Електричний струм: відмінності між версіями
[перевірена версія] | [неперевірена версія] |
Вилучено вміст Додано вміст
вікіфікація |
|||
Рядок 6:
Рухомі заряди, які створюють електричний струм, називають ''носіями струму'': у [[Метали|металах]] це [[електрон]]и, у [[напівпровідник]]ах — [[електрон]]и та [[Дірка (квазічастинка)|дірки]], в [[Електроліти|електролітах]] — позитивно та негативно заряджені [[Іон|йони]], в іонізованих [[газ]]ах — [[Іон|йони]] й [[електрон]]и.
Упорядкований рух носіїв струму в електропровідному середовищі під дією [[електричне поле|електричного поля]] називають ''струмом провідності''. Якщо рух зарядів відбувається разом з тілом, на якому вони знаходяться, то такий струм називають ''[[конвекційний струм|конвекційним]]''. Прикладом конвекційних струмів є струми, які виникають
За ''напрямок струму'' вибирають рух позитивно заряджених частинок. Таким чином, напрямок струму в металевих провідниках, є протилежним до напрямку руху електронів.
== Кількісні характеристики ==
=== Сила та густина струму ===
Кількісно електричний струм характеризується [[Диференціал (математика)|диференційною]] векторною величиною [[Густина струму|густиною струму]], або у
''Густиною струму'' називають векторну величину, що визначається, як величина заряду, яка протікає
: <math>\mathbf{j} = \sigma \cdot \mathbf{E}.</math>
''Силою струму'' (в [[електротехніка|електротехніці]] — ''струмом''), що протікає
: <math>I\,= \int_S j dS =\,\frac{\Delta q}{\Delta t}</math>.
Рядок 25:
Якщо за кожен проміжок часу <math>\Delta t</math> заряд <math>\Delta q</math>, що переноситься є однаковим і напрямок струму незмінним, то такий струм називають ''[[постійний струм|постійним струмом]]'' ({{lang-en|direct current}}, DC).
: <math>I\,=\,\lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta q}{\Delta t}\,=\,\frac{dq}{dt}\,=\,q^{\prime}</math>.
За законом Ома для ділянки кола сила струму <math>I</math> є прямо пропорційною
: <math>I = \frac{U}{R}.</math>
Якщо на ділянці кола електричний струм є змінним, то напруга та сила струму змінюються і
* ''миттєве значення електричного струму'' — значення електричного струму в
* ''амплітудне значення електричного струму'' — найбільше абсолютне значення сили струму, що змінюється в часі за законом синуса;
* ''діюче значення (синусоїдального електричного) струму'' — середнє квадратичне значення електричного струму за період, яке дорівнює значенню постійного струму,
=== Потужність ===
За наявності струму в провіднику виконується [[Механічна робота|робота]] на подолання сил електричного опору. Електричний опір довільного провідника містить дві складові:
* [[активний опір]] — опір,
* [[реактивний опір]] —
Зазвичай, більша частина втрат енергії електричного струму під час його протікання
: <math>P = I\cdot U = I^2\cdot R = \frac{U^2}{R}.</math>
Рядок 52 ⟶ 51:
Питома потужність вимірюється у ватах на [[кубічний метр]] (Вт/м³).
Опір випромінювання викликається утворенням електромагнітних хвиль навколо провідника. Цей опір перебуває у складній залежності від форми, розмірів і матеріалу провідника, від довжини хвиль, що випромінюються, діелектричної і магнітної проникності навколишнього середовища та властивостей простору, у
[[Файл:381070-A.jpg|міні|праворуч|200пкс|Прилад для вимірювання сили струму — [[амперметр]]]]
Рядок 58 ⟶ 57:
Поняття [[Період коливань|періоду]] та [[частота|частоти]] стосуються змінного струму, що періодично змінює силу та/або напрям у тому числі промислового, що змінюється за гармонічним законом.
''Період електричного струму'' — найменший
''Частота електричного струму'' — величина, обернена до періоду електричного струму<ref name=DSTU2843 />. Частота струму вимірюється в [[герц]]ах (Гц).
=== Вимірювання ===
Рядок 71 ⟶ 69:
Електричний струм в речовині виникає під дією [[Електричне поле|електричного поля]]. Електричне поле змушує рухатися вільні [[носії заряду]]: [[електрон]]и, [[дірка (квазічастинка)|дірки]] чи [[іон]]и. Узгоджений рух носіїв заряду у зовнішньому електричному полі називається [[Дрейфовий струм|дрейфовим струмом]].
Електричний струм виникає також під дією відмінних від електричного поля причин. У таких випадках говорять, що електричний струм зумовлений [[сторонні сили|сторонніми силами]]. Кількісною характеристикою здатності сторонніх сил створювати електричний струм, є так звана [[електрорушійна сила]], або скорочено ЕРС.
Розглянемо кілька різних прикладів створення струму сторонніми силами.
[[Дифузійний струм]] виникає тоді, коли носії заряду розподілені в речовині неоднорідно. Дифузійний струм важливий для роботи [[
У [[гальванічний елемент|гальванічних елементах]], [[Батарея (електрика)|батарейках]], [[електричний акумулятор|акумуляторах]] електричний струм виникає внаслідок [[хімічна реакція|хімічних перетворень]], які відбуваються на межі [[електрод]]ів з [[Електроліти|електролітом]].
Рядок 87 ⟶ 85:
* Електричний струм створює [[магнітне поле]], [[напруженість магнітного поля|напруженість]] якого визначається [[Закон Біо-Савара-Лапласа|законом Біо-Савара]]. Магнітне поле, створене струмом, використовується для вимірювання сили струму а також для передавання та перетворення енергії в електричних [[електрична машина|машинах]] та [[електричний апарат|апаратах]].
* Проходження електричного струму крізь речовину призводить до тепловиділення. У випадку провідника зі скінченним [[Електричний опір|опором]], це тепловиділення описується [[Закон Джоуля — Ленца|законом Джоуля-Ленца]]. В одних випадках це явище є не бажаним, оскільки знижує [[коефіцієнт корисної дії]] та може призвести до перегрівання електричного обладнання, в інших же випадках використовується в електронагрівальному обладнанні.
* Під час проходження струму крізь [[електричний контакт|контакт]] двох провідників, тепло може як виділятися, так і поглинатися ([[ефект Пельтьє]]).
* Електричний струм в газах ([[газовий розряд]]) викликає світіння, що є частковим випадком [[електролюмінесценція|електролюмінесценції]].
* Під час проходження крізь [[електроліт]], електричний струм супроводжується [[електроліз]]ом — електрохімічними процесами [[окиснення]] та [[відновлення]] на [[електрод]]ах. За електролізу, позитивно заряджені йони (катіони) рухаються до катода, на якому електрохімічно відновлюються. Негативно заряджені йони (аніони) рухаються до анода, де електрохімічно окиснюються.
== Класична кінетична теорія ==
Виходячи з положень [[кінетична теорія|кінетичної теорії]], електричний струм переноситься зарядженими частинками, які називають [[носії заряду|носіями заряду]]. Носіями заряду,
Для класичної системи носіїв заряду із [[електричний заряд|зарядом]] '''''e''''' безмежно малий заряд ''dQ'', що переноситься за час ''dt''
: <math>dQ\,=\,e n v dS dt</math>,
де <math>e</math> — заряд частинок, <math> v </math> — [[швидкість]] руху частинок, а <math>n</math> — їхня кількість в одиниці об'єму.
Сила струму ''dI''
: <math>dI\,=\,e n v dS</math>
згідно з яким<br/>
Рядок 108 ⟶ 106:
У квантовій механіці електричний струм описується [[делокалізований стан|делокалізованими хвильовими функціями]]. Суттєво те, що ці функції [[Комплексне число|комплексні]]. Дійсними хвильовими функціями описати протікання струму неможливо.
Цей висновок дуже важливий для розуміння квантової механіки. Стаціонарні стани зв'язаних електронів, наприклад, електронів атомних оболонок, описуються локалізованими хвильовими функціями, які суттєво дійсні. Такі електрони не дають жодного вкладу в електричний струм. Згідно з уявленнями класичної механіки, електрон на атомній орбіті обертається
навколо ядра, й це обертання повинно було б приводити до виникнення замкнутих струмів у кожному атомі. У квантовій фізиці таких струмів немає. Проте становище змінюється в магнітному полі.▼
▲навколо ядра, й це обертання повинно було б приводити до виникнення замкнутих струмів у кожному атомі. У квантовій фізиці
Для квантовомеханічної частинки, яка описується хвильовою функцією ψ, густина
: <math> \mathbf{j} = \frac{iq\hbar}{2m} (\psi \nabla \psi^* - \psi^* \nabla \psi) </math>,
Рядок 136 ⟶ 132:
μ — характерна для кожної [[частинка|частки]] стала.
Важливим наслідком із цієї формули є те, що в зовнішньому магнітному полі в атомах, електрони яких описуються дійсними локалізованими хвильовими функціями, виникають замкнені струми, котрі призводять до [[Діамагнетики|діамагнетизму]].
== Теорія відносності ==
Рядок 145 ⟶ 140:
== Електричні струми у природі ==
[[Атмосферна електрика]] — електрика, що міститься у повітрі. Уперше вказав на присутність електрики у повітрі та пояснив причину грому і блискавки [[Бенджамін Франклін]]. У подальшому було встановлено, що електрика накопичується у скупченнях пари
Рух зарядів під дією сил електричного поля
[[Блискавка]] є природним проявом [[Іскровий розряд|іскрового електричного розряду]]. Встановлено електричну природу [[Полярне сяйво|полярного сяйва]]. [[Вогні святого Ельма]] — природний прояв [[коронний розряд|коронного електричного розряду]].
Досить відчутною є дія статичної електрики, коли звичайні предмети (вовняний светр або дверцята автомобіля) раптом починають «бити струмом». Накопичення нерухомих зарядів призводить до виникнення статичної електрики. Звичайно, іскри від людини не такі потужні, як блискавки. Ми відчуваємо легкі уколи. Потужності такого заряду не вистачить,
Біоструми — рух іонів і електронів, відіграють важливу роль в усіх процесах життєзабезпечення організмів. [[Біоелектричні потенціали]], що виникають при цьому, існують як на
Передавання нервових імпульсів відбувається за допомогою електрохімічних сигналів. Деякі тварини здатні накопичувати електричний потенціал у кілька сотень вольт і використовують це для самозахисту. ([[електричні скати|електричний скат]]
== Електробезпека ==
{{Main|Електробезпека}}
''[[Електробезпека]]'' — це система організаційних та технічних заходів і засобів, що забезпечують захист [[людина|людей]] від шкідливого та небезпечного впливу електричного струму, [[Розряд дуговий|електричної дуги]], [[електромагнітне поле|електромагнітного поля]] і [[статична електрика|статичної електрики]]. Правила електробезпеки регламентуються правовими і технічними документами, нормативно-технічною базою. Знання основ електробезпеки обов'язкове для
Види наслідків при ураженні електричним струмом:
* Електричний удар — дія струму на організм у
* Електрична травма — така дія струму, під час якої, пошкоджуються тканини — шкіра, м'язи, кістки, зв'язки. Особливу
* Електричний шок — нервова реакція організму на збудження електричним струмом,
Порогові значення струму за
* ''безпечним'' вважається струм, тривале проходження якого
* ''мінімально відчутний'' людиною
* пороговим ''невідпускаючим'' зветься мінімальний струм такої сили, за якої людина вже нездатна самостійно звільнити руки від струмопровідних частин. Для змінного струму це близько 10…15 мА, для постійного — 50…80 мА;
* ''фібриляційним порогом'' зветься сила змінного струму (50 Гц) близько 100 мА і 300 мА постійного струму, дія якого протягом
=== Електричний удар ===
Рядок 178 ⟶ 172:
Найнебезпечніший — електричний удар, оскільки під час нього, вражається увесь організм. [[Смерть]] настає від [[параліч]]у серця або дихання, а іноді від того і іншого одночасно.
'''Параліч серцевої діяльності'''. Діяльність серця може бути паралізовано як за безпосередньої дії електричного струму, що проходить
'''Фібриляція''' серця викликає порушення [[кровообіг]]у і, якщо не
'''Параліч дихання'''. Параліч дихання є наслідком впливу електричного струму на м'язи [[грудна клітка|грудної клітки]], що забезпечують процес [[дихання]]. Утруднення дихання людина починає відчувати вже при 20-25 мА змінного струму, що підсилюється зі зростанням значення струму. За тривалого впливу такого струму, настає асфіксія — удушення через нестачу кисню і надлишок вуглекислоти в організмі людини.
'''Електричний шок'''. Це нервово-рефлекторна реакція організму,
=== Електрична травма ===
Рядок 193 ⟶ 187:
До електричних травм прийнято відносити пошкодження (опіки або порушення функцій внутрішніх органів), викликані проходженням крізь тіло електричного струму. Наслідки таких травм, які залежать від багатьох чинників, можуть бути різними, — від неприємних відчуттів у роті до повної зупинки серця.
Основні причини отримання електричних травм — удар
==== Електричний опік ====
Рядок 199 ⟶ 193:
==== Електричні знаки ====
Електричні знаки — це плями сірого чи блідо-жовтого кольорів.
==== Металізація шкіри ====
Металізація [[шкіра|шкіри]] є наслідком проникнення углиб шкіри парів [[Метали|металу]], коли ділянка тіла знаходиться поблизу від місця утворення електричної дуги. Таке ураження можливе
=== Дія змінного струму ===
Ураження струмом носять, як правило, змішаний характер і залежать від величини і роду струму, що протікає
Змінний струм промислової [[частота|частоти]] людина починає відчувати
=== Дія постійного струму ===
Менш чутливе людське тіло до постійного струму. Його дія відчувається за 12 — 15 мА. Струм 20 — 25 мА викликає незначне скорочення м'язів рук.
=== Опір тіла людини ===
Величина струму, що проходить
Верхній роговий шар має незначну товщину (0,05 — 0,2 мм) і за напруги 250 В, миттєво пробивається. Пошкодження рогового шару зменшує опір людського тіла до 800—1000 Ом. Опір зменшується також зі збільшенням часу дії струму. Тому дуже важливо швидко усунути контакт потерпілого зі [[струмоведучі частини|струмопровідними частинами]].
На величину опору, а отже, і на наслідки ураження електричним струмом,
Потрібно обов'язково пам'ятати, що людський організм вражає не напруга, а величина струму. За несприятливих умов, навіть низька напруга (30 — 40 В), може бути небезпечною для життя. Якщо опір тіла людини дорівнює 700 Ом, то небезпечною буде напруга 35 В.
|