okolo govore da struja teče od plusa do minusa. Zašto toliki apsurd?

Odgovor leži u istoriji razvoja elektrotehnike. Kada je Frenklin razvio svoju teoriju elektriciteta, smatrao je da je njeno kretanje slično kretanju tečnosti koja kao da teče iz jednog tela u drugo. Gdje ima više električne tekućine, odatle ona teče u smjeru gdje je ima manje.

Zato je Frenklin tela sa viškom električne tečnosti (uslovno!) nazvao pozitivno naelektrisanim, a tela sa manjkom električne tečnosti - negativno naelektrisanim. Odatle je nastala ideja o kretanju. Pozitivni naboj teče, kao kroz sistem komunikacionih sudova, od jednog naelektrisanog tela do drugog.

Kasnije je francuski istraživač Charles Dufay u svojim eksperimentima ustanovio da se ne naelektrišu samo protrljana tijela, već i protrljana, a pri kontaktu se naboji oba tijela neutraliziraju. Pokazalo se da zapravo postoje dvije odvojene vrste električnog naboja, koji se međusobno neutraliziraju u interakciji. Ovu teoriju o dva elektriciteta razvio je Franklinov savremenik Robert Simmer, koji se uvjerio da nešto nije sasvim ispravno u Franklinovoj teoriji.

Škotski fizičar Robert Simmer nosio je dva para čarapa: izolovane vunene i drugi par svilenih na vrhu. Kada je odjednom skinuo obje čarape s noge, a zatim jednu čarapu izvukao iz druge, uočio je sljedeću sliku: vunene i svilene čarape nabubre, poprimaju oblik njegove noge i naglo se lijepe jedna za drugu. Istovremeno, čarape od istog materijala, poput vune i svile, odbijaju jedna drugu.

Ako je Simmer držao dvije svilene čarape u jednoj ruci i dvije vunene čarape u drugoj, onda kada je spojio ruke, odbijanje čarapa od istog materijala i privlačenje čarapa od različitih materijala dovelo je do zanimljive interakcije između njih: različite činilo se da su čarape nasrnule jedna na drugu i ispreplele se u klupko.

Posmatranja ponašanja njegovih vlastitih čarapa dovela su Roberta Simmera do zaključka da svako tijelo nema jednu, već dvije električne tekućine - pozitivnu i negativnu, koje se nalaze u tijelu u jednakim količinama. Prilikom trljanja dva tijela, jedno od njih može prijeći s jednog tijela na drugo, tada će u jednom tijelu doći do viška jedne od tečnosti, au drugom - njenog nedostatka. Oba tijela će se naelektrizirati elektricitetom suprotnog predznaka.

Ipak, elektrostatičke pojave mogu se uspješno objasniti korištenjem Franklinove hipoteze i Simmerove hipoteze o dva elektriciteta. Ove teorije su se neko vrijeme nadmetale. Kada je 1779. godine Alessandro Volta stvorio svoj voltaični stup, nakon čega je istražena elektroliza, naučnici su došli do nedvosmislenog zaključka da zaista postoje dva suprotna toka nosilaca naboja koji se kreću u otopinama i tekućinama – pozitivan i negativan. Dualistička teorija električne struje, iako je nisu svi razumjeli, ipak je trijumfirala.

Konačno, 1820. godine, govoreći pred Pariškom akademijom nauka, Ampere je predložio odabir jednog od smjerova kretanja naboja kao glavnog smjera struje. Bilo mu je zgodno da to učini, jer je Amper istraživao interakcije struja jedna s drugom i struja s magnetima. I tako da svaki put tokom poruke ne pomenete da se dva toka suprotnog naelektrisanja kreću u dva smera duž jednog provodnika.

Amper je predložio jednostavno uzimanje smjera kretanja pozitivnog elektriciteta kao smjer struje, i uvijek govoriti o smjeru struje, što znači kretanje pozitivnog naboja. Od tada je stav o smjeru struje koji je predložio Amper svuda prihvaćen i koristi se i danas.

Kada je Maxwell razvio svoju teoriju elektromagnetizma i odlučio primijeniti pravilo desnog zavrtnja radi lakšeg određivanja smjera vektora magnetske indukcije, on se također pridržavao ovog stava: smjer struje je smjer kretanja pozitivan naboj.

Faraday je zauzvrat primijetio da je smjer struje uvjetovan; to je jednostavno zgodno sredstvo za naučnike da nedvosmisleno odrede smjer struje. Lenz je, uvodeći svoje Lencovo pravilo (vidi - ), također koristio termin "smjer struje", što znači kretanje pozitivnog elektriciteta. Jednostavno je zgodno.

Čak i nakon što je Thomson otkrio elektron 1897. godine, konvencija o smjeru struje je i dalje ostala. Čak i ako se samo elektroni zapravo kreću u vodiču ili u vakuumu, suprotan smjer se i dalje uzima kao smjer struje - od plusa do minusa.

Više od jednog stoljeća nakon otkrića elektrona, uprkos Faradayjevim idejama o ionima, čak i s pojavom vakuumskih cijevi i tranzistora, iako su se pojavile poteškoće u opisima, uobičajeno stanje stvari i dalje ostaje. Samo je zgodnije raditi sa strujama, kretati se njihovim magnetnim poljima, a čini se da to nikome ne stvara nikakve poteškoće.