Elektriciteit

Wat is elektrische stroom

Elektriciteit - gerichte beweging van elektrisch geladen deeltjes onder invloed elektrisch veld... Dergelijke deeltjes kunnen zijn: in geleiders - elektronen, in elektrolyten - ionen (kationen en anionen), in halfgeleiders - elektronen en zogenaamde "gaten" ("geleidbaarheid van elektronengaten"). Er is ook een "biasstroom", waarvan de stroom het gevolg is van het proces van het opladen van de capaciteit, dat wil zeggen van een verandering in het potentiaalverschil tussen de platen. Er vindt geen deeltjesbeweging plaats tussen de platen, maar er vloeit stroom door de condensator.

In de theorie van elektrische circuits wordt stroom beschouwd als de gerichte beweging van ladingsdragers in een geleidend medium onder invloed van een elektrisch veld.

Geleidingsstroom (alleen stroom) in de theorie van elektrische circuits is de hoeveelheid elektriciteit die per tijdseenheid door de doorsnede van een draad stroomt: i = q /T, waarbij i — stroom. A; q = 1,6·109 — elektronenlading, С; t — tijd, s.

Deze uitdrukking is geldig voor DC-circuits. Voor wisselstroomcircuits, de zgn Momentane stroomwaarde gelijk aan de veranderingssnelheid van de lading in de loop van de tijd: i (t) = dq /dt.

De eerste voorwaarde voor het langdurig bestaan ​​van een elektrische stroom van het beschouwde type is de aanwezigheid van een bron of generator die het potentiaalverschil tussen ladingsdragers in stand houdt. De tweede voorwaarde is de afsluiting van de weg. In het bijzonder, om gelijkstroom te laten bestaan, is het noodzakelijk om een ​​gesloten pad te hebben waarlangs ladingen in het circuit kunnen bewegen zonder hun waarde te veranderen.

Zoals u weet, kunnen ze, in overeenstemming met de wet van behoud van elektrische ladingen, niet worden gecreëerd of vernietigd. Daarom, als een ruimtevolume waar elektrische stromen stromen omgeven is door een gesloten oppervlak, moet de stroom die in dat volume stroomt gelijk zijn aan de stroom die eruit stroomt.

Meer hierover: Voorwaarden voor het bestaan ​​van elektrische stroom

Het gesloten pad waardoor een elektrische stroom vloeit, wordt een elektrisch circuit of elektrisch circuit genoemd. Elektrisch circuit - verdeeld in twee delen: het binnenste deel, waarin elektrisch geladen deeltjes tegen de richting van elektrostatische krachten in bewegen, en het buitenste deel, waarin deze deeltjes in de richting van elektrostatische krachten bewegen. De uiteinden van de elektroden waarop het externe circuit is aangesloten, worden klemmen genoemd.

Er treedt dus een elektrische stroom op wanneer een elektrisch veld verschijnt op een deel van een elektrisch circuit, of een potentiaalverschil tussen twee punten op een draad. Potentieel verschil tussen twee punten electronisch circuit worden de spanning of spanningsval in dat gedeelte van het circuit genoemd.

In plaats van de term "stroom" ("huidige hoeveelheid") wordt vaak de term "stroomsterkte" gebruikt.Dit laatste kan echter niet succesvol worden genoemd, aangezien de stroomsterkte geen kracht in de letterlijke zin van het woord is, maar alleen de bewegingsintensiteit van elektrische ladingen in de geleider, de hoeveelheid elektriciteit die per tijdseenheid door het kruis gaat. dwarsdoorsnede van de geleider.
De stroming wordt gekenmerkt stroomsterkte, die in het SI-systeem wordt gemeten in ampère (A), en stroomdichtheid, die in het SI-systeem wordt gemeten in ampère per vierkante meter.

Eén ampère komt overeen met de beweging door de doorsnede van de draad in één seconde (s) van een lading elektriciteit in de hoeveelheid van één coulomb (C):

1A = 1C / s.

In het algemene geval, als we de stroom aangeven met de letter i en de lading q, krijgen we:

ik = dq / dt.

De eenheid van stroom wordt de ampère (A) genoemd.

Ampère (A) — de sterkte van een gelijkstroom die, wanneer hij door twee evenwijdige rechte geleiders van oneindige lengte en verwaarloosbare dwarsdoorsnede gaat, die zich in een vacuüm op een afstand van 1 m van elkaar bevinden, tussen deze geleiders 2·10 creëert -7 H voor elke meter lengte.

De stroom in de draad is 1 A als een elektrische lading gelijk aan 1 coulomb in 1 s door de doorsnede van de draad gaat.

Rijst. 1. Richtingbeweging van elektronen in een geleider

Als er een spanning op de draad werkt, ontstaat er een elektrisch veld in de draad. Bij een veldsterkte E werkt een kracht f = Ee op elektronen met lading e. De grootheden e en E zijn vectorgrootheden. Tijdens het vrije pad krijgen de elektronen een gerichte beweging samen met een chaotische. Elk elektron heeft een negatieve lading en ontvangt de snelheidscomponent tegengesteld aan de vector E (fig. 1). De geordende beweging, gekenmerkt door een bepaalde gemiddelde snelheid van de elektronen vcp, bepaalt de stroom van elektrische stroom.

Elektronen kunnen een gerichte beweging hebben in ijle gassen. In elektrolyten en geïoniseerde gassen is stroom voornamelijk te wijten aan de beweging van ionen. In overeenstemming met het feit dat positief geladen ionen van de positieve pool naar de negatieve pool in elektrolyten bewegen, is historisch aangenomen dat de richting van de stroom tegengesteld is aan de richting van de elektronenstroom.

De richting van de stroom wordt genomen als de richting waarin de positief geladen deeltjes bewegen, d.w.z. richting tegengesteld aan de elektronenbeweging.
In de theorie van elektrische circuits wordt de richting van de stroom in een passief circuit (buiten de energiebronnen) genomen als de bewegingsrichting van positief geladen deeltjes van een hogere potentiaal naar een lagere. Deze richting werd helemaal aan het begin van de ontwikkeling van de elektrotechniek gevolgd en is in tegenspraak met de ware bewegingsrichting van ladingsdragers - elektronen die in geleidende media van min naar plus bewegen.

De richting van de elektrische stroom in de elektrolyt en de vrije elektronen in de geleider

De hoeveelheid gelijk aan de verhouding van de stroom tot het dwarsdoorsnede-oppervlak S wordt de stroomdichtheid genoemd: I / S

In dit geval wordt aangenomen dat de stroom gelijkmatig wordt verdeeld over de doorsnede van de draad. Stroomdichtheid in draden wordt meestal gemeten in A / mm2.

Afhankelijk van het type dragers van elektrische ladingen en het medium van hun beweging, zijn ze verdeeld in geleidende stromen en verplaatsingsstromen. Geleidbaarheid is verdeeld in elektronisch en ionisch. Voor stationaire modi worden twee soorten stromen onderscheiden: direct en alternerend.

Overdracht van elektrische schokken wordt het fenomeen genoemd van overdracht van elektrische ladingen van geladen deeltjes of lichamen die in de vrije ruimte bewegen.Het belangrijkste type elektrische stroomoverdracht is de beweging in de holte van elementair geladen deeltjes (de beweging van vrije elektronen in elektronenbuizen), de beweging van vrije ionen in gasontladingsinrichtingen.

Verplaatsingsstroom (polarisatiestroom) de geordende beweging van bijbehorende dragers van elektrische lading genoemd. Dit type stroom kan worden waargenomen in diëlektrica.

Totale elektrische stroom — een scalaire waarde die gelijk is aan de som van de elektrische geleidingsstroom, de elektrische overdrachtsstroom en de elektrische verplaatsingsstroom door het beschouwde oppervlak.

Constant wordt een stroom genoemd die in grootte kan veranderen, maar gedurende een willekeurig lange tijd niet van teken verandert. Lees er hier meer over: gelijkstroom

Magnetiserende stroom — een constante microscopische (ampère) stroom, die de reden is voor het bestaan ​​van een intrinsiek magnetisch veld van gemagnetiseerde stoffen.

Variabelen die stroom worden genoemd en die periodiek zowel in grootte als in teken veranderen. De grootheid die de wisselstroom kenmerkt, is de frequentie (in het SI-systeem wordt deze gemeten in hertz), voor het geval de sterkte periodiek verandert.

Een hoogfrequente wisselstroom wordt over het oppervlak van de draad geschoven. Hoogfrequente stromen worden gebruikt in de machinebouw voor warmtebehandeling van onderdelenoppervlakken en lassen, in de metallurgie voor het smelten van metalen. Wisselstromen zijn onderverdeeld in sinusvormige en niet-sinusvormige... Een sinusvormige stroom is een stroom die verandert volgens een harmonische wet:

ik = zonde wt,

waar ik ben, - piek (hoogste) huidige waarde, Ah,

De veranderingssnelheid van wisselstroom wordt gekenmerkt door zijn frequentie, gedefinieerd als het aantal volledige repetitieve oscillaties per tijdseenheid.Frequentie wordt aangeduid met de letter f en wordt gemeten in hertz (Hz). Een netstroomfrequentie van 50 Hz komt dus overeen met 50 volledige trillingen per seconde. De hoekfrequentie w is de veranderingssnelheid van de stroom in radialen per seconde en is gerelateerd aan de frequentie door een eenvoudige relatie:

w = 2pi f

Stationaire (vaste) waarden van gelijkstroom en wisselstroom betekenen met de hoofdletter I niet-stationaire (momentane) waarden - met de letter i. Gewoonlijk is de positieve stroomrichting de bewegingsrichting van positieve ladingen.

Wisselstroom Het is een stroom die in de loop van de tijd verandert volgens de sinusoïdale wet.

Wisselstroom betekent ook stroom in conventionele enkelfasige en driefasige netwerken. In dit geval veranderen de parameters van de wisselstroom volgens de harmonische wet.

Aangezien wisselstroom in de loop van de tijd verandert, zijn eenvoudige oplossingen die geschikt zijn voor gelijkstroomcircuits hier niet direct toepasbaar. Bij zeer hoge frequenties kunnen ladingen oscilleren - stromen van de ene plaats in het circuit naar de andere en weer terug. In dit geval kunnen, in tegenstelling tot gelijkstroomcircuits, de stromen in in serie geschakelde draden ongelijk zijn.

Capaciteiten aanwezig in wisselstroomcircuits versterken dit effect. Wanneer de stroom verandert, worden bovendien zelfinductie-effecten gevoeld, die zelfs bij lage frequenties significant worden als spoelen met hoge inductie worden gebruikt.

Bij relatief lage frequenties kan het wisselstroomcircuit nog worden berekend met behulp van Kirchhoffs regelsdie echter dienovereenkomstig moet worden gewijzigd.

Een circuit dat verschillende weerstanden, inductoren en condensatoren bevat, kan worden gezien als een algemene weerstand, condensator en inductor die in serie zijn geschakeld.

Overweeg de eigenschappen van zo'n circuit aangesloten op een sinusvormige wisselstroomgenerator. Om de regels voor het berekenen van wisselende circuits te formuleren, moet u de relatie vinden tussen de spanningsval en de stroom voor elk van de componenten van een dergelijk circuit.

Condensor speelt totaal verschillende rollen in AC- en DC-circuits. Als er bijvoorbeeld een elektrochemische cel op het circuit is aangesloten, dan de condensator begint op te ladentotdat de spanning erin gelijk wordt aan de emf van het element. Dan stopt het opladen en zakt de stroom naar nul.

Als het circuit is aangesloten op een dynamo, zullen in de ene halve cyclus elektronen uit de linkerplaat van de condensator stromen en zich aan de rechterkant ophopen, en in de andere - vice versa.

Deze bewegende elektronen vormen een wisselstroom waarvan de sterkte aan beide zijden van de condensator gelijk is. Zolang de wisselstroomfrequentie niet erg hoog is, is de stroom door de weerstand en de inductor ook gelijk.

Bij apparaten die wisselstroom verbruiken, wordt de wisselstroom vaak gelijkgericht gelijkrichters gelijkstroom te krijgen.

Geleiders voor elektrische stroom

Elektrische stroom in al zijn vormen is een kinetisch fenomeen, analoog aan de stroming van vloeistoffen in gesloten hydraulische systemen. Naar analogie wordt het proces van huidige beweging «flow» (stroomstromen) genoemd.

Het materiaal waarin de stroom vloeit heet geleider… Sommige materialen gaan bij lage temperaturen in supergeleiding. In deze toestand vertonen ze bijna geen weerstand tegen stroom, hun weerstand neigt naar nul.

In alle andere gevallen biedt de geleider weerstand aan de stroom, waardoor een deel van de energie van de elektrische deeltjes wordt omgezet in warmte.De stroomsterkte kan worden berekend door De wet van Ohm voor de dwarsdoorsnede van het circuit en de wet van Ohm voor het hele circuit.

De bewegingssnelheid van deeltjes in draden hangt af van het materiaal van de draad, de massa en lading van het deeltje, de temperatuur van de omgeving, het toegepaste potentiaalverschil en is veel kleiner dan de lichtsnelheid. De voortplantingssnelheid van de elektrische stroom zelf is echter gelijk aan de lichtsnelheid in een bepaald medium, dat wil zeggen de voortplantingssnelheid van het front van een elektromagnetische golf.

Hoe elektriciteit het menselijk lichaam beïnvloedt

Stroom die door het menselijk of dierlijk lichaam gaat, kan elektrische brandwonden, fibrillatie of de dood veroorzaken. Aan de andere kant wordt elektrische stroom gebruikt op de intensive care, om psychische aandoeningen te behandelen, vooral depressie, elektrische stimulatie van bepaalde delen van de hersenen wordt gebruikt om ziekten zoals de ziekte van Parkinson en epilepsie te behandelen, een pacemaker die een hartspier stimuleert met gepulseerde stroom wordt gebruikt voor bradycardie. Bij mensen en dieren wordt stroom gebruikt om zenuwimpulsen over te brengen.

Om veiligheidsredenen is de minimale ontvangststroom voor een persoon 1 mA. De stroom wordt levensgevaarlijk vanaf een sterkte van ongeveer 0,01 A. De stroom wordt dodelijk voor een persoon vanaf een sterkte van ongeveer 0,1 A. Een spanning van minder dan 42 V wordt als veilig beschouwd.