Elektrisk ström eller elektrisk ström är en riktad (ordnad) rörelse av partiklar eller kvasi -partiklar - bärare av elektrisk laddning [1] [2] [3] . Den efterföljande elektromagnetiska interaktionen mellan laddade partiklar utförs inte direkt, utan genom ett elektromagnetiskt fält [4] . Utbredningshastigheten för den elektromagnetiska interaktionen (fältet) eller hastigheten för elektromagnetisk strålning når ljusets hastighet [5] , som är många gånger högre än själva rörelsehastigheten för de elektriska laddningsbärarna [6] .
Bärare av elektrisk laddning kan vara: i metaller - elektroner , i elektrolyter - joner ( katjoner och anjoner ), i gaser - joner och elektroner , i vakuum under vissa förhållanden - elektroner , i halvledare - elektroner eller hål ( elektronhålskonduktivitet ). Ur kvantfältteorins synvinkel är bäraren av elektromagnetisk interaktion en foton [7] .
Ibland kallas elektrisk ström också förskjutningsström , som är ett resultat av en förändring i tid av det elektriska fältet [8] .
Elektrisk ström har följande manifestationer:
Om laddade partiklar rör sig inuti makroskopiska kroppar i förhållande till ett visst medium, kallas en sådan ström ledande elektrisk ström . Om makroskopiska laddade kroppar rör sig (till exempel laddade regndroppar), så kallas denna ström konvektionsström [3] .
Det finns likström och växelström, samt alla typer av växelström. I sådana termer utelämnas ofta ordet "elektrisk".
Virvelströmmar (Foucaultströmmar) är "slutna elektriska strömmar i en massiv ledare som uppstår när det magnetiska flödet som penetrerar den ändras " [14] , därför är virvelströmmar induktionsströmmar. Ju snabbare det magnetiska flödet ändras, desto starkare är virvelströmmarna. Virvelströmmar flyter inte längs vissa banor i ledningarna, men när de sluter sig i ledaren bildar de virvelliknande konturer.
Förekomsten av virvelströmmar leder till hudeffekten, det vill säga till det faktum att den elektriska växelströmmen och det magnetiska flödet utbreder sig huvudsakligen i ledarens ytskikt. Virvelströmsvärmning av ledare leder till energiförluster, särskilt i kärnorna i AC-spolar. För att minska energiförlusterna på grund av virvelströmmar är växelströmsmagnetkretsarna uppdelade i separata plattor, isolerade från varandra och placerade vinkelrätt mot virvelströmmarnas riktning, vilket begränsar de möjliga konturerna av deras banor och avsevärt minskar storleken på dessa strömmar. . Vid mycket höga frekvenser, istället för ferromagneter, används magnetodielektrik för magnetiska kretsar, där virvelströmmar praktiskt taget inte uppstår på grund av det mycket höga motståndet.
Det är historiskt accepterat att strömriktningen sammanfaller med rörelseriktningen för positiva laddningar i en ledare . Dessutom, om de enda strömbärarna är negativt laddade partiklar (till exempel elektroner i en metall ), så är strömriktningen motsatt till rörelseriktningen för laddade partiklar [2] .
Hastigheten (driften) för den riktade rörelsen av partiklar i ledare som orsakas av ett externt fält beror på ledarens material, partiklarnas massa och laddning, omgivningstemperaturen , den applicerade potentialskillnaden och är mycket mindre än hastigheten på ljus . Under 1 sekund rör sig elektronerna i ledaren på grund av den ordnade rörelsen med mindre än 0,1 mm [6] - 20 gånger mindre än snigelns hastighet . Trots detta är utbredningshastigheten för den faktiska elektriska strömmen lika med ljusets hastighet (utbredningshastigheten för den elektromagnetiska vågfronten ). Det vill säga, platsen där elektronerna ändrar sin rörelsehastighet efter en spänningsändring rör sig med hastigheten för utbredning av elektromagnetiska svängningar.
Elektrisk ström har kvantitativa egenskaper: skalärströmstyrka och vektorströmtäthet .
Strömstyrkan är en fysisk storhet som är lika med förhållandet mellan mängden laddning som har passerat genom ledarens tvärsnitt under en tid och värdet av detta tidsintervall.
Strömstyrkan i International System of Units (SI) mäts i ampere (rysk beteckning: A; internationell: A).
Enligt Ohms lag är strömstyrkan i en kretssektion direkt proportionell mot spänningen som appliceras på denna sektion av kretsen, och omvänt proportionell mot dess motstånd :
Om den elektriska strömmen inte är konstant i kretssektionen, så förändras spänningen och strömstyrkan ständigt, medan för vanlig växelström är medelvärdena för spänning och strömstyrka lika med noll. Den genomsnittliga effekten av den värme som frigörs i detta fall är dock inte lika med noll. Därför används följande termer:
Strömtätheten är en vektor , vars absoluta värde är lika med förhållandet mellan strömmen som flyter genom en viss sektion av ledaren, vinkelrätt mot strömriktningen, till området för denna sektion och riktningen av vektorn sammanfaller med rörelseriktningen för de positiva laddningarna som bildar strömmen.
Enligt Ohms lag i differentiell form är strömtätheten i mediet proportionell mot den elektriska fältstyrkan och mediets konduktivitet :
I närvaro av ström i ledaren arbetar man mot motståndskrafterna. Det elektriska motståndet hos en ledare består av två komponenter:
I allmänhet frigörs det mesta av det arbete som utförs av en elektrisk ström som värme . Effekten av värmeförlust är ett värde lika med mängden värme som frigörs per tidsenhet. Enligt Joule-Lenz-lagen är värmeförlustens effekt i en ledare proportionell mot styrkan hos den strömmande strömmen och den pålagda spänningen:
Effekten mäts i watt .
I ett kontinuerligt medium bestäms den volymetriska effektförlusten av skalärprodukten av strömdensitetsvektorn och vektorn för elektrisk fältstyrka vid en given punkt:
Volumetrisk effekt mäts i watt per kubikmeter .
Strålningsmotståndet orsakas av bildandet av elektromagnetiska vågor runt ledaren. Detta motstånd är i komplext beroende av ledarens form och dimensioner, på våglängden på den emitterade vågen. För en enda rätlinjig ledare, i vilken strömmen är av samma riktning och styrka överallt, och vars längd L är mycket mindre än längden på den elektromagnetiska våg som emitteras av den , är motståndets beroende av våglängden och ledaren relativt enkelt:
Den mest använda elektriska strömmen med en standardfrekvens på 50 Hz motsvarar en våglängd på cirka 6 tusen kilometer, varför strålningseffekten vanligtvis är försumbart liten jämfört med värmeförlusteffekten. Men när strömfrekvensen ökar, minskar längden på den utsända vågen, och strålningseffekten ökar i enlighet därmed. En ledare som kan utstråla avsevärd energi kallas en antenn .
Begreppet frekvens hänvisar till en växelström som periodiskt ändrar styrka eller riktning. Detta inkluderar också den vanligaste strömmen, som varierar enligt en sinusformad lag .
En växelströmsperiod är den kortaste tidsperioden (uttryckt i sekunder) efter vilken förändringar i ström (och spänning) upprepas [15] . Antalet perioder som fullföljs av strömmen per tidsenhet kallas frekvensen. Frekvensen mäts i hertz , en hertz (Hz) motsvarar en period per sekund.
Ibland introduceras för enkelhets skull begreppet förskjutningsström. I Maxwells ekvationer är förskjutningsströmmen närvarande på samma nivå som den ström som orsakas av laddningarnas rörelse. Magnetfältets intensitet beror på den totala elektriska strömmen, som är lika med summan av ledningsströmmen och förskjutningsströmmen. Per definition är förskjutningsströmtätheten en vektorkvantitet proportionell mot förändringshastigheten för det elektriska fältet :
,där är den elektriska konstanten och är permittiviteten . När det elektriska fältet förändras, precis som med strömflödet, genereras ett magnetfält , vilket gör att dessa två processer liknar varandra. Dessutom åtföljs en förändring i det elektriska fältet vanligtvis av energiöverföring . Till exempel, när du laddar och laddar ur en kondensator , trots att det inte finns någon rörelse av laddade partiklar mellan dess plattor, talar de om en förskjutningsström som flyter genom den, bär lite energi och stänger den elektriska kretsen på ett märkligt sätt . Förskjutningsströmmen i kondensatorn bestäms av formeln:
,var är laddningen på kondensatorplattorna, är potentialskillnaden mellan plattorna, är kondensatorns kapacitans .
Förskjutningsström är inte en elektrisk ström, eftersom den inte är relaterad till rörelsen av en elektrisk laddning.
Till skillnad från dielektrikum innehåller ledare fria bärare av okompenserade laddningar, som under inverkan av en kraft, vanligtvis en skillnad i elektriska potentialer, sätter i rörelse och skapar en elektrisk ström. Ström-spänningskarakteristiken (strömstyrkans beroende av spänning) är den viktigaste egenskapen hos en ledare. För metalliska ledare och elektrolyter har den den enklaste formen: strömstyrkan är direkt proportionell mot spänningen (Ohms lag).
Metaller - här är strömbärarna ledningselektroner, som vanligtvis betraktas som en elektrongas, som tydligt visar kvantegenskaperna hos en degenererad gas.
Plasma är en joniserad gas. Elektrisk laddning bärs av joner (positiva och negativa) och fria elektroner, som bildas under påverkan av strålning (ultraviolett, röntgen och andra) och (eller) uppvärmning.
Elektrolyter är "flytande eller fasta ämnen och system där joner är närvarande i någon märkbar koncentration, vilket orsakar passage av en elektrisk ström" [17] . Joner bildas i processen för elektrolytisk dissociation. Vid upphettning minskar elektrolyternas motstånd på grund av en ökning av antalet molekyler som bryts ned till joner. Som ett resultat av strömpassagen genom elektrolyten närmar sig jonerna elektroderna och neutraliseras och sätter sig på dem. Faradays elektrolyslagar bestämmer massan av ämnet som frigörs på elektroderna.
Det finns också en elektrisk ström av elektroner i vakuum, som används i katodstråleapparater [3] .
Atmosfärisk elektricitet är den elektricitet som finns i luften. För första gången visade närvaron av elektricitet i luften och förklarade orsaken till åskan och blixten Benjamin Franklin [18] . Därefter fastställdes att elektricitet ackumuleras i kondensationen av ångor i den övre atmosfären, och följande lagar indikerades, vilken atmosfärisk elektricitet följer:
Den totala strömmen som flyter till hela jordens yta , i detta fall, är ungefär 1800 A [20] .
Blixtnedslag är en naturlig gnistgivande elektrisk urladdning. Norrskens elektriska karaktär fastställdes . Elmos eldar är en naturlig corona elektrisk urladdning.
Bioströmmar - rörelsen av joner och elektroner spelar en mycket viktig roll i alla livsprocesser. Den biopotential som skapas i detta fall finns både på intracellulär nivå och i enskilda delar av kroppen och organen. Överföringen av nervimpulser sker med hjälp av elektrokemiska signaler. Vissa djur ( elektriska strålar , elektrisk ål ) kan ackumulera en potential på flera hundra volt och använda detta för självförsvar.
När man studerade den elektriska strömmen upptäcktes många av dess egenskaper, vilket gjorde det möjligt för den att hitta praktiska tillämpningar inom olika områden av mänsklig aktivitet, och till och med skapa nya områden som inte skulle vara möjliga utan existensen av en elektrisk ström. Efter att elektrisk ström funnit praktisk tillämpning, och av den anledningen att elektrisk ström kan erhållas på olika sätt, uppstod ett nytt koncept inom det industriella området - elkraftindustrin .
Elektrisk ström används som bärare av signaler av varierande komplexitet och typer inom olika områden (telefon, radio, kontrollpanel, dörrlåsknapp och så vidare).
I vissa fall uppstår oönskade elektriska strömmar, såsom ströströmmar eller kortslutningsström.
Människokroppen är en ledare av elektrisk ström. Människans motståndskraft med torr och intakt hud sträcker sig från 3 till 100 kOhm.
Strömmen som passerar genom människo- eller djurkroppen leder till följande effekter:
Den huvudsakliga faktorn som bestämmer resultatet av elektriska stötar är mängden ström som passerar genom människokroppen. Enligt säkerhetsåtgärder klassificeras elektrisk ström enligt följande:
Det omfattar juridiska, socioekonomiska, organisatoriska och tekniska, sanitära och hygieniska, medicinska och förebyggande, rehabiliterings- och andra åtgärder. Elsäkerhetsregler regleras av juridiska och tekniska dokument, regelverk och tekniska ramar. Kunskaper om grunderna i elsäkerhet är obligatoriska för personal som servar elinstallationer och elektrisk utrustning.
I Ryssland har, i enlighet med reglerna för teknisk drift av elektriska installationer för konsumenter [21] och reglerna för arbetarskydd under drift av elektriska installationer [22] , 5 kvalifikationsgrupper för elsäkerhet upprättats, beroende på kvalifikationerna och erfarenhet av den anställde och spänningen i elektriska installationer.
I Ryssland är de reglerande dokumenten som reglerar de högsta tillåtna nivåerna (MPL) för exponering för elektromagnetisk strålning:
Tillåtna nivåer av strålning från olika sändande radioutrustningar vid frekvenser > 300 MHz i sanitära bostadsområden i vissa länder skiljer sig markant:
Ordböcker och uppslagsverk | ||||
---|---|---|---|---|
|
Energi | |||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
struktur efter produkter och branscher | |||||||||||||||||||||||||||
Kraftindustri : el |
| ||||||||||||||||||||||||||
Värmetillförsel : värmeenergi |
| ||||||||||||||||||||||||||
Bränsleindustri : bränsle _ |
| ||||||||||||||||||||||||||
Lovande energi : |
| ||||||||||||||||||||||||||
Portal: Energi |