Ruch elektryczny. Co to jest prąd elektryczny i jakie są warunki jego istnienia

Prąd elektryczny to ukierunkowany ruch naładowanych cząstek, który zachodzi pod wpływem prądu elektrycznego.

Jak generowany jest prąd?

Prąd elektryczny pojawia się w substancji pod warunkiem obecności wolnych (niezwiązanych) naładowanych cząstek. Nośniki ładunku mogą znajdować się w ośrodku początkowo lub powstawać pod wpływem czynników zewnętrznych (jonizatory, pole elektromagnetyczne, temperatura).

W przypadku braku pola elektrycznego ich ruchy są chaotyczne, a po podłączeniu do dwóch punktów substancje zostają skierowane - od jednego potencjału do drugiego.

Liczba takich cząstek wpływa - rozróżnij przewodniki, półprzewodniki, dielektryki.

Skąd bierze się prąd?

Procesy powstawania prądu elektrycznego w różnych środowiskach mają swoje własne cechy:

1. w metalachładunek jest przenoszony przez swobodne cząstki naładowane ujemnie - elektrony. Nie następuje przeniesienie samej substancji - jony metali pozostają w swoich węzłach sieci krystalicznej. Po podgrzaniu zwiększają się chaotyczne oscylacje jonów w pobliżu położenia równowagi, co zakłóca uporządkowany ruch elektronów - zmniejsza się przewodność metalu.
2. w płynach(elektrolity) nośnikami ładunku są jony - naładowane atomy i rozpadające się cząsteczki, których powstawanie jest spowodowane dysocjacją elektrolityczną. Uporządkowany ruch w tym przypadku to ich ruch do przeciwnie naładowanych elektrod, na których zostają zneutralizowane i osadzone.
   

   Kationy (jony dodatnie) przemieszczają się w kierunku katody (elektroda ujemna), a aniony (jony ujemne) przemieszczają się w stronę anody (elektroda dodatnia). Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta przewodność elektrolitu, ponieważ wzrasta liczba cząsteczek rozkładanych na jony.

3. W gazach plazma powstaje pod wpływem różnicy potencjałów. Cząstki naładowane to jony plus i minus oraz wolne elektrony powstające pod wpływem jonizatora.
4. w odkurzaczu prąd elektryczny istnieje w postaci strumienia elektronów przemieszczających się od katody do anody.
5. w półprzewodnikach elektrony przemieszczające się z jednego atomu na drugi uczestniczą w ruchu ukierunkowanym, a powstałe w tym przypadku wakaty to dziury, które umownie uważa się za dodatnie.
   

   W niskich temperaturach półprzewodniki mają właściwości zbliżone do izolatorów, ponieważ elektrony są zajęte przez kowalencyjne wiązania atomów sieci krystalicznej.

   Wraz ze wzrostem temperatury elektrony walencyjne otrzymują wystarczającą ilość energii, aby rozerwać wiązania i uwolnić się. Odpowiednio, im wyższa temperatura, tym lepsza przewodność półprzewodnika.

Obejrzyj poniższy film, aby zapoznać się ze szczegółową historią prądu elektrycznego:

Https:="">pole magnetyczne, promieniowanie jonizujące.

https:="">amperomierz.

Natężenie prądu mierzy się w amperach(A) i reprezentuje ilość ładunku przechodzącego przez przekrój poprzeczny materiału przewodzącego w jednostce czasu. Jednostką miary natężenia prądu jest amper (A). Jeden amper jest równy stosunkowi jednego kulomba (C) do jednej sekundy.

Gęstość prądu to stosunek natężenia prądu do obszaru tej sekcji. Jednostką miary jest amper na metr kwadratowy (A/m2).

Poniżej film o sile prądu elektrycznego w ramach szkolnego programu nauczania:

Ukierunkowany (uporządkowany) ruch cząstek, nośników ładunku elektrycznego, w polu elektromagnetycznym.

Czym jest prąd elektryczny w różnych substancjach? Weźmy odpowiednio poruszające się cząstki:

• w metalach - elektrony,
• w elektrolitach – jony (kationy i aniony),
• w gazach - jony i elektrony,
• w próżni w określonych warunkach - elektrony,
• w półprzewodnikach - dziury (przewodnictwo elektron-dziura).

Czasami prąd elektryczny nazywany jest również prądem przemieszczenia wynikającym ze zmiany pola elektrycznego w czasie.

Prąd elektryczny objawia się w następujący sposób:

• nagrzewa przewodniki (zjawisko to nie jest obserwowane w nadprzewodnikach);
• zmienia skład chemiczny przewodnika (zjawisko to jest charakterystyczne przede wszystkim dla elektrolitów);
• tworzy pole magnetyczne (objawiające się we wszystkich przewodnikach bez wyjątku).

Jeśli naładowane cząstki poruszają się wewnątrz ciał makroskopowych względem określonego ośrodka, wówczas taki prąd nazywany jest „prądem przewodzenia” elektrycznym. Jeśli poruszają się makroskopowe naładowane ciała (na przykład naładowane krople deszczu), wówczas prąd ten nazywa się „konwekcją”.

Prądy dzielimy na stałe i zmienne. Istnieją również różne rodzaje prądu przemiennego. Przy określaniu rodzajów prądu pomija się słowo „elektryczny”.

• DC- prąd, którego kierunek i wielkość nie zmieniają się w czasie. Może być pulsujący, np. zmienna wyprostowana, która jest jednokierunkowa.
• Prąd przemienny jest prądem elektrycznym zmieniającym się w czasie. Prąd przemienny to każdy prąd, który nie jest bezpośredni.
• Prąd okresowy- prąd elektryczny, którego wartości chwilowe powtarzają się w regularnych odstępach czasu w niezmienionej kolejności.
• Prąd sinusoidalny- okresowy prąd elektryczny, który jest sinusoidalną funkcją czasu. Wśród prądów przemiennych głównym jest prąd, którego wartość zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym. Każdy okresowy prąd niesinusoidalny można przedstawić jako kombinację sinusoidalnych składowych harmonicznych (harmonicznych) z odpowiednimi amplitudami, częstotliwościami i fazami początkowymi. W tym przypadku potencjał elektrostatyczny każdego końca przewodnika zmienia się w stosunku do potencjału drugiego końca przewodnika naprzemiennie z dodatniego na ujemny i odwrotnie, przechodząc przez wszystkie potencjały pośrednie (w tym potencjał zerowy). W rezultacie powstaje prąd, który stale zmienia kierunek: poruszając się w jednym kierunku, zwiększa się, osiągając maksimum, zwane wartością amplitudy, następnie maleje, w pewnym momencie osiąga zero, a następnie ponownie wzrasta, ale w drugim kierunku, a także osiąga wartość maksymalną, spada, aby następnie ponownie przejść przez zero, po czym cykl wszystkich zmian zostaje wznowiony.
• Prąd quasi-stacjonarny- stosunkowo wolno zmieniający się prąd przemienny, dla wartości chwilowych, dla których prawa prądu stałego są spełnione z wystarczającą dokładnością. Prawa te to prawo Ohma, reguły Kirchhoffa i inne. Prąd quasi-stacjonarny, podobnie jak prąd stały, ma tę samą siłę prądu we wszystkich odcinkach obwodu nierozgałęzionego. Przy obliczaniu quasi-stacjonarnych obwodów prądowych ze względu na pojawiające się e. ds. Indukcje pojemności i indukcyjności są uwzględniane jako parametry skupione. Quasi-stacjonarne to zwykłe prądy przemysłowe, z wyjątkiem prądów w dalekobieżnych liniach przesyłowych, w których nie jest spełniony warunek quasi-stacjonarności wzdłuż linii.
• prąd o wysokiej częstotliwości- prąd przemienny (zaczynając od częstotliwości około kilkudziesięciu kHz), dla którego istotne stają się zjawiska, które są albo przydatne, decydując o jego zastosowaniu, albo szkodliwe, wobec którego podejmowane są niezbędne środki zaradcze, takie jak promieniowanie fal elektromagnetycznych i efekt skóry. Ponadto, jeśli długość fali promieniowania prądu przemiennego stanie się porównywalna z wymiarami elementów obwodu elektrycznego, wówczas naruszony zostanie warunek quasi-stacjonarności, co wymaga specjalnego podejścia do obliczania i projektowania takich obwodów.
• Prąd tętniący jest okresowym prądem elektrycznym, którego średnia wartość w okresie jest różna od zera.
• Prąd jednokierunkowy jest prądem elektrycznym, który nie zmienia swojego kierunku.

prądy wirowe

Prądy wirowe (lub prądy Foucaulta) to zamknięte prądy elektryczne w masywnym przewodniku, które powstają, gdy zmienia się przenikający przez niego strumień magnetyczny, dlatego prądy wirowe są prądami indukcyjnymi. Im szybciej zmienia się strumień magnetyczny, tym silniejsze są prądy wirowe. Prądy wirowe nie płyną określonymi ścieżkami w drutach, ale zamykając się w przewodniku, tworzą kontury przypominające wir.

Istnienie prądów wirowych prowadzi do efektu naskórkowości, czyli do tego, że przemienny prąd elektryczny i strumień magnetyczny rozchodzą się głównie w warstwie powierzchniowej przewodnika. Nagrzewanie przewodów prądem wiroprądowym prowadzi do strat energii, zwłaszcza w rdzeniach cewek prądu przemiennego. Aby zmniejszyć straty energii spowodowane prądami wirowymi, stosuje się podział obwodów magnetycznych prądu przemiennego na osobne płytki, odizolowane od siebie i umieszczone prostopadle do kierunku prądów wirowych, co ogranicza możliwe kontury ich torów i znacznie zmniejsza wielkość tych prądów. Przy bardzo wysokich częstotliwościach zamiast ferromagnesów w obwodach magnetycznych stosuje się magnetodielektryki, w których ze względu na bardzo dużą rezystancję prądy wirowe praktycznie nie występują.

Charakterystyka

Historycznie przyjmuje się, że „„kierunek prądu” „” pokrywa się z kierunkiem ruchu ładunków dodatnich w przewodniku. W takim przypadku, jeśli jedynymi nośnikami prądu są cząstki naładowane ujemnie (na przykład elektrony w metalu), wówczas kierunek prądu jest przeciwny do kierunku ruchu naładowanych cząstek.

Prędkość dryfu elektronów

Prędkość dryfu ukierunkowanego ruchu cząstek w przewodnikach wywołanego przez pole zewnętrzne zależy od materiału przewodnika, masy i ładunku cząstek, temperatury otoczenia, przyłożonej różnicy potencjałów i jest znacznie mniejsza niż prędkość światła . W ciągu 1 sekundy elektrony w przewodniku poruszają się uporządkowanym ruchem o mniej niż 0,1 mm. Mimo to prędkość propagacji rzeczywistego prądu elektrycznego jest równa prędkości światła (prędkości propagacji czoła fali elektromagnetycznej). Oznacza to, że miejsce, w którym elektrony zmieniają prędkość ruchu po zmianie napięcia, porusza się z prędkością propagacji oscylacji elektromagnetycznych.

Siła i gęstość prądu

Prąd elektryczny ma charakterystykę ilościową: skalarną - siłę prądu i wektorową - gęstość prądu.

Prąd siłowy a jest wielkością fizyczną równą stosunkowi ilości ładunku

Zniknęło na jakiś czas

przez przekrój przewodu do wartości tego przedziału czasu.

Natężenie prądu w SI mierzy się w amperach (oznaczenie międzynarodowe i rosyjskie: A).

Zgodnie z prawem Ohma prąd

w części obwodu jest wprost proporcjonalna do napięcia elektrycznego

Stosowany do tej części obwodu i jest odwrotnie proporcjonalny do jego rezystancji

Jeśli prąd elektryczny w odcinku obwodu nie jest stały, wówczas napięcie i natężenie prądu stale się zmieniają, podczas gdy dla zwykłego prądu przemiennego średnie wartości napięcia i natężenia prądu są równe zeru. Jednak średnia moc wydzielanego ciepła w tym przypadku nie jest równa zeru.

Dlatego stosuje się następujące określenia:

• chwilowe napięcie i prąd, czyli działające w danym momencie.
• szczytowe napięcie i prąd, czyli maksymalne wartości bezwzględne
• efektywna (efektywna) siła napięcia i prądu zależy od efektu cieplnego prądu, to znaczy mają te same wartości, które mają dla prądu stałego z tym samym efektem termicznym.

gęstość prądu- wektor, którego wartość bezwzględna jest równa stosunkowi natężenia prądu płynącego przez pewien odcinek przewodnika, prostopadle do kierunku prądu, do pola tego odcinka i kierunku wektor pokrywa się z kierunkiem ruchu ładunków dodatnich tworzących prąd.

Zgodnie z prawem Ohma w postaci różniczkowej, gęstość prądu w ośrodku

proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego

i przewodność ośrodka

Moc

W obecności prądu w przewodniku wykonywana jest praca wbrew siłom oporu. Opór elektryczny dowolnego przewodnika składa się z dwóch elementów:

• opór aktywny - odporność na wytwarzanie ciepła;
• reaktancja - opór wynikający z przeniesienia energii do pola elektrycznego lub magnetycznego (i odwrotnie).

Ogólnie rzecz biorąc, większość pracy wykonanej przez prąd elektryczny jest uwalniana w postaci ciepła. Moc strat ciepła jest wartością równą ilości ciepła uwolnionego w jednostce czasu. Zgodnie z prawem Joule'a-Lenza moc strat ciepła w przewodniku jest proporcjonalna do natężenia płynącego prądu i przyłożonego napięcia:

Moc mierzona jest w watach.

W ośrodku ciągłym objętościowa strata mocy

jest określany przez iloczyn skalarny wektora gęstości prądu

i wektor natężenia pola elektrycznego

w tym momencie:

Moc wolumetryczną mierzy się w watach na metr sześcienny.

Oporność na promieniowanie wynika z powstawania fal elektromagnetycznych wokół przewodnika. Opór ten jest w złożonej zależności od kształtu i wymiarów przewodnika, od długości fali emitowanej fali. Dla pojedynczego przewodnika prostoliniowego, w którym wszędzie prąd ma ten sam kierunek i siłę, a którego długość L jest znacznie mniejsza od długości emitowanej przez niego fali elektromagnetycznej

Zależność rezystancji od długości fali i przewodnika jest stosunkowo prosta:

Najczęściej używany prąd elektryczny o standardowej częstotliwości 50 „Hz” odpowiada długości fali około 6 tysięcy kilometrów, dlatego moc promieniowania jest zwykle pomijalnie mała w porównaniu z mocą strat ciepła. Jednakże wraz ze wzrostem częstotliwości prądu długość emitowanej fali maleje, a moc promieniowania odpowiednio wzrasta. Przewodnik zdolny do wypromieniowania znacznej energii nazywany jest anteną.

Częstotliwość

Częstotliwość odnosi się do prądu przemiennego, który okresowo zmienia siłę i/lub kierunek. Obejmuje to również najczęściej używany prąd, który zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym.

Okres prądu przemiennego to najkrótszy okres czasu (wyrażony w sekundach), po którym powtarzają się zmiany prądu (i napięcia). Liczba okresów wypełnionych przez prąd w jednostce czasu nazywana jest częstotliwością. Częstotliwość mierzona jest w hercach, jeden herc (Hz) odpowiada jednemu cyklowi na sekundę.

Prąd polaryzacji

Czasami dla wygody wprowadza się pojęcie prądu przemieszczenia. W równaniach Maxwella prąd przemieszczenia występuje na równi z prądem powodowanym przez ruch ładunków. Natężenie pola magnetycznego zależy od całkowitego prądu elektrycznego, który jest równy sumie prądu przewodzenia i prądu przemieszczenia. Z definicji gęstość prądu polaryzacji

Wielkość wektorowa proporcjonalna do szybkości zmian pola elektrycznego

w samą porę:

Faktem jest, że gdy zmienia się pole elektryczne, a także gdy przepływa prąd, generowane jest pole magnetyczne, co upodabnia te dwa procesy do siebie. Ponadto zmianom pola elektrycznego zwykle towarzyszy transfer energii. Na przykład podczas ładowania i rozładowywania kondensatora, mimo że pomiędzy jego płytkami nie ma ruchu naładowanych cząstek, mówi się o przepływającym przez niego prądzie przemieszczenia, niosącym pewną energię i w swoisty sposób zamykającym obwód elektryczny. Prąd polaryzacji

w kondensatorze określa się według wzoru:

Ładunek na płytkach kondensatora,

Napięcie elektryczne pomiędzy płytami,

Pojemność elektryczna kondensatora.

Prąd przemieszczenia nie jest prądem elektrycznym, ponieważ nie jest związany z ruchem ładunku elektrycznego.

Główne typy przewodników

W przeciwieństwie do dielektryków przewodniki zawierają swobodne nośniki nieskompensowanych ładunków, które pod działaniem siły, zwykle różnicy potencjałów elektrycznych, wprawiają w ruch i wytwarzają prąd elektryczny. Najważniejszą cechą przewodnika jest charakterystyka prądowo-napięciowa (zależność natężenia prądu od napięcia). W przypadku przewodników metalicznych i elektrolitów ma najprostszą postać: natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia (prawo Ohma).

Metale – tutaj nośnikami prądu są elektrony przewodzące, które zwykle są uważane za gaz elektronowy, wyraźnie wykazując właściwości kwantowe gazu zdegenerowanego.

Plazma jest zjonizowanym gazem. Ładunek elektryczny przenoszony jest przez jony (dodatnie i ujemne) oraz wolne elektrony, które powstają pod wpływem promieniowania (ultrafioletowego, rentgenowskiego i innych) i (lub) ogrzewania.

Elektrolity to ciekłe lub stałe substancje i układy, w których jony występują w dowolnym zauważalnym stężeniu, powodując przepływ prądu elektrycznego. Jony powstają w procesie dysocjacji elektrolitycznej. Po podgrzaniu opór elektrolitów zmniejsza się ze względu na wzrost liczby cząsteczek rozkładanych na jony. W wyniku przepływu prądu przez elektrolit jony zbliżają się do elektrod i ulegają neutralizacji, osadzając się na nich. Prawa elektrolizy Faradaya określają masę substancji uwolnionej na elektrodach.

Istnieje również prąd elektryczny elektronów w próżni, który jest stosowany w urządzeniach katodowych.

Prądy elektryczne w przyrodzie

Energia elektryczna atmosferyczna to energia elektryczna zawarta w powietrzu. Po raz pierwszy Benjamin Franklin wykazał obecność prądu elektrycznego w powietrzu i wyjaśnił przyczynę grzmotów i błyskawic.

Następnie ustalono, że energia elektryczna gromadzi się podczas kondensacji par w górnych warstwach atmosfery i wskazano następujące prawa, którymi kieruje się elektryczność atmosferyczna:

• przy czystym niebie, a także pochmurnym niebie, elektryczność atmosfery jest zawsze dodatnia, jeśli w pewnej odległości od punktu obserwacyjnego nie pada deszcz, grad ani śnieg;
• napięcie prądu elektrycznego chmur staje się na tyle silne, aby uwolnić je z otoczenia dopiero wtedy, gdy pary chmur skondensują się w krople deszczu, o czym świadczy fakt, że w miejscu obserwacji nie ma wyładowań atmosferycznych bez deszczu, śniegu lub gradu, z wyłączeniem powrotny uderzenie pioruna;
• elektryczność atmosferyczna wzrasta wraz ze wzrostem wilgotności i osiąga maksimum, gdy spada deszcz, grad i śnieg;
• miejsce, w którym pada deszcz, jest zbiornikiem elektryczności dodatniej, otoczonym pasem elektryczności ujemnej, który z kolei jest zamknięty w pasie elektryczności dodatniej. Na granicach tych pasów naprężenie wynosi zero.

Ruch jonów pod wpływem sił pola elektrycznego tworzy w atmosferze pionowy prąd przewodzenia o średniej gęstości równej około (2÷3)·10 −12 A/m².

Całkowity prąd płynący przez całą powierzchnię Ziemi wynosi około 1800 A.

Piorun to naturalne iskrzące wyładowanie elektryczne. Ustalono elektryczną naturę zórz polarnych. Ognie św. Elma to naturalne wyładowania elektryczne typu koronowego.

Bioprądy - ruch jonów i elektronów odgrywa bardzo istotną rolę we wszystkich procesach życiowych. Wytworzony w tym przypadku biopotencjał istnieje zarówno na poziomie wewnątrzkomórkowym, jak i w poszczególnych częściach ciała i narządach. Przekazywanie impulsów nerwowych odbywa się za pomocą sygnałów elektrochemicznych. Niektóre zwierzęta (promienie elektryczne, węgorze elektryczne) są w stanie zgromadzić potencjał kilkuset woltów i wykorzystać go do samoobrony.

Aplikacja

Badając prąd elektryczny, odkryto wiele jego właściwości, co pozwoliło mu znaleźć praktyczne zastosowania w różnych dziedzinach działalności człowieka, a nawet stworzyć nowe obszary, które nie byłyby możliwe bez istnienia prądu elektrycznego. Po tym, jak prąd elektryczny znalazł praktyczne zastosowanie i dlatego, że można go pozyskiwać na różne sposoby, w sferze przemysłowej pojawiła się nowa koncepcja - elektroenergetyka.

Prąd elektryczny służy jako nośnik sygnałów o różnym stopniu złożoności i rodzaju w różnych obszarach (telefon, radio, panel sterowania, przycisk zamka drzwi itp.).

W niektórych przypadkach pojawiają się niepożądane prądy elektryczne, takie jak prądy błądzące lub prądy zwarciowe.

Wykorzystanie prądu elektrycznego jako nośnika energii

• pozyskiwanie energii mechanicznej w różnych silnikach elektrycznych,
• pozyskiwanie energii cieplnej w urządzeniach grzewczych, piecach elektrycznych, podczas spawania elektrycznego,
• pozyskiwanie energii świetlnej w urządzeniach oświetleniowych i sygnalizacyjnych,
• wzbudzenie drgań elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości, ultrawysokiej częstotliwości i fal radiowych,
• odbieranie dźwięku,
• otrzymywanie różnych substancji poprzez elektrolizę, ładowanie akumulatorów elektrycznych. To tutaj energia elektromagnetyczna zamieniana jest na energię chemiczną.
• wytwarzanie pola magnetycznego (w elektromagnesach).

Zastosowanie prądu elektrycznego w medycynie

• diagnostyka - bioprądy zdrowych i chorych narządów są różne, można natomiast określić chorobę, jej przyczyny i zalecić leczenie. Dział fizjologii zajmujący się badaniem zjawisk elektrycznych w organizmie nazywa się elektrofizjologią.
  • Elektroencefalografia to metoda badania stanu funkcjonalnego mózgu.
  • Elektrokardiografia to technika rejestracji i badania pól elektrycznych podczas pracy serca.
  • Elektrogastrografia to metoda badania aktywności motorycznej żołądka.
  • Elektromiografia to metoda badania potencjałów bioelektrycznych zachodzących w mięśniach szkieletowych.
• Leczenie i resuscytacja: stymulacja elektryczna określonych obszarów mózgu; leczeniu choroby Parkinsona i padaczki, także do elektroforezy. W przypadku bradykardii i innych zaburzeń rytmu serca stosuje się rozrusznik stymulujący mięsień sercowy prądem pulsacyjnym.

bezpieczeństwo elektryczne

Obejmuje środki prawne, społeczno-ekonomiczne, organizacyjno-techniczne, sanitarno-higieniczne, lecznicze i profilaktyczne, rehabilitacyjne i inne. Zasady bezpieczeństwa elektrycznego regulują dokumenty prawne i techniczne, ramy regulacyjne i techniczne. Znajomość podstaw bezpieczeństwa elektrycznego jest obowiązkowa dla personelu obsługującego instalacje elektryczne i urządzenia elektryczne. Ciało ludzkie jest przewodnikiem prądu elektrycznego. Opór człowieka przy suchej i nieuszkodzonej skórze wynosi od 3 do 100 kOhm.

Prąd przepływający przez ciało człowieka lub zwierzęcia powoduje następujące działania:

• termiczne (oparzenia, rozgrzanie i uszkodzenie naczyń krwionośnych);
• elektrolityczny (rozkład krwi, naruszenie składu fizykochemicznego);
• biologiczne (podrażnienie i pobudzenie tkanek ciała, drgawki)
• mechaniczne (pękanie naczyń krwionośnych pod wpływem ciśnienia pary powstałej w wyniku ogrzewania strumieniem krwi)

Głównym czynnikiem decydującym o wyniku porażenia prądem elektrycznym jest ilość prądu przepływającego przez ciało człowieka. Zgodnie ze środkami bezpieczeństwa prąd elektryczny klasyfikuje się w następujący sposób:

• „bezpieczny” to prąd, którego długi przepływ przez organizm człowieka nie szkodzi mu i nie powoduje żadnych wrażeń, jego wartość nie przekracza 50 μA (prąd przemienny 50 Hz) i 100 μA prąd stały;
• „Minimalny odczuwalny” prąd przemienny wynosi około 0,6-1,5 mA (prąd przemienny 50 Hz) i 5-7 mA prąd stały;
• próg „nieprzepuszczania” to minimalny prąd o takiej sile, przy którym człowiek wysiłkiem woli nie jest już w stanie oderwać rąk od części przewodzącej prąd. Dla prądu przemiennego jest to około 10-15 mA, dla prądu stałego - 50-80 mA;
• „Próg migotania” odnosi się do prądu przemiennego (50 Hz) o natężeniu około 100 mA i 300 mA prądu stałego, trwającego dłużej niż 0,5 s, który prawdopodobnie spowoduje migotanie mięśnia sercowego. Próg ten jest jednocześnie uważany za warunkowo śmiertelny dla człowieka.

W Rosji, zgodnie z Zasadami technicznej eksploatacji instalacji elektrycznych konsumentów (Zarządzenie Ministerstwa Energii Federacji Rosyjskiej z dnia 13 stycznia 2003 r. Nr 6 „W sprawie zatwierdzenia zasad technicznej eksploatacji instalacji elektrycznych konsumenci”) oraz Zasady ochrony pracy podczas eksploatacji instalacji elektrycznych (Zarządzenie Ministerstwa Energii Federacji Rosyjskiej z dnia 27 grudnia 2000 r. N 163 „W sprawie zatwierdzenia Międzysektorowych zasad ochrony pracy (Zasady bezpieczeństwa) dotyczące eksploatacji Instalacji Elektrycznych”), utworzono 5 grup kwalifikacyjnych z zakresu bezpieczeństwa elektrycznego, w zależności od kwalifikacji i stażu pracy pracownika oraz napięcia instalacji elektrycznych.

Notatki

• Baumgart K. K., Prąd elektryczny.
• JAK. Kasatkin. Inżynieria elektryczna.
• POŁUDNIE. Sindeev. Elektrotechnika z elementami elektronicznymi.

Prąd elektryczny jest jednym z głównych procesów zachodzących w absolutnie każdym obwodzie elektronicznym (w obwodzie elektrycznym). Badanie tego procesu znacznie ułatwi zrozumienie innych procesów zachodzących w obwodach elektrycznych w przyszłości.

Aby głębiej zrozumieć istotę prądu elektrycznego, polecam najpierw zapoznać się z naturą występowania. Wcześniej dowiedzieliśmy się, że pocierając plastikowy patyk o wełnę, pod wpływem sił tarcia, pewna ilość elektronów opuszcza warstwę powierzchniową pręta, która zostaje naładowana dodatnio. Kiedy szklany pręt pociera się o jedwab, staje się on naładowany ujemnie, gdy elektrony opuszczają atomy z górnych warstw jedwabiu i osadzają się na szkle.

Zatem mamy jeden drążek z nadmiarem elektronów, więc mówimy, że jest naładowany ujemnie, a drugi drążek z niedoborem elektronów, więc mówimy, że jest naładowany dodatnio.

Ponieważ wszystko jestPonieważ natura ma tendencję do równoważenia, to łącząc oba przeciwnie naładowane pręty z przewodnikiem, swobodne elektrony natychmiast przejdą ze szklanego pręta do plastikowego, ze strefy ich nadmiaru do strefy niedoboru. W rezultacie oba pręty staną się naładowane neutralnie i pozbawione wolnych elektronów, które mogłyby łatwo się poruszać. Proces przemieszczania elektronów wzdłuż przewodnika pomiędzy drążkami Elektryczność .

Prąd elektryczny może wykonywać pożyteczną pracę, taką jak zapalanie diody LED i rozprowadzaniepostawiony na jego drodze.

Użyteczną pracę ładunków można przedstawić na przykładzie autobusu. Jeśli autobus bez pasażerów jechał z miasta A do miasta B, to autobus nie wykonał żadnej użytecznej pracy i na próżno zużywał paliwo. Autobus, który przewoził pasażerów, wykonał pożyteczną robotę. Podobnie działa prąd elektryczny, dlatego na jego torze umieszczany jest ładunek, na którym wykonywana jest praca użyteczna.

Dioda LED połączona przewodami z potartymi pałeczkami świeci bardzo krótko, gdyż wolne ładunki ujemne natychmiast przemieszczają się z obszaru ich nadmiaru do obszaru niedoboru i następuje równowaga.

Generator

Aby dioda LED świeciła przez długi czas, konieczne jest utrzymanie prądu elektrycznego poprzez uzupełnianie ładunków na patykach, czyli ciągłe pocieranie ich odpowiednio o wełnę i jedwab. Ale ta metoda jest trudna do wdrożenia w praktyce i nieskuteczna. Dlatego stosuje się znacznie bardziej praktyczny sposób utrzymania wymaganej ilości nośników energii.

Urządzenie, które stale tworzy lub generuje ładunki o różnych znakach, nazywa się generatorem lub ogólnie źródłem zasilania. Najprostszym generatorem jest akumulator, który bardziej poprawnie nazywany jest ogniwem galwanicznym. W przeciwieństwie do sztyftów, w których ładunki powstają na skutek sił tarcia, w ogniwie galwanicznym ładunki przeciwne powstają w wyniku reakcji chemicznych.

Prąd elektryczny i warunki jego przepływu

Teraz możemy wyciągnąć pierwsze ważne wstępne wnioski i wyznaczyć warunki przepływu prądu elektrycznego.

1. Pierwszy. Aby wytworzyć prąd elektryczny, ścieżka ruchu ładunków musi być zamknięta.
2. Drugi. Aby utrzymać prąd elektryczny, konieczne jest, aby na początku ścieżki uzupełnić zapas ładunków, a na końcu ścieżki je usunąć, zwalniając miejsce dla nowo przybyłych ładunków.
3. Trzeci. Aby ładunki mogły wykonać użyteczną pracę, należy umieścić na przykład żarnik żarówki, diodę LED lub uzwojenie silnika, które w ogólnym przypadku nazywane jest potocznie obciążeniem lub odbiornikiem. na ich drodze.

Ogólnie rzecz biorąc, najprostszy obwód elektryczny składa się z generatora, obciążenia i przewodów łączących generator z obciążeniem.

Siła elektromotoryczna EMF

Głównym zadaniem każdego źródła zasilania jest tworzenie i utrzymywanie stałej wartości przeciwnych ładunków na zaciskach, zwanych elektrodami. Im większa liczba ładunków, tym bardziej są one przyciągane do siebie i tym samym intensywniej przemieszczają się w obwodzie elektrycznym. Nazywa się siłę, która powoduje ruch elektronów wzdłuż obwodu siła elektromotoryczna lub w skrócie Pole elektromagnetyczne . Siłę elektromotoryczną mierzy się w wolty [W]. Pole elektromagnetyczne nowego (nierozładowanego) akumulatora wynosi nieco ponad 1,5 V, a korona nieco ponad 9 V.

Wyraźnie określ wartość prądu elektrycznego na przykładzie rury wodnej. W myślach wyobraź sobie wodę w postaci zestawu małych kropelek o tej samej wielkości. Teraz weźmy i przetnijmy w jakimś miejscu rurę i zainstalujmy licznik kropel wody. Następnie odkręć kran i zanotuj czas, np. jedną minutę. Po odliczeniu dokonamy odczytów licznika. Załóżmy, że w ciągu jednej minuty licznik zarejestrował 1 milion kropli. Z tego wnioskujemy, że natężenie przepływu wody wynosi milion kropli na minutę. Jeśli zwiększymy ciśnienie wody – zmusimy pompę do szybszego jej pompowania – wówczas ciśnienie wody wzrośnie, a kropelki zaczną się intensywniej poruszać i odpowiednio wzrośnie zużycie wody.

Siła prądu elektrycznego

W podobny sposób określa się siłę prądu elektrycznego. Jeśli mentalnie przetniemy przewód łączący generator z obciążeniem i zainstalujemy licznik, wówczas otrzymamy zużycie elektronów na jednostkę czasu - jest to natężenie prądu.

Wraz ze wzrostem siły elektromotorycznej generatora elektrony przechodzą przez obwód intensywniej, a siła prądu wzrasta.

Ponieważ znany jest ładunek elektronów i ich całkowita liczba, które przeszły przez przekrój poprzeczny przewodnika w jednostce czasu, możliwe jest ilościowe określenie natężenia prądu.

Ładunek jednego elektronu ma bardzo małą wartość, a ogromna ich liczba uczestniczy w prądzie elektrycznym. Dlatego za jednostkę ładunku elektrycznego przyjęto 628∙10 16, czyli 6280000000000000000 ładunków elektronów. Ta ilość ładunku elektrycznego nazywa się wisiorek , w skrócie [Cl].

Nazywa się jednostką miary prądu amper [A]. Natężenie prądu jest równe jednemu amperowi, gdy całkowity ładunek elektryczny jednej zawieszki przechodzi przez przekrój przewodnika w ciągu jednej sekundy.

1 A = 1 C / 1 sek

I = Q/t

Jeśli w ciągu jednej sekundy przez przewodnik przejdzie dwa razy więcej elektronów, wówczas I jest równe 2 amperom.

W przewodniku wykonanym z metalu, takiego jak miedź czy aluminium, powstaje wiele wolnych elementów. Z łatwością opuszczają atomy metalowej sieci krystalicznej i swobodnie poruszają się w przestrzeni międzyatomowej. Jednak nie idą długo, ponieważ natychmiast przyciąga je inny dodatnio naładowany atom, który utracił podobny pierwiastek. Dlatego domyślnie przez przewodnik nie przepływa żaden prąd. Ponadto swobodne elektrony nie mają uporządkowanego ruchu, ale poruszają się losowo w przestrzeni międzyatomowej. Taki ruch, który nie ma wyraźnego kierunku, nazywa się ruchem Browna. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta intensywność ruchu.

Aby pozwolić temu płynąć I trzeba stworzyć niedobór e-newsów na jednym końcu przewodu, a ich nadmiar na drugim, czyli połączyć przeciwne bieguny źródła zasilania. Wtedy pole elektryczne źródła prądu wytworzy taką siłę elektromotoryczną, która zmusi elektrony w przewodniku do poruszania się dokładnie w jednym kierunku. Dlatego prąd elektryczny zwany uporządkowanym ruchem ładunków pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego

Co tak naprawdę dzisiaj wiemy o elektryczności? Według współczesnych poglądów bardzo dużo, ale jeśli zagłębimy się w istotę tego zagadnienia bardziej szczegółowo, okaże się, że ludzkość szeroko korzysta z energii elektrycznej, nie rozumiejąc prawdziwej natury tego ważnego zjawiska fizycznego.

Celem tego artykułu nie jest podważanie uzyskanych wyników naukowych i technicznych badań stosowanych w dziedzinie zjawisk elektrycznych, które są szeroko stosowane w życiu codziennym i przemyśle współczesnego społeczeństwa. Jednak ludzkość nieustannie boryka się z szeregiem zjawisk i paradoksów, które nie mieszczą się w ramach współczesnych idei teoretycznych dotyczących zjawisk elektrycznych - świadczy to o braku pełnego zrozumienia fizyki tego zjawiska.

Również dzisiaj nauka zna fakty, gdy, jak się wydaje, badane substancje i materiały wykazują anomalne właściwości przewodnictwa ( ) .

Takie zjawisko jak nadprzewodnictwo materiałów również nie ma obecnie w pełni zadowalającej teorii. Istnieje jedynie założenie, że nadprzewodnictwo istnieje zjawisko kwantowe , który jest badany przez mechanikę kwantową. Uważne przestudiowanie podstawowych równań mechaniki kwantowej: równania Schrödingera, równania von Neumanna, równania Lindblada, równania Heisenberga i równania Pauliego, wtedy ich niespójność staje się oczywista. Faktem jest, że równanie Schrödingera nie jest wyprowadzane, lecz postulowane przez analogię z optyką klasyczną, opartą na uogólnieniu danych eksperymentalnych. Równanie Pauliego opisuje ruch naładowanej cząstki o spinie 1/2 (na przykład elektronu) w zewnętrznym polu elektromagnetycznym, ale pojęcie spinu nie jest związane z rzeczywistym obrotem cząstki elementarnej i postuluje się go również względem spinu, że istnieje przestrzeń stanów, które nie są w żaden sposób związane z ruchem cząstek elementarnych w zwykłej przestrzeni.

W książce Anastazji Nowych „Ezoosmos” znajduje się wzmianka o niepowodzeniu teorii kwantowej: „Ale kwantowo-mechaniczna teoria budowy atomu, która uważa atom za układ mikrocząstek, które nie przestrzegają praw klasycznych mechanika, absolutnie nieistotne . Na pierwszy rzut oka argumenty niemieckiego fizyka Heisenberga i austriackiego fizyka Schrödingera wydają się ludziom przekonujące, ale jeśli rozważy się to wszystko z innego punktu widzenia, ich wnioski są tylko częściowo poprawne i ogólnie oba są całkowicie błędne . Faktem jest, że pierwszy opisał elektron jako cząstkę, a drugi jako falę. Nawiasem mówiąc, zasada dualności falowo-cząsteczkowej jest również nieistotna, ponieważ nie ujawnia przejścia cząstki w falę i odwrotnie. Oznacza to, że od uczonych dżentelmenów uzyskuje się pewnego rodzaju skąpstwo. W rzeczywistości wszystko jest bardzo proste. Ogólnie chcę powiedzieć, że fizyka przyszłości jest bardzo prosta i zrozumiała. Najważniejsze jest, aby żyć do tej przyszłości. Jeśli chodzi o elektron, staje się on falą tylko w dwóch przypadkach. Pierwsza ma miejsce, gdy ładunek zewnętrzny zostaje utracony, to znaczy, gdy elektron nie oddziałuje z innymi obiektami materialnymi, powiedzmy z tym samym atomem. Drugi znajduje się w stanie przedosmicznym, czyli gdy jego potencjał wewnętrzny maleje.

Te same impulsy elektryczne generowane przez neurony układu nerwowego człowieka wspomagają aktywne i różnorodne funkcjonowanie organizmu. Warto zauważyć, że potencjał czynnościowy komórki (fala wzbudzenia przemieszczająca się wzdłuż błony żywej komórki w postaci krótkotrwałej zmiany potencjału błonowego na małym obszarze komórki pobudliwej) wynosi w pewnym zakresie (ryc. 1).

Dolna granica potencjału czynnościowego neuronu wynosi -75 mV, co jest bardzo zbliżone do wartości potencjału redoks ludzkiej krwi. Jeśli przeanalizujemy maksymalną i minimalną wartość potencjału czynnościowego w stosunku do zera, wówczas jest ona bardzo zbliżona do zaokrąglonej wartości procentowej oznaczający złoty podział , tj. podział przedziału w odniesieniu do 62% i 38%:

\(\Delta = 75mV+40mV = 115mV\)

115 mV / 100% = 75 mV / x 1 lub 115 mV / 100% = 40 mV / x 2

x 1 = 65,2%, x 2 = 34,8%

Wszystkie substancje i materiały znane współczesnej nauce w mniejszym lub większym stopniu przewodzą prąd elektryczny, ponieważ zawierają elektrony składające się z 13 fantomowych cząstek Po, które z kolei są skupiskami septonowymi („PRIMORDIAL ALLATRA PHYSICS”, s. 61). Chodzi tylko o napięcie prądu elektrycznego, które jest niezbędne do pokonania oporu elektrycznego.

Ponieważ zjawiska elektryczne są ściśle powiązane z elektronem, raport „PRIMORDIAL ALLATRA PHYSICS” zawiera następujące informacje dotyczące tej ważnej cząstki elementarnej: „Elektron jest integralną częścią atomu, jednym z głównych elementów strukturalnych materii. Elektrony tworzą powłoki elektronowe atomów wszystkich znanych obecnie pierwiastków chemicznych. Są zaangażowane w prawie wszystkie zjawiska elektryczne, o których wiedzą obecnie naukowcy. Ale czym tak naprawdę jest elektryczność, oficjalna nauka nadal nie jest w stanie wyjaśnić, ograniczając się do ogólnych sformułowań, że jest to na przykład „zespół zjawisk wynikających z istnienia, ruchu i oddziaływania naładowanych ciał lub cząstek nośników ładunku elektrycznego”. Wiadomo, że energia elektryczna nie jest przepływem ciągłym, ale jest przesyłana porcjami - dyskretnie».

Według współczesnych pomysłów: Elektryczność - jest to zespół zjawisk wynikających z istnienia, oddziaływania i ruchu ładunków elektrycznych. Ale czym jest ładunek elektryczny?

Ładunek elektryczny (ilość energii elektrycznej) to fizyczna wielkość skalarna (wielkość, której każdą wartość można wyrazić jedną liczbą rzeczywistą), która określa zdolność ciał do bycia źródłem pól elektromagnetycznych i uczestniczenia w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Ładunki elektryczne dzielą się na dodatnie i ujemne (w nauce wybór ten jest uważany za czysto warunkowy, a każdemu z ładunków przypisany jest ściśle określony znak). Ciała naładowane ładunkiem tego samego znaku odpychają się, a ciała naładowane przeciwnie przyciągają. Kiedy poruszają się naładowane ciała (zarówno ciała makroskopowe, jak i mikroskopijne naładowane cząstki przewodzące prąd elektryczny w przewodnikach), powstaje pole magnetyczne i zachodzą zjawiska, które pozwalają ustalić związek elektryczności i magnetyzmu (elektromagnetyzmu).

Elektrodynamika bada pole elektromagnetyczne w najbardziej ogólnym przypadku (tj. uwzględnia się pola zmienne zależne od czasu) i jego oddziaływanie z ciałami posiadającymi ładunek elektryczny. Elektrodynamika klasyczna uwzględnia jedynie ciągłe właściwości pola elektromagnetycznego.

elektrodynamika kwantowa bada pola elektromagnetyczne posiadające właściwości nieciągłe (dyskretne), których nośnikami są kwanty pola – fotony. Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z naładowanymi cząstkami jest rozpatrywane w elektrodynamice kwantowej jako absorpcja i emisja fotonów przez cząstki.

Warto zastanowić się, dlaczego wokół przewodnika, przez który płynie prąd, lub wokół atomu, po którego orbitach poruszają się elektrony, pojawia się pole magnetyczne? Fakt jest taki " to, co dziś nazywa się elektrycznością, jest w rzeczywistości szczególnym stanem pola septonowego , w procesach, w których elektron w większości przypadków bierze udział na równi z innymi dodatkowymi „składnikami” ” („PODSTAWOWA FIZYKA ALLATRY”, s. 90) .

A toroidalny kształt pola magnetycznego wynika z natury jego pochodzenia. Jak mówi artykuł: „Biorąc pod uwagę wzorce fraktalne we Wszechświecie, a także fakt, że pole septonowe w świecie materialnym w obrębie 6 wymiarów jest podstawowym, jednolitym polem, na którym opierają się wszystkie interakcje znane współczesnej nauce, można argumentować, że one wszystkie również mają formę Tory. To stwierdzenie może być szczególnie interesujące dla współczesnych badaczy.. Dlatego pole elektromagnetyczne zawsze będzie miało postać torusa, podobnie jak torus septonowy.

Rozważmy spiralę, przez którą przepływa prąd elektryczny i jak dokładnie powstaje jej pole elektromagnetyczne ( https://www.youtube.com/watch?v=0BgV-ST478M).

Ryż. 2. Linie pola magnesu prostokątnego

Ryż. 3. Linie pola spirali z prądem

Ryż. 4. Linie sił poszczególnych odcinków spirali

Ryż. 5. Analogia pomiędzy liniami sił spirali i atomami z orbitalnymi elektronami

Ryż. 6. Oddzielny fragment spirali i atom z liniami sił

WNIOSEK: ludzkość nie poznała jeszcze tajemnic tajemniczego zjawiska elektryczności.

Petr Totow

Słowa kluczowe: PIERWOTNA FIZYKA ALLATRA, prąd elektryczny, elektryczność, natura elektryczności, ładunek elektryczny, pole elektromagnetyczne, mechanika kwantowa, elektron.

Literatura:

Nowy. A., Ezoosmos, K.: LOTOS, 2013. – 312 s. http://schambala.com.ua/book/ezoosmos

Raport „PRIMORDIAL ALLATRA PHYSICS” międzynarodowej grupy naukowców Międzynarodowego Ruchu Społecznego ALLATRA, wyd. Anastazja Nowych, 2015;

Tematy kodyfikatora USE: prąd elektryczny stały, natężenie prądu, napięcie.

Prąd elektryczny zapewnia komfort życia współczesnego człowieka. Osiągnięcia technologiczne cywilizacji - energia, transport, radio, telewizja, komputery, łączność mobilna - opierają się na wykorzystaniu prądu elektrycznego.

Prąd elektryczny to ukierunkowany ruch naładowanych cząstek, podczas którego ładunek jest przenoszony z jednego obszaru przestrzeni do drugiego.

Prąd elektryczny może występować w różnych ośrodkach: ciałach stałych, cieczach, gazach. Czasami nie jest potrzebne żadne medium – prąd może istnieć nawet w próżni! Porozmawiamy o tym w odpowiednim czasie, ale na razie podamy tylko kilka przykładów.

Zamykamy bieguny akumulatora metalowym drutem. Wolne elektrony drutu rozpoczną ukierunkowany ruch od „minusu” akumulatora do „plusa”.
To jest przykład prądu w metalach.

Do szklanki wody wsyp szczyptę soli kuchennej. Cząsteczki soli dysocjują na jony, dzięki czemu w roztworze pojawiają się wolne ładunki: jony dodatnie i jony ujemne. Teraz włóżmy do wody dwie elektrody, połączone z biegunami akumulatora. Jony rozpoczną ruch skierowany w stronę elektrody ujemnej, a jony w stronę dodatniej.
To jest przykład prądu przepływającego przez roztwór elektrolitu.

Chmury burzowe wytwarzają tak silne pola elektryczne, że możliwe jest przebicie się przez szczelinę powietrzną o długości kilku kilometrów. W rezultacie przez powietrze przechodzi gigantyczny wyładowanie - błyskawica.
To jest przykład prądu elektrycznego w gazie.

We wszystkich trzech rozważanych przykładach prąd elektryczny wynika z ruchu naładowanych cząstek wewnątrz ciała i nazywa się go prąd przewodzenia.

Oto nieco inny przykład. Poruszymy naładowane ciało w przestrzeni. Sytuacja ta jest zgodna z definicją prądu! Następuje ukierunkowany ruch ładunków, następuje przenoszenie ładunku w przestrzeni. Nazywa się prąd wytwarzany przez ruch makroskopowego naładowanego ciała konwekcja.

Należy pamiętać, że nie każdy ruch naładowanych cząstek tworzy prąd. Na przykład chaotyczny ruch termiczny ładunków przewodnika nie jest skierowany (zachodzi w dowolnym kierunku), a zatem nie jest to prąd (kiedy pojawia się prąd, swobodne ładunki w dalszym ciągu wykonują ruch termiczny! Tyle że w tym przypadku w pewnym przypadku ich uporządkowany dryf jest dodawany do chaotycznych ruchów naładowanych cząstek
kierunek).
W ciele elektrycznie obojętnym nie będzie prądu ani ruchu translacyjnego: chociaż naładowane cząstki w jego atomach wykonują ruch ukierunkowany, nie ma przeniesienia ładunku z jednej części przestrzeni do drugiej.

Kierunek prądu elektrycznego

Kierunek ruchu naładowanych cząstek tworzących prąd zależy od znaku ich ładunku. Cząstki naładowane dodatnio będą przemieszczać się z „plusa” na „minus”, a cząstki naładowane ujemnie – odwrotnie, z „minusu” na „plus”. Na przykład w elektrolitach i gazach obecne są zarówno dodatnie, jak i ujemne ładunki swobodne, a prąd powstaje w wyniku ich zbliżającego się ruchu w obu kierunkach. Który z tych kierunków należy przyjąć za kierunek prądu elektrycznego?

Krótko mówiąc, zgodnie z konwencją prąd płynie od plusa do minusa(Rys. 1; dodatni zacisk źródła prądu pokazano długą linią, ujemny - krótką linią).

Konwencja ta koliduje z najpowszechniejszym przypadkiem przewodników metalicznych. W metalu nośnikami ładunku są wolne elektrony, które przemieszczają się od „minus” do „plus”. Jednak zgodnie z konwencją zmuszeni jesteśmy założyć, że kierunek prądu w przewodniku metalicznym jest przeciwny do ruchu swobodnych elektronów. To oczywiście nie jest zbyt wygodne.

Tutaj jednak nic nie da się zrobić – trzeba zaakceptować tę sytuację jako oczywistą. Tak to się działo historycznie. Wybór kierunku prądu zaproponował Ampere (Ampere potrzebował porozumienia w sprawie kierunku prądu, aby dać jasną regułę wyznaczania kierunku siły działającej na przewodnik z prądem w polu magnetycznym. Dziś nazywamy to siła Ampère’a, której kierunek wyznacza reguła lewej ręki) w pierwszej połowie XIX wieku, 70 lat przed odkryciem elektronu. Wszyscy przyzwyczaili się do tego wyboru i kiedy w 1916 roku okazało się, że prąd w metalach wynika z ruchu wolnych elektronów, niczego to nie zmieniło.

Działanie prądu elektrycznego

Jak możemy stwierdzić, czy prąd elektryczny płynie, czy nie? Występowanie prądu elektrycznego można ocenić na podstawie następujących jego przejawów.

1. Efekt cieplny prądu. Prąd elektryczny powoduje nagrzewanie się substancji, w której płynie. W ten sposób nagrzewają się cewki urządzeń grzewczych i lamp żarowych. Dlatego widzimy błyskawice. Działanie amperomierzy termicznych opiera się na rozszerzalności cieplnej przewodnika z prądem, co prowadzi do ruchu strzałki urządzenia.

2. Magnetyczne działanie prądu. Prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne: igła kompasu umieszczona obok drutu obraca się prostopadle do drutu, gdy prąd jest włączony. Pole magnetyczne prądu można wielokrotnie wzmocnić, jeśli owiniesz drut wokół żelaznego pręta - otrzymasz elektromagnes. Działanie amperomierzy układu magnetoelektrycznego opiera się na następującej zasadzie: elektromagnes obraca się w polu magnesu trwałego, w wyniku czego wskazówka urządzenia porusza się po skali.

3. Chemiczne działanie prądu. Kiedy prąd przepływa przez elektrolity, można zaobserwować zmianę składu chemicznego substancji. Zatem w roztworze jony dodatnie przemieszczają się w kierunku elektrody ujemnej, a elektroda ta jest pokryta miedzią.

Nazywa się prąd elektryczny stały, jeśli ten sam ładunek przechodzi przez przekrój przewodnika w równych odstępach czasu.

Prąd stały jest najłatwiejszy do nauczenia. Zaczynamy od niego.

Siła i gęstość prądu

Ilościowa charakterystyka prądu elektrycznego to obecna siła. W przypadku prądu stałego wartość bezwzględna natężenia prądu jest stosunkiem wartości bezwzględnej ładunku przechodzącego przez przekrój przewodnika w czasie do tego właśnie czasu:

(1)

Natężenie prądu mierzy się w ampery(A). Przy natężeniu prądu A ładunek C przechodzi przez przekrój przewodnika w ciągu s.

Podkreślamy, że wzór (1) określa wartość bezwzględną, czyli moduł aktualnej siły.
Aktualna siła też może mieć znak! Znak ten nie jest powiązany ze znakiem ładunków tworzących prąd i jest wybierany na podstawie innych rozważań. Mianowicie w wielu sytuacjach (na przykład, jeśli nie jest z góry jasne, dokąd popłynie prąd), wygodnie jest ustalić określony kierunek omijania obwodu (powiedzmy przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) i uznać natężenie prądu za dodatnie, jeśli kierunek prądu pokrywa się z kierunkiem obejścia i ujemny, jeśli prąd płynie w kierunku przeciwnym do obejścia (porównaj z okręgiem trygonometrycznym: kąty są uważane za dodatnie, jeśli są liczone przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, i ujemne, jeśli są liczone zgodnie z ruchem wskazówek zegara).

W przypadku prądu stałego natężenie prądu jest wartością stałą. Pokazuje, ile ładunku przechodzi przez przekrój przewodnika w s.

Często wygodnie jest nie bawić się polem przekroju i wprowadzić ilość gęstość prądu:

(2)

gdzie jest siła prądu, jest polem przekroju poprzecznego przewodnika (oczywiście przekrój ten jest prostopadły do ​​kierunku prądu). Uwzględniając wzór (1) mamy jeszcze:

Gęstość prądu pokazuje, ile ładunku przechodzi w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni przekroju przewodnika. Zgodnie ze wzorem (2) gęstość prądu mierzy się w A/m2.

Prędkość ukierunkowanego ruchu ładunków

Kiedy włączamy światło w pomieszczeniu, wydaje nam się, że żarówka zapala się natychmiast. Prędkość rozchodzenia się prądu w przewodach jest bardzo duża: bliska km/s (prędkość światła w próżni). Gdyby żarówka znajdowała się na Księżycu, zapaliłaby się w nieco ponad sekundę.

Nie należy jednak myśleć, że darmowe ładunki tworzące bieżący ruch poruszają się z tak imponującą prędkością. Okazuje się, że ich prędkość wynosi zaledwie ułamek milimetra na sekundę.

Dlaczego prąd przepływa przez przewody tak szybko? Faktem jest, że swobodne ładunki oddziałują ze sobą i będąc pod wpływem pola elektrycznego źródła prądu, po zamknięciu obwodu zaczynają poruszać się niemal jednocześnie wzdłuż całego przewodnika. Prędkość propagacji prądu to prędkość przenoszenia oddziaływania elektrycznego pomiędzy swobodnymi ładunkami i jest bliska prędkości światła w próżni. Prędkość, z jaką same ładunki poruszają się w przewodniku, może być o wiele rzędów wielkości mniejsza.

Zatem jeszcze raz podkreślamy, że rozróżniamy dwie prędkości.

1. Aktualna prędkość propagacji. Jest to szybkość przesyłania sygnału elektrycznego przez obwód. Blisko km/s.

2. Prędkość ukierunkowanego ruchu ładunków swobodnych. Jest to średnia prędkość ruchu ładunków tworzących prąd. Nazywane również prędkość dryfu.

Wyprowadzimy teraz wzór wyrażający siłę prądu poprzez prędkość ukierunkowanego ruchu ładunków przewodnika.

Niech przewodnik ma pole przekroju poprzecznego (ryc. 2). Wolne ładunki konduktora zostaną uznane za dodatnie; oznaczamy wartość ładunku swobodnego (w przypadku przewodnika metalicznego, co jest najważniejsze w praktyce, jest to ładunek elektronu). Stężenie swobodnych ładunków (tj. ich liczba na jednostkę objętości) wynosi .

Ryż. 2. Do wyprowadzenia wzoru

Jaki ładunek przepłynie w czasie przez przekrój poprzeczny naszego przewodnika?

Z jednej strony oczywiście

(3)

Z drugiej strony przekrój poprzeczny przejdą wszystkie te swobodne ładunki, które po chwili znajdą się wewnątrz cylindra o wysokości . Ich liczba to:

Zatem ich całkowity ładunek będzie równy:

(4)

Przyrównując odpowiednie części wzorów (3) i (4) i redukując przez , otrzymujemy:

(5)

Odpowiednio gęstość prądu jest równa:

Obliczmy dla przykładu, jaka jest prędkość swobodnych elektronów w drucie miedzianym przy prądzie A.

Znany jest ładunek elektronu: Kl.

Jakie jest stężenie wolnych elektronów? Zbiega się to ze stężeniem atomów miedzi, ponieważ z każdego atomu oddziela się jeden elektron walencyjny. Cóż, możemy znaleźć stężenie atomów:

Połóżmy mm. Ze wzoru (5) otrzymujemy:

SM.

To około jedna dziesiąta milimetra na sekundę.

Stacjonarne pole elektryczne

Cały czas mówimy o ukierunkowanym ruchu ładunków, ale jeszcze nie poruszyliśmy kwestii, czy Dlaczego bezpłatne opłaty powodują taki ruch. Dlaczego właściwie istnieje prąd elektryczny?

Do uporządkowanego ruchu ładunków wewnątrz przewodnika potrzebna jest siła, która działa na ładunki w określonym kierunku. Skąd bierze się ta moc? Od strony pola elektrycznego!

Aby prąd stały płynął w przewodniku, wewnątrz przewodnika musi panować stan stacjonarny.(tj. - stały, niezależny od czasu) pole elektryczne. Innymi słowy, pomiędzy końcami przewodu musi być utrzymywana stała różnica potencjałów.

Stacjonarne pole elektryczne musi być wytworzone przez ładunki przewodników wchodzących w skład obwodu elektrycznego. Jednak same naładowane przewodniki nie będą w stanie zapewnić przepływu prądu stałego.

Rozważmy na przykład dwie przewodzące kule naładowane w różny sposób. Połącz je drutem. Wystąpi różnica potencjałów pomiędzy końcami drutu i polem elektrycznym wewnątrz drutu. Prąd będzie płynął przez drut. Jednak wraz z przepływem prądu różnica potencjałów między kulkami zmniejszy się, po czym zmniejszy się również natężenie pola w drucie. W końcu potencjały kulek zrównają się, pole w drucie spadnie do zera, a prąd zniknie. Znaleźliśmy się w elektrostatyce: kulki i drut tworzą pojedynczy przewodnik, w każdym punkcie którego potencjał przyjmuje tę samą wartość; napięcie
pole wewnątrz przewodnika wynosi zero, nie ma prądu.

To, że pole elektrostatyczne samo w sobie nie nadaje się do roli pola stacjonarnego wytwarzającego prąd, wynika także z bardziej ogólnych rozważań. W końcu pole elektrostatyczne jest potencjalne, jego praca podczas przemieszczania ładunku po zamkniętej ścieżce wynosi zero. Nie może zatem powodować cyrkulacji ładunków w zamkniętym obwodzie elektrycznym - wymaga to wykonania pracy niezerowej.

Kto wykona tę niezerową pracę? Kto utrzyma różnicę potencjałów w obwodzie i zapewni stacjonarne pole elektryczne, które wytwarza prąd w przewodnikach?

Odpowiedzią jest źródło prądu, najważniejszy element obwodu elektrycznego.

Aby w przewodzie płynął prąd stały, końce przewodu należy podłączyć do zacisków źródła prądu (akumulatora, akumulatora itp.).

Zaciski źródłowe są naładowanymi przewodnikami. Jeżeli obwód jest zamknięty, to ładunki z zacisków przemieszczają się po obwodzie - jak w przykładzie z omówionymi powyżej kulkami. Ale teraz różnica potencjałów między zaciskami nie maleje: źródło prądu w sposób ciągły uzupełnia ładunki na zaciskach, utrzymując różnicę potencjałów między końcami obwodu na stałym poziomie.

Taki jest cel zasilacza prądu stałego. Wewnątrz zachodzą procesy pochodzenia nieelektrycznego (najczęściej chemicznego), które zapewniają ciągłą separację ładunków. Ładunki te dostarczane są do terminali źródłowych w wymaganej ilości.

Ilościową charakterystykę nieelektrycznych procesów separacji ładunku wewnątrz źródła - tzw. pola elektromagnetycznego - przeanalizujemy później, w odpowiednim arkuszu.

Wróćmy teraz do stacjonarnego pola elektrycznego. Jak powstaje w przewodnikach obwodu w obecności źródła prądu?

Naładowane zaciski źródła wytwarzają pole elektryczne na końcach przewodnika. Swobodne ładunki przewodnika, znajdujące się w pobliżu zacisków, wprawiają w ruch i działają swoim polem elektrycznym na sąsiednie ładunki. Przy prędkości bliskiej prędkości światła interakcja ta jest przenoszona wzdłuż całego obwodu i w obwodzie ustala się stały prąd elektryczny. Pole elektryczne wytwarzane przez poruszające się ładunki również stabilizuje się.

Nieruchome pole elektryczne to pole swobodnych ładunków przewodnika wykonującego ruch ukierunkowany.

Stacjonarne pole elektryczne nie zmienia się w czasie, ponieważ przy stałym prądzie nie zmienia się obraz rozkładu ładunków w przewodniku: miejsce ładunku, który opuścił ten odcinek przewodnika, zastępuje się w następnym dokładnie tym samym ładunkiem chwila czasu. Z tego powodu pole stacjonarne jest pod wieloma względami (ale nie wszystkimi) podobnymi do pola elektrostatycznego.

Mianowicie, prawdziwe są dwa poniższe twierdzenia, które będą nam potrzebne w dalszej części (ich dowód przedstawiono na uniwersyteckim kursie fizyki).

1. Podobnie jak pole elektrostatyczne, stacjonarne pole elektryczne jest potencjalne. Dzięki temu możemy mówić o różnicy potencjałów (tj. napięciu) w dowolnej części obwodu (to właśnie tę różnicę potencjałów mierzymy za pomocą woltomierza).
Potencjalność, jak pamiętamy, oznacza, że ​​działanie pola stacjonarnego na ruch ładunku nie zależy od kształtu trajektorii. Dlatego, gdy przewody są połączone równolegle, napięcie na każdym z nich jest takie samo: jest równe różnicy potencjałów pola stacjonarnego między dwoma punktami, do których podłączone są przewody.
2. W przeciwieństwie do pola elektrostatycznego, stacjonarne pole poruszających się ładunków wnika w przewodnik (fakt jest taki, że swobodne ładunki biorące udział w ruchu kierunkowym nie mają czasu na odpowiednie przegrupowanie się i przyjęcie konfiguracji „elektrostatycznych”).
Linie natężenia pola stacjonarnego wewnątrz przewodnika są równoległe do jego powierzchni, niezależnie od tego, jak przewodnik jest zgięty. Zatem, podobnie jak w jednolitym polu elektrostatycznym, obowiązuje wzór, gdzie: napięcie na końcach przewodnika, siła pola stacjonarnego w przewodniku, długość przewodnika.