Hướng của dòng điện. Dòng điện chạy như thế nào

Dòng điện là chuyển động có trật tự của các hạt mang điện. Trong chất rắn, đây là chuyển động của các electron (hạt tích điện âm); trong chất lỏng và chất khí, đây là chuyển động của các ion (hạt tích điện dương). Hơn nữa, dòng điện có thể không đổi hoặc xoay chiều, và chúng có những chuyển động điện tích hoàn toàn khác nhau. Để hiểu rõ và nắm vững chủ đề chuyển động của dòng điện trong dây dẫn, có lẽ trước tiên bạn cần hiểu chi tiết hơn những kiến thức cơ bản về điện vật lý. Đây là nơi tôi sẽ bắt đầu.

Vậy ban đầu dòng điện chạy như thế nào? Người ta biết rằng các chất bao gồm các nguyên tử. Đây là những hạt cơ bản của vật chất. Cấu trúc của nguyên tử giống với hệ mặt trời của chúng ta, trong đó hạt nhân nguyên tử nằm ở trung tâm. Nó bao gồm các proton (hạt mang điện dương) và neutron (hạt trung hòa về điện) ép chặt vào nhau. Xung quanh hạt nhân này, các electron (các hạt nhỏ hơn có điện tích âm) quay trên quỹ đạo của chúng với tốc độ cực lớn. Các chất khác nhau có số electron và quỹ đạo quay khác nhau. Các nguyên tử của chất rắn có cái gọi là mạng tinh thể. Đây là cấu trúc của một chất trong đó các nguyên tử được sắp xếp tương đối với nhau theo một thứ tự nhất định.

Dòng điện có thể phát sinh ở đâu ở đây? Hóa ra là trong một số chất (dây dẫn dòng điện), các electron ở xa hạt nhân nhất của chúng có thể tách ra khỏi nguyên tử và chuyển sang nguyên tử lân cận. Chuyển động này của các electron được gọi là tự do. Các electron chỉ đơn giản là di chuyển trong một chất từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Nhưng nếu một trường điện từ bên ngoài được kết nối với chất này (dây dẫn điện), từ đó tạo ra một mạch điện, thì tất cả các electron tự do sẽ bắt đầu chuyển động theo một hướng. Đây chính xác là sự chuyển động của dòng điện bên trong một dây dẫn.

Bây giờ chúng ta hãy tìm hiểu dòng điện một chiều và xoay chiều là gì. Vì vậy dòng điện một chiều luôn chuyển động theo một chiều. Như đã nêu ở phần đầu, các electron chuyển động trong chất rắn và các ion chuyển động trong chất lỏng và chất khí. Electron là hạt tích điện âm. Do đó, trong chất rắn, dòng điện chạy từ âm sang dương của nguồn điện (các electron chuyển động dọc theo mạch điện). Trong chất lỏng và chất khí, dòng điện chuyển động theo hai hướng cùng một lúc, hay nói đúng hơn là đồng thời, các electron chuyển sang cực dương và các ion (các nguyên tử riêng lẻ không liên kết với nhau bằng mạng tinh thể, chúng tự di chuyển) chuyển sang cực âm của nguồn điện.

Các nhà khoa học đã chính thức chấp nhận rằng chuyển động xảy ra từ cộng sang trừ (ngược lại với những gì xảy ra trong thực tế). Vì vậy, từ quan điểm khoa học, nói rằng dòng điện chuyển động từ dương sang âm là đúng, nhưng từ quan điểm thực tế (bản chất vật lý điện) thì đúng hơn khi tin rằng dòng điện chạy từ âm sang dương (trong chất rắn). Điều này có lẽ được thực hiện để thuận tiện.

Bây giờ, đối với dòng điện xoay chiều. Ở đây mọi thứ phức tạp hơn một chút. Nếu trong trường hợp dòng điện một chiều, chuyển động của các hạt tích điện chỉ có một hướng (về mặt vật lý, các electron có dấu trừ chảy về phía dương), thì với dòng điện xoay chiều, hướng chuyển động định kỳ thay đổi theo hướng ngược lại. Có thể bạn đã từng nghe nói rằng mạng điện thông thường của thành phố có điện áp xoay chiều 220 volt và tần số tiêu chuẩn là 50 hertz. Vì vậy, tần số 50 Hz này cho thấy rằng trong một giây dòng điện có thể trải qua một chu kỳ đầy đủ có dạng hình sin 50 lần. Trên thực tế, trong một giây hướng của dòng điện thay đổi tới 100 lần (nó thay đổi hai lần trong một chu kỳ).

tái bút Hướng của dòng điện trong mạch điện rất quan trọng. Trong nhiều trường hợp, nếu mạch được thiết kế cho một hướng của dòng điện và bạn vô tình thay đổi nó sang hướng ngược lại hoặc kết nối dòng điện xoay chiều thay vì dòng điện một chiều, thì rất có thể thiết bị sẽ bị hỏng. Nhiều chất bán dẫn hoạt động trong mạch điện có thể bị đứt và cháy khi dòng điện chạy ngược chiều. Vì vậy, khi kết nối nguồn điện, bạn phải tuân thủ nghiêm ngặt hướng dòng điện.

Sạc trong chuyển động. Nó có thể ở dạng phóng tĩnh điện đột ngột, chẳng hạn như sét. Hoặc nó có thể là một quá trình được kiểm soát trong máy phát điện, pin, năng lượng mặt trời hoặc pin nhiên liệu. Hôm nay chúng ta sẽ xem xét khái niệm “dòng điện” và các điều kiện tồn tại của dòng điện.

Năng lượng điện

Hầu hết điện năng chúng ta sử dụng đều ở dạng dòng điện xoay chiều từ lưới điện. Nó được tạo ra bởi các máy phát điện hoạt động theo định luật cảm ứng Faraday, do đó từ trường thay đổi có thể tạo ra dòng điện trong dây dẫn.

Máy phát điện có cuộn dây quay đi qua từ trường khi chúng quay. Khi cuộn dây quay, chúng mở và đóng tương ứng với từ trường và tạo ra dòng điện thay đổi hướng sau mỗi vòng quay. Dòng điện đi qua một chu kỳ đầy đủ 60 lần mỗi giây.

Máy phát điện có thể được cung cấp năng lượng bằng tua-bin hơi nước được làm nóng bằng than, khí tự nhiên, dầu hoặc lò phản ứng hạt nhân. Từ máy phát điện, dòng điện đi qua một loạt máy biến áp, nơi điện áp của nó tăng lên. Đường kính của dây quyết định lượng và cường độ dòng điện mà chúng có thể mang theo mà không bị quá nóng và mất năng lượng, đồng thời điện áp chỉ bị giới hạn bởi mức độ cách điện của đường dây với mặt đất.

Thật thú vị khi lưu ý rằng dòng điện chỉ được truyền bởi một dây chứ không phải hai. Hai mặt của nó được chỉ định là tích cực và tiêu cực. Tuy nhiên, do cực tính của dòng điện xoay chiều thay đổi 60 lần mỗi giây nên chúng có các tên gọi khác - nóng (đường dây điện chính) và nối đất (chạy ngầm để hoàn thành mạch điện).

Tại sao cần có dòng điện?

Dòng điện có rất nhiều công dụng: nó có thể thắp sáng ngôi nhà của bạn, giặt và sấy quần áo, nâng cửa gara, đun sôi nước trong ấm và sử dụng các vật dụng gia đình khác giúp cuộc sống của chúng ta dễ dàng hơn nhiều. Tuy nhiên, khả năng truyền tải thông tin của dòng điện ngày càng trở nên quan trọng.

Khi kết nối Internet, máy tính chỉ sử dụng một phần nhỏ dòng điện, nhưng đây là thứ mà con người hiện đại không thể tưởng tượng được cuộc sống của mình.

Khái niệm dòng điện

Giống như dòng sông, dòng chảy của các phân tử nước, dòng điện là dòng chảy của các hạt tích điện. Điều gì gây ra nó và tại sao nó không luôn đi theo cùng một hướng? Khi bạn nghe thấy từ "chảy", bạn nghĩ đến điều gì? Có lẽ nó sẽ là một dòng sông. Đây là một sự liên tưởng tốt vì chính vì lý do này mà dòng điện có tên như vậy. Nó rất giống với dòng chảy của nước, nhưng thay vì các phân tử nước di chuyển dọc theo kênh, các hạt tích điện lại di chuyển dọc theo dây dẫn.

Trong số các điều kiện cần thiết cho sự tồn tại của dòng điện, có một điểm đòi hỏi phải có sự có mặt của các electron. Các nguyên tử trong vật liệu dẫn điện có nhiều hạt tích điện tự do trôi nổi xung quanh và giữa các nguyên tử. Chuyển động của chúng là ngẫu nhiên nên không có dòng chảy theo bất kỳ hướng nào. Để tồn tại dòng điện cần những gì?

Điều kiện tồn tại của dòng điện bao gồm sự có mặt của điện áp. Khi tác động vào vật dẫn điện, tất cả các electron tự do sẽ chuyển động cùng chiều, tạo ra dòng điện.

Tò mò về dòng điện

Điều thú vị là khi năng lượng điện được truyền qua một dây dẫn ở tốc độ ánh sáng, bản thân các electron sẽ chuyển động chậm hơn nhiều. Trên thực tế, nếu bạn đi chậm bên cạnh một dây dẫn điện, tốc độ của bạn sẽ nhanh hơn 100 lần so với các electron. Điều này là do chúng không cần phải di chuyển một khoảng cách rất xa để truyền năng lượng cho nhau.

Dòng điện một chiều và xoay chiều

Ngày nay, hai loại dòng điện khác nhau được sử dụng rộng rãi - một chiều và xoay chiều. Đầu tiên, các electron di chuyển theo một hướng, từ phía “âm” sang phía “dương”. Dòng điện xoay chiều đẩy các electron qua lại, thay đổi hướng dòng chảy vài lần trong một giây.

Máy phát điện dùng trong các nhà máy điện để sản xuất điện được thiết kế để tạo ra dòng điện xoay chiều. Có thể bạn chưa bao giờ nhận thấy rằng đèn trong nhà thực sự nhấp nháy do hướng hiện tại thay đổi, nhưng nó diễn ra quá nhanh khiến mắt bạn không thể phát hiện được.

Điều kiện để tồn tại dòng điện một chiều là gì? Tại sao chúng ta cần cả hai loại và loại nào tốt hơn? Đây là những câu hỏi hay. Việc chúng ta vẫn sử dụng cả hai loại dòng điện cho thấy chúng đều phục vụ những mục đích cụ thể. Trở lại thế kỷ 19, rõ ràng là việc truyền tải điện hiệu quả trên khoảng cách xa giữa nhà máy điện và nhà chỉ có thể thực hiện được ở điện áp rất cao. Nhưng vấn đề là việc truyền tải điện áp cao cực kỳ nguy hiểm cho con người.

Giải pháp cho vấn đề này là giảm bớt căng thẳng bên ngoài ngôi nhà trước khi đưa nó vào trong. Cho đến ngày nay, dòng điện một chiều vẫn được sử dụng để truyền tải đường dài, chủ yếu là do khả năng chuyển đổi dễ dàng sang các điện áp khác.

Dòng điện hoạt động như thế nào?

Các điều kiện tồn tại của dòng điện bao gồm sự có mặt của các hạt tích điện, dây dẫn và điện áp. Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu về điện và phát hiện ra rằng có hai loại điện: tĩnh và dòng điện.

Đây là thứ hai đóng một vai trò to lớn trong cuộc sống hàng ngày của bất kỳ người nào, vì nó đại diện cho dòng điện chạy qua mạch điện. Chúng tôi sử dụng nó hàng ngày để cung cấp năng lượng cho ngôi nhà của mình và hơn thế nữa.

Dòng điện là gì?

Khi các điện tích chuyển động trong mạch từ nơi này sang nơi khác sẽ tạo ra dòng điện. Các điều kiện để tồn tại của dòng điện bao gồm, ngoài các hạt tích điện, sự có mặt của vật dẫn điện. Thông thường đây là một dây. Mạch của nó là một mạch kín trong đó dòng điện đi qua nguồn điện. Khi mạch mở, anh ta không thể hoàn thành cuộc hành trình. Ví dụ, khi đèn trong phòng bạn tắt thì mạch điện mở, nhưng khi mạch điện đóng lại thì đèn sáng.

Công suất hiện tại

Các điều kiện tồn tại của dòng điện trong dây dẫn bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các đặc tính điện áp như công suất. Đây là thước đo lượng năng lượng được sử dụng trong một khoảng thời gian nhất định.

Có nhiều đơn vị khác nhau có thể được sử dụng để thể hiện đặc tính này. Tuy nhiên, năng lượng điện gần như được đo bằng watt. Một watt bằng một joule mỗi giây.

Điện tích đang chuyển động

Điều kiện để tồn tại dòng điện là gì? Nó có thể ở dạng phóng tĩnh điện đột ngột, chẳng hạn như sét hoặc tia lửa do ma sát với vải len. Tuy nhiên, thường xuyên hơn, khi chúng ta nói về dòng điện, chúng ta đang nói về một dạng điện được kiểm soát nhiều hơn, làm cho đèn cháy và các thiết bị hoạt động. Hầu hết điện tích được mang bởi các electron âm và proton dương trong nguyên tử. Tuy nhiên, chúng chủ yếu cố định bên trong hạt nhân nguyên tử nên công việc truyền điện tích từ nơi này sang nơi khác được thực hiện bởi các electron.

Các electron trong vật liệu dẫn điện như kim loại phần lớn có thể tự do di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác dọc theo dải dẫn của chúng, là quỹ đạo electron cao nhất. Lực điện động hoặc điện áp đủ sẽ tạo ra sự mất cân bằng điện tích có thể khiến các electron chạy qua dây dẫn dưới dạng dòng điện.

Nếu chúng ta vẽ một sự tương tự với nước, thì hãy lấy một cái ống chẳng hạn. Khi chúng ta mở van ở một đầu để cho nước chảy vào đường ống, chúng ta không cần phải đợi nước đó chảy hết về cuối đường ống. Chúng ta có nước ở đầu bên kia gần như ngay lập tức vì nước chảy vào sẽ đẩy nước đã có trong đường ống. Đây là hiện tượng xảy ra khi có dòng điện chạy trong dây dẫn.

Dòng điện: điều kiện tồn tại của dòng điện

Dòng điện thường được coi là dòng chuyển động của các electron. Khi hai đầu của pin được nối với nhau bằng dây kim loại, khối tích điện này sẽ đi qua dây từ một đầu (điện cực hoặc cực) của pin sang đầu kia. Vì vậy, hãy đặt tên cho các điều kiện cho sự tồn tại của dòng điện:

Các hạt tích điện.
Nhạc trưởng.
Nguồn điện áp.

Tuy nhiên, không phải tất cả đều đơn giản như vậy. Những điều kiện cần thiết để tồn tại dòng điện là gì? Câu hỏi này có thể được trả lời chi tiết hơn bằng cách xem xét các đặc điểm sau:

Sự khác biệt tiềm năng (điện áp).Đây là một trong những điều kiện bắt buộc. Phải có một hiệu điện thế giữa 2 điểm, nghĩa là lực đẩy do các hạt tích điện tạo ra ở một nơi phải lớn hơn lực của chúng ở một điểm khác. Các nguồn điện áp, theo quy luật, không tồn tại trong tự nhiên và các electron được phân bổ khá đồng đều trong môi trường. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã phát minh ra một số loại thiết bị mà các hạt tích điện này có thể tích tụ, từ đó tạo ra điện áp rất cần thiết (ví dụ như trong pin).
Điện trở (dây dẫn).Đây là điều kiện quan trọng thứ hai cần thiết cho sự tồn tại của dòng điện. Đây là con đường mà các hạt tích điện di chuyển. Chỉ những vật liệu cho phép các electron chuyển động tự do mới đóng vai trò là chất dẫn điện. Những người không có khả năng này được gọi là người cách điện. Ví dụ, dây kim loại sẽ là chất dẫn điện tuyệt vời, trong khi vỏ cao su của nó sẽ là chất cách điện tuyệt vời.

Sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng các điều kiện xuất hiện và tồn tại của dòng điện, con người đã có thể chế ngự được yếu tố mạnh mẽ và nguy hiểm này và hướng nó vì lợi ích của nhân loại.

Chuyển động có hướng (có trật tự) của các hạt, hạt mang điện, trong trường điện từ.

Dòng điện trong các chất khác nhau là gì? Do đó, chúng ta hãy lấy các hạt chuyển động:

trong kim loại - electron,
trong chất điện giải - ion (cation và anion),
trong chất khí - ion và electron,
trong chân không dưới những điều kiện nhất định - electron,
trong chất bán dẫn - lỗ trống (độ dẫn điện tử của lỗ trống).

Đôi khi dòng điện còn được gọi là dòng điện dịch chuyển, phát sinh do sự thay đổi của điện trường theo thời gian.

Dòng điện biểu hiện như sau:

làm nóng chất dẫn điện (hiện tượng này không được quan sát thấy ở chất siêu dẫn);
thay đổi thành phần hóa học của dây dẫn (hiện tượng này chủ yếu là đặc trưng của chất điện phân);
tạo ra một từ trường (biểu hiện ở tất cả các dây dẫn, không có ngoại lệ).

Nếu các hạt tích điện chuyển động bên trong các vật thể vĩ mô so với một môi trường cụ thể thì dòng điện như vậy được gọi là “dòng điện dẫn”. Nếu các vật tích điện vĩ mô (ví dụ như các hạt mưa tích điện) đang chuyển động thì dòng điện này được gọi là “sự đối lưu”.

Dòng điện được chia thành một chiều và xoay chiều. Ngoài ra còn có các loại dòng điện xoay chiều. Khi xác định loại dòng điện, từ “điện” bị bỏ qua.

D.C.- dòng điện có hướng và cường độ không thay đổi theo thời gian. Có thể có một dao động, ví dụ như một biến được chỉnh lưu, là biến một chiều.
Dòng điện xoay chiều- Dòng điện thay đổi theo thời gian. Dòng điện xoay chiều đề cập đến bất kỳ dòng điện không trực tiếp.
dòng điện định kỳ- dòng điện, các giá trị tức thời được lặp lại đều đặn theo trình tự không thay đổi.
dòng điện hình sin- dòng điện tuần hoàn là hàm số hình sin theo thời gian. Trong số các dòng điện xoay chiều, dòng điện chính là dòng điện có giá trị thay đổi theo quy luật hình sin. Bất kỳ dòng điện không hình sin tuần hoàn nào cũng có thể được biểu diễn dưới dạng kết hợp của các thành phần sóng hài hình sin (sóng hài) có biên độ, tần số và pha ban đầu tương ứng. Trong trường hợp này, điện thế tĩnh điện ở mỗi đầu dây dẫn thay đổi tương ứng với điện thế ở đầu dây dẫn kia luân phiên từ dương sang âm và ngược lại, đi qua tất cả các điện thế trung gian (kể cả điện thế bằng 0). Kết quả là xuất hiện một dòng điện liên tục đổi chiều: khi chuyển động theo một chiều thì nó tăng lên, đạt cực đại gọi là giá trị biên độ, sau đó giảm xuống, có lúc bằng 0 rồi lại tăng lên nhưng theo chiều khác. và cũng đạt giá trị tối đa, giảm dần rồi lại vượt qua 0, sau đó chu kỳ của mọi thay đổi lại tiếp tục.
Dòng điện gần như cố định- dòng điện xoay chiều thay đổi tương đối chậm, đối với các giá trị tức thời thỏa mãn các định luật về dòng điện một chiều với độ chính xác vừa đủ. Những luật này là luật Ohm, luật Kirchhoff và những luật khác. Dòng điện gần như cố định, giống như dòng điện một chiều, có cùng cường độ dòng điện trong tất cả các phần của mạch không phân nhánh. Khi tính toán mạch dòng điện gần như cố định do e xuất hiện. d.s. cảm ứng của điện dung và điện cảm được tính đến như các tham số gộp lại. Dòng điện công nghiệp thông thường là dòng điện gần như cố định, ngoại trừ dòng điện trong đường dây truyền tải đường dài không thỏa mãn điều kiện gần như cố định dọc theo đường dây.
Dòng điện tần số cao- dòng điện xoay chiều (bắt đầu từ tần số xấp xỉ hàng chục kHz), khi hiện tượng đó trở nên quan trọng và có ích, xác định việc sử dụng nó hoặc có hại, thì phải thực hiện các biện pháp cần thiết, chẳng hạn như bức xạ của sóng điện từ và hiệu ứng da. Ngoài ra, nếu bước sóng của bức xạ dòng điện xoay chiều trở nên tương đương với kích thước của các phần tử của mạch điện, thì điều kiện gần như cố định bị vi phạm, đòi hỏi các phương pháp tính toán và thiết kế đặc biệt của các mạch đó.
Dòng điện xung là dòng điện tuần hoàn có giá trị trung bình trong một chu kỳ khác 0.
Dòng điện một chiều- Đây là dòng điện không đổi chiều.

dòng điện xoáy

Dòng điện xoáy (hay dòng điện Foucault) là dòng điện kín trong một dây dẫn lớn phát sinh khi từ thông xuyên qua nó thay đổi, do đó dòng điện xoáy là dòng điện cảm ứng. Từ thông thay đổi càng nhanh thì dòng điện xoáy càng mạnh. Dòng điện xoáy không chạy dọc theo những đường dẫn cụ thể trong dây dẫn, nhưng khi chúng đóng lại trong dây dẫn, chúng tạo thành những mạch giống như dòng xoáy.

Sự tồn tại của dòng điện xoáy dẫn đến hiệu ứng bề mặt, tức là dòng điện xoay chiều và từ thông lan truyền chủ yếu ở lớp bề mặt của dây dẫn. Làm nóng dây dẫn bằng dòng điện xoáy dẫn đến tổn thất năng lượng, đặc biệt là ở lõi của cuộn dây xoay chiều. Để giảm tổn thất năng lượng do dòng điện xoáy, họ sử dụng việc chia các mạch từ dòng điện xoay chiều thành các tấm riêng biệt, cách ly với nhau và đặt vuông góc với hướng của dòng điện xoáy, điều này hạn chế các đường viền có thể có của đường đi của chúng và làm giảm đáng kể cường độ. của các dòng điện này. Ở tần số rất cao, thay vì sắt từ, điện từ được sử dụng cho các mạch từ, trong đó, do điện trở rất cao nên dòng điện xoáy thực tế không phát sinh.

Đặc trưng

Trong lịch sử, người ta chấp nhận rằng "" hướng của dòng điện"" trùng với hướng chuyển động của các điện tích dương trong dây dẫn. Hơn nữa, nếu chất mang dòng điện duy nhất là các hạt tích điện âm (ví dụ, các electron trong kim loại), thì hướng của dòng điện ngược với hướng chuyển động của các hạt tích điện.

Tốc độ trôi của electron

Tốc độ trôi của chuyển động có hướng của các hạt trong dây dẫn do trường bên ngoài gây ra phụ thuộc vào vật liệu của dây dẫn, khối lượng và điện tích của các hạt, nhiệt độ xung quanh, hiệu điện thế đặt vào và nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Trong 1 giây, các electron trong vật dẫn chuyển động do chuyển động có trật tự nhỏ hơn 0,1 mm. Mặc dù vậy, tốc độ truyền của dòng điện vẫn bằng tốc độ ánh sáng (tốc độ truyền của mặt sóng điện từ). Tức là nơi các electron thay đổi tốc độ chuyển động của chúng sau khi thay đổi điện áp chuyển động với tốc độ lan truyền dao động điện từ.

Cường độ và mật độ hiện tại

Dòng điện có đặc tính định lượng: vô hướng - cường độ dòng điện và vectơ - mật độ dòng điện.

Sức mạnh hiện tại a là đại lượng vật lý bằng tỉ số giữa lượng điện tích

Đã qua một thời gian

qua mặt cắt ngang của dây dẫn đến giá trị của khoảng thời gian này.

Cường độ dòng điện trong SI được đo bằng ampe (ký hiệu quốc tế và tiếng Nga: A).

Theo định luật Ôm thì cường độ dòng điện

trong một đoạn mạch tỉ lệ thuận với hiệu điện thế

áp dụng cho phần này của mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của nó

Nếu dòng điện trong một đoạn mạch không đổi thì điện áp và dòng điện liên tục thay đổi, còn đối với dòng điện xoay chiều thông thường thì giá trị trung bình của điện áp và dòng điện bằng 0. Tuy nhiên, công suất trung bình của nhiệt tỏa ra trong trường hợp này không bằng 0.

Vì vậy, các khái niệm sau được sử dụng:

điện áp và dòng điện tức thời, nghĩa là tác dụng tại một thời điểm nhất định.
biên độ điện áp và dòng điện, nghĩa là giá trị tuyệt đối tối đa
Điện áp và dòng điện hiệu dụng (hiệu dụng) được xác định bởi hiệu ứng nhiệt của dòng điện, nghĩa là chúng có cùng giá trị đối với dòng điện một chiều có cùng hiệu ứng nhiệt.

Mật độ hiện tại- một vectơ, giá trị tuyệt đối của nó bằng tỉ số giữa cường độ dòng điện chạy qua một phần nhất định của dây dẫn, vuông góc với hướng của dòng điện, với diện tích của phần đó và hướng của vectơ trùng với hướng chuyển động của các điện tích dương tạo thành dòng điện.

Theo định luật Ohm ở dạng vi phân, mật độ dòng điện trong môi trường

tỉ lệ thuận với cường độ điện trường

và độ dẫn trung bình

Quyền lực

Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn, công được thực hiện chống lại lực cản. Điện trở của bất kỳ dây dẫn nào bao gồm hai thành phần:

sức đề kháng tích cực - khả năng chống sinh nhiệt;
phản ứng - điện trở gây ra bởi sự truyền năng lượng sang điện trường hoặc từ trường (và ngược lại).

Thông thường, hầu hết công do dòng điện thực hiện đều được giải phóng dưới dạng nhiệt. Công suất tổn thất nhiệt là giá trị bằng lượng nhiệt tỏa ra trong một đơn vị thời gian. Theo định luật Joule-Lenz, công suất tổn thất nhiệt trong dây dẫn tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện và điện áp đặt vào:

Công suất được đo bằng watt.

Trong môi trường liên tục, tổn thất thể tích

được xác định bằng tích vô hướng của vectơ mật độ dòng điện

và vectơ cường độ điện trường

tại thời điểm này:

Công suất thể tích được đo bằng watt trên mét khối.

Khả năng cản bức xạ là do sự hình thành sóng điện từ xung quanh dây dẫn. Điện trở này phụ thuộc phức tạp vào hình dạng, kích thước của dây dẫn và độ dài của sóng phát ra. Đối với một dây dẫn thẳng, trong đó dòng điện ở mọi nơi có cùng hướng và cùng cường độ và chiều dài L của nó nhỏ hơn đáng kể so với chiều dài sóng điện từ do nó phát ra

Sự phụ thuộc của điện trở vào bước sóng và dây dẫn tương đối đơn giản:

Dòng điện được sử dụng phổ biến nhất có tần số tiêu chuẩn 50 “Hz” tương ứng với bước sóng khoảng 6 nghìn km, đó là lý do tại sao công suất bức xạ thường không đáng kể so với công suất tổn thất nhiệt. Tuy nhiên, khi tần số của dòng điện tăng lên thì độ dài của sóng phát ra sẽ giảm đi và công suất bức xạ cũng tăng theo. Một dây dẫn có khả năng phát ra năng lượng đáng chú ý được gọi là ăng-ten.

Tính thường xuyên

Khái niệm tần số đề cập đến dòng điện xoay chiều thay đổi cường độ và/hoặc hướng theo chu kỳ. Điều này cũng bao gồm dòng điện được sử dụng phổ biến nhất, thay đổi theo quy luật hình sin.

Chu kỳ AC là khoảng thời gian ngắn nhất (tính bằng giây) trong đó những thay đổi về dòng điện (và điện áp) được lặp lại. Số chu kỳ mà dòng điện thực hiện trong một đơn vị thời gian được gọi là tần số. Tần số được đo bằng hertz, một hertz (Hz) bằng một chu kỳ mỗi giây.

Xu hướng hiện tại

Đôi khi, để thuận tiện, khái niệm dòng điện dịch chuyển được đưa ra. Trong các phương trình Maxwell, dòng điện dịch chuyển biểu hiện ngang bằng với dòng điện gây ra bởi sự chuyển động của các điện tích. Cường độ của từ trường phụ thuộc vào tổng dòng điện, bằng tổng dòng điện dẫn và dòng điện dịch chuyển. Theo định nghĩa, mật độ dòng điện phân cực

Đại lượng vectơ tỉ lệ với tốc độ biến thiên của điện trường

đúng giờ:

Thực tế là khi điện trường thay đổi, cũng như khi dòng điện chạy qua, một từ trường sẽ được tạo ra, khiến hai quá trình này tương tự nhau. Ngoài ra, sự thay đổi của điện trường thường đi kèm với sự truyền năng lượng. Ví dụ, khi sạc và xả một tụ điện, mặc dù thực tế là không có chuyển động của các hạt tích điện giữa các bản của nó, nhưng họ vẫn nói về một dòng điện dịch chuyển chạy qua nó, truyền một số năng lượng và đóng mạch điện theo một cách độc đáo. Xu hướng hiện tại

trong tụ điện được xác định theo công thức:

Sạc trên các tấm tụ điện

Điện áp giữa các tấm,

Điện dung của tụ điện.

Dòng điện dịch chuyển không phải là dòng điện vì nó không liên quan đến chuyển động của điện tích.

Các loại dây dẫn chính

Không giống như chất điện môi, chất dẫn điện chứa các hạt mang điện tự do không bù, dưới tác dụng của một lực, thường là sự chênh lệch điện thế, sẽ di chuyển và tạo ra dòng điện. Đặc tính dòng điện-điện áp (sự phụ thuộc của dòng điện vào điện áp) là đặc tính quan trọng nhất của dây dẫn. Đối với dây dẫn kim loại và chất điện phân, nó có dạng đơn giản nhất: cường độ dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp (định luật Ohm).

Kim loại - ở đây chất mang dòng điện là các electron dẫn, thường được coi là chất khí điện tử, thể hiện rõ tính chất lượng tử của chất khí thoái hóa.

Plasma là một loại khí bị ion hóa. Điện tích được truyền bởi các ion (dương và âm) và các electron tự do, được hình thành dưới tác động của bức xạ (tia cực tím, tia X và các loại khác) và (hoặc) sưởi ấm.

Chất điện giải là các chất và hệ thống ở dạng lỏng hoặc rắn trong đó các ion hiện diện ở bất kỳ nồng độ nào đáng chú ý, gây ra dòng điện đi qua. Các ion được hình thành thông qua quá trình phân ly điện phân. Khi đun nóng, điện trở của chất điện phân giảm do số lượng phân tử bị phân hủy thành ion tăng lên. Do dòng điện chạy qua chất điện phân, các ion tiếp cận các điện cực và bị trung hòa, lắng xuống chúng. Định luật điện phân Faraday xác định khối lượng của chất thoát ra trên các điện cực.

Ngoài ra còn có dòng điện của các electron trong chân không, dòng điện này được sử dụng trong các thiết bị chùm tia điện tử.

Dòng điện trong tự nhiên

Điện khí quyển là điện có trong không khí. Benjamin Franklin là người đầu tiên chứng minh được sự hiện diện của dòng điện trong không khí và giải thích nguyên nhân gây ra sấm sét.

Sau đó người ta đã xác định rằng điện tích tụ trong sự ngưng tụ hơi ở tầng trên của khí quyển, và các định luật sau đây đã chỉ ra rằng điện trong khí quyển tuân theo:

khi trời quang đãng cũng như khi trời nhiều mây, điện của khí quyển luôn dương, trừ khi trời mưa, mưa đá hoặc tuyết ở một khoảng cách xa địa điểm quan sát;
Điện áp của điện mây trở nên đủ mạnh để thoát ra khỏi môi trường chỉ khi hơi mây ngưng tụ thành hạt mưa, bằng chứng có thể thấy là việc phóng điện sét không thể xảy ra nếu không có mưa, tuyết hoặc mưa đá tại địa điểm quan sát, ngoại trừ một sét đánh trả lại;
điện khí quyển tăng khi độ ẩm tăng và đạt cực đại khi có mưa, mưa đá, tuyết rơi;
nơi trời mưa là nơi chứa điện dương, xung quanh có đai âm, vành đai âm này lại được bao bọc trong đai dương. Tại ranh giới của các vành đai này ứng suất bằng không.

Sự chuyển động của các ion dưới tác dụng của lực điện trường tạo thành dòng điện dẫn thẳng đứng trong khí quyển với mật độ trung bình khoảng (2 3) 10 −12 A/m2.

Tổng dòng điện chạy trên toàn bộ bề mặt Trái đất là khoảng 1800 A.

Sét là hiện tượng phóng điện phát ra tia lửa điện tự nhiên. Bản chất điện của cực quang đã được thiết lập. Lửa Thánh Elmo là sự phóng điện hào quang tự nhiên.

Dòng điện sinh học - sự chuyển động của các ion và electron đóng một vai trò rất quan trọng trong mọi quá trình sống. Tiềm năng sinh học được tạo ra theo cách này tồn tại cả ở cấp độ nội bào và ở các bộ phận riêng lẻ của cơ thể và các cơ quan. Việc truyền xung thần kinh xảy ra bằng cách sử dụng tín hiệu điện hóa. Một số loài động vật (cá đuối điện, lươn điện) có khả năng tích lũy điện thế vài trăm volt và sử dụng điện thế này để tự vệ.

Ứng dụng

Khi nghiên cứu dòng điện, người ta đã phát hiện ra nhiều tính chất của nó, giúp tìm ra ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực hoạt động khác nhau của con người, thậm chí tạo ra những lĩnh vực mới mà nếu không có dòng điện thì không thể thực hiện được. Sau khi tìm thấy ứng dụng thực tế của dòng điện và vì lý do dòng điện có thể thu được bằng nhiều cách khác nhau, một khái niệm mới đã nảy sinh trong lĩnh vực công nghiệp - năng lượng điện.

Dòng điện được sử dụng làm vật mang tín hiệu có độ phức tạp và loại khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau (điện thoại, radio, bảng điều khiển, nút khóa cửa, v.v.).

Trong một số trường hợp, xuất hiện dòng điện không mong muốn như dòng điện đi lạc hoặc dòng điện ngắn mạch.

Sử dụng dòng điện làm chất mang năng lượng

thu được năng lượng cơ học trong tất cả các loại động cơ điện,
thu được năng lượng nhiệt trong các thiết bị sưởi ấm, lò điện, trong quá trình hàn điện,
thu được năng lượng ánh sáng trong các thiết bị chiếu sáng và tín hiệu,
kích thích dao động điện từ tần số cao, tần số siêu cao và sóng vô tuyến,
tiếp nhận âm thanh,
thu được các chất khác nhau bằng phương pháp điện phân, sạc pin điện. Ở đây năng lượng điện từ được chuyển hóa thành năng lượng hóa học,
tạo ra từ trường (trong nam châm điện).

Ứng dụng dòng điện trong y học

chẩn đoán - dòng sinh học của các cơ quan khỏe mạnh và bị bệnh là khác nhau, và có thể xác định bệnh, nguyên nhân và kê đơn điều trị. Nhánh sinh lý học nghiên cứu các hiện tượng điện trong cơ thể được gọi là điện sinh lý học.
- Điện não đồ là phương pháp nghiên cứu trạng thái chức năng của não.
- Điện tâm đồ là một kỹ thuật ghi lại và nghiên cứu điện trường trong quá trình hoạt động của tim.
- Điện dạ dày là phương pháp nghiên cứu hoạt động vận động của dạ dày.
- Điện cơ là phương pháp nghiên cứu điện thế sinh học phát sinh trong cơ xương.
Điều trị và hồi sức: kích thích điện một số vùng não; điều trị bệnh Parkinson và động kinh, cũng như điện di. Máy điều hòa nhịp tim kích thích cơ tim bằng dòng điện xung được sử dụng cho nhịp tim chậm và các chứng rối loạn nhịp tim khác.

an toàn điện

Bao gồm các biện pháp pháp lý, kinh tế xã hội, tổ chức và kỹ thuật, vệ sinh và vệ sinh, điều trị và phòng ngừa, phục hồi chức năng và các biện pháp khác. Các quy tắc an toàn điện được quy định bởi các văn bản pháp lý và kỹ thuật, khung pháp lý và kỹ thuật. Kiến thức cơ bản về an toàn điện là bắt buộc đối với nhân viên bảo trì lắp đặt điện và thiết bị điện. Cơ thể con người là một chất dẫn điện. Sức đề kháng của con người với làn da khô và nguyên vẹn dao động từ 3 đến 100 kOhm.

Dòng điện chạy qua cơ thể người hoặc động vật gây ra những tác dụng sau:

nhiệt (bỏng, nóng và tổn thương mạch máu);
điện phân (phân hủy máu, phá vỡ thành phần vật lý và hóa học);
sinh học (kích thích và kích thích các mô cơ thể, co giật)
cơ học (vỡ mạch máu dưới tác động của áp suất hơi thu được bằng cách làm nóng dòng máu)

Yếu tố chính quyết định kết quả của điện giật là lượng dòng điện đi qua cơ thể con người. Theo các biện pháp phòng ngừa an toàn, dòng điện được phân loại như sau:

"an toàn" được coi là dòng điện mà dòng điện đi qua cơ thể con người trong thời gian dài không gây hại và không gây ra bất kỳ cảm giác nào, giá trị của nó không vượt quá 50 μA (dòng điện xoay chiều 50 Hz) và dòng điện một chiều 100 μA;
Dòng điện xoay chiều “tối thiểu có thể cảm nhận được” đối với con người là khoảng 0,6-1,5 mA (dòng xoay chiều 50 Hz) và dòng điện một chiều 5-7 mA;
ngưỡng “không giải phóng” là dòng điện tối thiểu có cường độ đến mức một người không còn khả năng bứt tay ra khỏi bộ phận mang dòng điện bằng ý chí. Đối với dòng điện xoay chiều là khoảng 10-15 mA, đối với dòng điện một chiều là 50-80 mA;
“Ngưỡng rung tâm” là cường độ dòng điện xoay chiều (50 Hz) khoảng 100 mA và dòng điện một chiều 300 mA, tác động của dòng điện này trong thời gian hơn 0,5 giây có thể gây rung cơ tim. Ngưỡng này cũng được coi là gây tử vong có điều kiện cho con người.

Ở Nga, theo Quy tắc vận hành kỹ thuật lắp đặt điện của người tiêu dùng (Lệnh của Bộ Năng lượng Liên bang Nga ngày 13 tháng 1 năm 2003 số 6 “Về việc phê duyệt Quy tắc vận hành kỹ thuật lắp đặt điện của người tiêu dùng”) và Quy tắc bảo hộ lao động trong quá trình vận hành lắp đặt điện (Lệnh của Bộ Năng lượng Liên bang Nga ngày 27 tháng 12 năm 2000 N 163 “Về việc phê duyệt Quy tắc liên ngành về bảo vệ lao động (Quy tắc an toàn) đối với hoạt động của Lắp đặt điện"), 5 nhóm chứng nhận về an toàn điện đã được thành lập tùy thuộc vào trình độ và kinh nghiệm của nhân viên cũng như điện áp của lắp đặt điện.

Ghi chú

Baumgart K.K., Dòng điện.
BẰNG. Kasatkin. Kỹ thuật điện.
PHÍA NAM. Sindeev. Kỹ thuật điện với các yếu tố điện tử.

Hãy kết nối một đèn LED với pin AA và nếu đúng cực, nó sẽ sáng lên. Dòng điện sẽ được thiết lập theo hướng nào? Ngày nay, mọi người đều biết điều đó từ cộng đến trừ. Và bên trong pin, do đó, từ âm sang dương - dòng điện trong mạch điện kín này không đổi.

Hướng của dòng điện trong mạch thường được coi là hướng chuyển động của các hạt tích điện dương, nhưng trong kim loại, các electron chuyển động và như chúng ta biết, chúng mang điện tích âm. Điều này có nghĩa là trên thực tế khái niệm “hướng dòng điện” chỉ là một quy ước. Hãy tìm ra nó tại sao trong khi các electron chạy trong mạch từ âm sang dương, mọi người xung quanh đều nói rằng dòng điện chạy từ dương sang âm. Tại sao lại vô lý như vậy?

Câu trả lời nằm ở lịch sử phát triển của ngành kỹ thuật điện. Khi Franklin phát triển lý thuyết về điện, ông coi chuyển động của nó tương tự như chuyển động của chất lỏng dường như chảy từ cơ thể này sang cơ thể khác. Nơi nào có nhiều chất lỏng điện hơn, từ đó nó chảy theo hướng có ít chất lỏng điện hơn.

Đó là lý do tại sao Franklin gọi những vật thể dư thừa chất lỏng điện (có điều kiện!) là vật thể nhiễm điện dương, và vật thể thiếu chất lỏng điện - vật thể nhiễm điện âm. Đây là nơi nảy sinh ý tưởng chuyển động. Điện tích dương chảy, như thể thông qua một hệ thống mạch thông tin, từ vật thể tích điện này sang vật thể tích điện khác.

Sau đó, nhà nghiên cứu người Pháp Charles Dufay, trong các thí nghiệm của mình, đã chứng minh rằng không chỉ các vật bị cọ xát mà cả các vật bị cọ xát cũng nhiễm điện, và khi tiếp xúc, điện tích của cả hai vật đều bị trung hòa. Hóa ra thực tế có hai loại điện tích riêng biệt, khi tương tác với nhau sẽ trung hòa lẫn nhau. Lý thuyết về hai dòng điện này được phát triển bởi Robert Simmer cùng thời với Franklin, người đã bị thuyết phục rằng có điều gì đó không hoàn toàn đúng trong lý thuyết của Franklin.

Nhà vật lý người Scotland Robert Simmer mang hai đôi tất: một đôi bằng len cách nhiệt và một đôi bằng lụa thứ hai ở trên. Khi anh ta cởi cả hai chiếc tất ra khỏi chân cùng một lúc, rồi kéo chiếc tất này ra khỏi chiếc chiếc tất kia, anh ta quan sát được hình ảnh sau: chiếc tất len và chiếc tất lụa phồng lên, tạo thành hình chân của anh ta và đột ngột dính vào nhau. Đồng thời, những chiếc tất làm từ cùng một chất liệu như len và lụa sẽ đẩy nhau.

Nếu Simmer cầm hai chiếc tất lụa trong một tay và hai chiếc tất len ở tay kia, thì khi anh ta đưa hai tay lại gần nhau, lực đẩy của những chiếc tất cùng chất liệu và lực hút của những chiếc tất có chất liệu khác nhau đã dẫn đến một tương tác thú vị giữa chúng: không giống nhau. những chiếc tất dường như va vào nhau và quấn lại thành một quả bóng.

Những quan sát về hoạt động của những chiếc tất của chính mình đã khiến Robert Simmer kết luận rằng mỗi cơ thể không chỉ có một mà là hai chất lỏng điện - dương và âm, được chứa trong cơ thể với số lượng bằng nhau. Khi cọ xát hai vật thể, một trong số chúng có thể truyền từ vật này sang vật khác, sau đó ở một vật sẽ dư thừa một chất lỏng và ở vật kia sẽ thiếu chất lỏng. Cả hai vật sẽ bị nhiễm điện có điện tích trái dấu.

Tuy nhiên, hiện tượng tĩnh điện có thể được giải thích thành công bằng cách sử dụng cả giả thuyết Franklin và giả thuyết hai điện tích của Simmer. Những lý thuyết này đã cạnh tranh với nhau trong một thời gian. Khi Alessandro Volta tạo ra cột volta của mình vào năm 1779, sau đó quá trình điện phân được nghiên cứu, các nhà khoa học đã đi đến kết luận rõ ràng rằng thực sự có hai dòng hạt mang điện trái ngược nhau chuyển động trong dung dịch và chất lỏng - dương và âm. Lý thuyết nhị nguyên về dòng điện, mặc dù không phải ai cũng hiểu, nhưng đã chiến thắng.

Cuối cùng, vào năm 1820, phát biểu trước Viện Hàn lâm Khoa học Paris, Ampere đề xuất chọn một trong các hướng chuyển động của điện tích làm hướng chính của dòng điện. Thật thuận tiện cho anh ta khi làm điều này vì Ampere đang nghiên cứu sự tương tác của các dòng điện với nhau và dòng điện với nam châm. Và để mỗi khi nhắn tin, bạn không đề cập đến việc hai dòng điện tích trái dấu sẽ chuyển động theo hai hướng dọc theo một dây dẫn.

Ampe đề nghị chỉ cần lấy hướng chuyển động của điện dương làm hướng của dòng điện và luôn nói về hướng của dòng điện, nghĩa là chuyển động của điện tích dương. Kể từ đó, quan điểm về chiều dòng điện do Ampere đề xuất đã được chấp nhận ở mọi nơi và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Khi Maxwell phát triển lý thuyết điện từ và quyết định áp dụng quy tắc vít phải để thuận tiện cho việc xác định hướng của vectơ cảm ứng từ, ông cũng bám sát quan điểm này: chiều của dòng điện là chiều chuyển động của nguồn điện dương.

Ngược lại, Faraday lưu ý rằng hướng của dòng điện là có điều kiện; nó chỉ đơn giản là một phương tiện thuận tiện để các nhà khoa học xác định hướng của dòng điện một cách rõ ràng. Lenz, khi giới thiệu Quy tắc Lenz của mình (xem - ), cũng sử dụng thuật ngữ “hướng dòng điện”, nghĩa là sự chuyển động của điện dương. Nó chỉ là thuận tiện.

Và ngay cả sau khi Thomson phát hiện ra electron vào năm 1897, quy ước về chiều của dòng điện vẫn được giữ nguyên. Ngay cả khi chỉ có các electron thực sự chuyển động trong một dây dẫn hoặc trong chân không thì hướng ngược lại vẫn được coi là hướng của dòng điện - từ cộng sang trừ.

Hơn một thế kỷ sau khi phát hiện ra electron, bất chấp những ý tưởng của Faraday về ion, ngay cả với sự ra đời của ống chân không và bóng bán dẫn, mặc dù những khó khăn đã xuất hiện trong các mô tả, tình trạng thông thường vẫn tồn tại. Nó chỉ thuận tiện hơn khi hoạt động với dòng điện, điều hướng từ trường của chúng và điều này dường như không gây ra bất kỳ khó khăn thực sự nào cho bất kỳ ai.