Elektricitet

Elektrisk strøm eller elektrisk strøm  er en rettet (ordnet) bevægelse af partikler eller kvasi -partikler  - bærere af elektrisk ladning [1] [2] [3] . Den efterfølgende elektromagnetiske interaktion mellem ladede partikler udføres ikke direkte, men gennem et elektromagnetisk felt [4] . Udbredelseshastigheden af ​​den elektromagnetiske interaktion (felt) eller hastigheden af ​​elektromagnetisk stråling når lysets hastighed [5] , som er mange gange større end bevægelseshastigheden for de elektriske ladningsbærere selv [6] .

Bærere af elektrisk ladning kan være: i metaller  - elektroner , i elektrolytter  - ioner ( kationer og anioner ), i gasser  - ioner og elektroner , i vakuum under visse forhold - elektroner , i halvledere  - elektroner eller huller ( elektron-hul ledningsevne ). Fra kvantefeltteoriens synspunkt er bæreren for elektromagnetisk interaktion en foton [7] .

Nogle gange kaldes elektrisk strøm også forskydningsstrøm , som skyldes en ændring i det elektriske felts tid [8] .

Elektrisk strøm har følgende manifestationer:

Klassifikation

Hvis ladede partikler bevæger sig inde i makroskopiske legemer i forhold til et bestemt medium, kaldes en sådan strøm ledende elektrisk strøm . Hvis makroskopiske ladede legemer bevæger sig (for eksempel ladede regndråber), så kaldes denne strøm konvektionsstrøm [3] .

Der er jævnstrøm og vekselstrøm, samt alle former for vekselstrøm. I sådanne termer er ordet "elektrisk" ofte udeladt.

Hvirvelstrømme

Hvirvelstrømme (Foucault-strømme) er "lukkede elektriske strømme i en massiv leder, der opstår, når den magnetiske flux , der trænger ind i den, ændres " [14] , derfor er hvirvelstrømme induktionsstrømme. Jo hurtigere den magnetiske flux ændres, jo stærkere er hvirvelstrømmene. Hvirvelstrømme flyder ikke langs bestemte veje i ledningerne, men, der lukker i lederen, danner vortex-lignende konturer.

Eksistensen af ​​hvirvelstrømme fører til hudeffekten, det vil sige, at den elektriske vekselstrøm og den magnetiske flux hovedsageligt forplanter sig i lederens overfladelag. Hvirvelstrømsopvarmning af ledere fører til energitab, især i kernerne i AC-spoler. For at reducere energitab på grund af hvirvelstrømme er de magnetiske vekselstrømkredsløb opdelt i separate plader, isoleret fra hinanden og placeret vinkelret på retningen af ​​hvirvelstrømme, hvilket begrænser de mulige konturer af deres veje og i høj grad reducerer størrelsen af ​​disse strømme . Ved meget høje frekvenser anvendes i stedet for ferromagneter magnetoelektrik til magnetiske kredsløb, hvor der på grund af den meget høje modstand praktisk talt ikke forekommer hvirvelstrømme.

Karakteristika

Retning af nuværende

Det er historisk accepteret, at strømmens retning falder sammen med bevægelsesretningen for positive ladninger i en leder . Desuden, hvis de eneste strømbærere er negativt ladede partikler (for eksempel elektroner i et metal ), så er strømmens retning modsat af bevægelsesretningen for ladede partikler [2] .

Elektronernes drifthastighed

Hastigheden (driften) af den rettede bevægelse af partikler i ledere forårsaget af et eksternt felt afhænger af lederens materiale, partiklernes masse og ladning, den omgivende temperatur , den påførte potentialforskel og er meget mindre end hastigheden af lys . I 1 sekund bevæger elektronerne i lederen sig på grund af den ordnede bevægelse med mindre end 0,1 mm [6] - 20 gange mindre end sneglens hastighed . På trods af dette er udbredelseshastigheden af ​​den faktiske elektriske strøm lig med lysets hastighed (udbredelseshastigheden af ​​den elektromagnetiske bølgefront ). Det vil sige, at det sted, hvor elektronerne ændrer deres bevægelseshastighed efter en spændingsændring, bevæger sig med udbredelseshastigheden af ​​elektromagnetiske svingninger.

Styrke og strømtæthed

Elektrisk strøm har kvantitative egenskaber : skalarstrømstyrke og vektorstrømtæthed .

Strømstyrken  er en fysisk størrelse svarende til forholdet mellem mængden af ​​ladning , der har passeret gennem lederens tværsnit i nogen tid , og værdien af ​​dette tidsinterval.

Strømstyrken i International System of Units (SI) måles i ampere (russisk betegnelse: A; international: A).

Ifølge Ohms lov er strømstyrken i en kredsløbssektion direkte proportional med den spænding , der påføres denne sektion af kredsløbet, og omvendt proportional med dens modstand :

Hvis den elektriske strøm ikke er konstant i kredsløbssektionen, så ændrer spændingen og strømstyrken sig konstant, mens gennemsnitsværdierne for spænding og strømstyrke for almindelig vekselstrøm er lig nul. Imidlertid er den gennemsnitlige effekt af den frigivne varme i dette tilfælde ikke lig med nul. Derfor bruges følgende udtryk:

Strømtætheden er en vektor , hvis absolutte værdi er lig med forholdet mellem strømmen, der strømmer gennem en bestemt sektion af lederen, vinkelret på strømmens retning, til området af denne sektion og retningen af vektoren falder sammen med bevægelsesretningen for de positive ladninger, der danner strømmen.

Ifølge Ohms lov i differentiel form er strømtætheden i mediet proportional med den elektriske feltstyrke og mediets ledningsevne :

Power

I nærvær af strøm i lederen arbejdes der mod modstandskræfterne. Den elektriske modstand af enhver leder består af to komponenter:

Generelt frigives det meste af arbejdet udført af en elektrisk strøm som varme . Effekten af ​​varmetab er en værdi svarende til mængden af ​​frigivet varme pr. tidsenhed. Ifølge Joule-Lenz-loven er effekten af ​​varmetab i en leder proportional med styrken af ​​den strømmende strøm og den påførte spænding:

Effekten måles i watt .

I et kontinuerligt medium bestemmes det volumetriske effekttab af skalarproduktet af strømtæthedsvektoren og vektoren for elektrisk feltstyrke på et givet punkt:

Volumetrisk effekt måles i watt pr. kubikmeter .

Strålingsmodstand er forårsaget af dannelsen af ​​elektromagnetiske bølger omkring lederen. Denne modstand er i kompleks afhængighed af lederens form og dimensioner, af bølgelængden af ​​den udsendte bølge. For en enkelt retlinet leder, hvor strømmen er af samme retning og styrke overalt, og hvis længde L er meget mindre end længden af ​​den elektromagnetiske bølge, der udsendes af den , er modstandens afhængighed af bølgelængden og lederen relativt simpelt:

Den mest anvendte elektriske strøm med en standardfrekvens på 50 Hz svarer til en bølgelængde på omkring 6 tusinde kilometer, hvorfor strålingseffekten normalt er ubetydelig lille sammenlignet med varmetabseffekten. Men efterhånden som strømmens frekvens stiger, falder længden af ​​den udsendte bølge, og strålingseffekten stiger tilsvarende. En leder, der er i stand til at udsende mærkbar energi, kaldes en antenne .

Frekvens

Begrebet frekvens refererer til en vekselstrøm, der periodisk ændrer styrke eller retning. Dette inkluderer også den mest almindeligt anvendte strøm, som varierer i henhold til en sinusformet lov .

En vekselstrømsperiode er den korteste tidsperiode (udtrykt i sekunder), hvorefter ændringer i strøm (og spænding) gentages [15] . Antallet af perioder fuldført af strømmen pr. tidsenhed kaldes frekvensen. Frekvensen måles i hertz , en hertz (Hz) svarer til en periode pr. sekund.

Bias nuværende

Nogle gange introduceres for nemheds skyld begrebet forskydningsstrøm. I Maxwells ligninger er forskydningsstrømmen til stede på lige fod med strømmen forårsaget af ladningers bevægelse. Magnetfeltets intensitet afhænger af den samlede elektriske strøm, som er lig med summen af ​​ledningsstrømmen og forskydningsstrømmen. Per definition er forskydningsstrømtætheden  en vektormængde, der er proportional med ændringshastigheden af ​​det elektriske felt :

,

hvor  er den elektriske konstant og  er permittiviteten . Når det elektriske felt ændres, ligesom ved strømmen, dannes et magnetfelt , som gør, at disse to processer ligner hinanden. Derudover er en ændring i det elektriske felt normalt ledsaget af energioverførsel . For eksempel, når man oplader og aflade en kondensator , på trods af at der ikke er nogen bevægelse af ladede partikler mellem dens plader, taler de om en forskydningsstrøm, der strømmer gennem den, bærer noget energi og lukker det elektriske kredsløb på en ejendommelig måde . Forskydningsstrømmen i kondensatoren bestemmes af formlen:

,

hvor  er ladningen på kondensatorpladerne,  er potentialforskellen mellem pladerne,  er kondensatorens kapacitans .

Forskydningsstrøm er ikke en elektrisk strøm, fordi den ikke er relateret til bevægelsen af ​​en elektrisk ladning.

Hovedtyper af ledere

I modsætning til dielektrika indeholder ledere frie bærere af ukompenserede ladninger, som under påvirkning af en kraft, normalt en forskel i elektriske potentialer, sætter i gang og skaber en elektrisk strøm. Strøm-spændingskarakteristikken (afhængig af strømstyrke på spænding) er den vigtigste egenskab ved en leder. For metalliske ledere og elektrolytter har den den enkleste form: Strømstyrken er direkte proportional med spændingen (Ohms lov).

Metaller - her er strømbærerne ledningselektroner, som normalt betragtes som en elektrongas, der tydeligt viser kvanteegenskaberne for en degenereret gas.

Plasma  er en ioniseret gas. Elektrisk ladning bæres af ioner (positive og negative) og frie elektroner, som dannes under påvirkning af stråling (ultraviolet, røntgen og andre) og (eller) opvarmning.

Elektrolytter er "flydende eller faste stoffer og systemer, hvori ioner er til stede i enhver mærkbar koncentration, hvilket forårsager passage af en elektrisk strøm" [17] . Ioner dannes i processen med elektrolytisk dissociation. Ved opvarmning falder modstanden af ​​elektrolytter på grund af en stigning i antallet af molekyler, der nedbrydes til ioner. Som et resultat af strømmens passage gennem elektrolytten nærmer ionerne sig elektroderne og neutraliseres og sætter sig på dem. Faradays elektrolyselove bestemmer massen af ​​det stof, der frigives på elektroderne.

Der er også en elektrisk strøm af elektroner i vakuum, som bruges i katodestråleapparater [3] .

Elektriske strømme i naturen

Atmosfærisk elektricitet  er den elektricitet, der findes i luften. For første gang viste tilstedeværelsen af ​​elektricitet i luften og forklarede årsagen til torden og lyn Benjamin Franklin [18] . Efterfølgende blev det fastslået, at elektricitet ophobes i kondenseringen af ​​dampe i den øvre atmosfære, og følgende love blev angivet, hvilken atmosfærisk elektricitet følger:

Den samlede strøm, der flyder til hele Jordens overflade , er i dette tilfælde cirka 1800 A [20] .

Lyn er en naturlig gnistende elektrisk udladning. Den elektriske karakter af nordlys blev fastslået . St. Elmo 's brande  er en naturlig corona elektrisk udladning.

Biostrømme  - bevægelsen af ​​ioner og elektroner spiller en meget vigtig rolle i alle livsprocesser. Biopotentialet skabt i dette tilfælde eksisterer både på det intracellulære niveau og i individuelle dele af kroppen og organer. Overførslen af ​​nerveimpulser sker ved hjælp af elektrokemiske signaler. Nogle dyr ( elektriske stråler , elektriske ål ) er i stand til at akkumulere et potentiale på flere hundrede volt og bruge dette til selvforsvar.

Ansøgning

Når man studerede den elektriske strøm, blev mange af dens egenskaber opdaget, hvilket gjorde det muligt for den at finde praktiske anvendelser inden for forskellige områder af menneskelig aktivitet og endda skabe nye områder, der ikke ville være mulige uden eksistensen af ​​en elektrisk strøm. Efter at elektrisk strøm fandt praktisk anvendelse, og af den grund, at elektrisk strøm kan opnås på forskellige måder, opstod et nyt koncept i det industrielle område - elkraftindustrien .

Elektrisk strøm bruges som en bærer af signaler af varierende kompleksitet og typer i forskellige områder (telefon, radio, kontrolpanel, dørlåsknap og så videre).

I nogle tilfælde opstår der uønskede elektriske strømme, såsom vildfarne strømme eller kortslutningsstrøm.

Brugen af ​​elektrisk strøm som bærer af energi

Brugen af ​​elektrisk strøm i medicin

Sikkerhed

Elektrisk stød

Den menneskelige krop er en leder af elektrisk strøm. Menneskelig modstand med tør og intakt hud varierer fra 3 til 100 kOhm.

Den strøm, der passerer gennem menneske- eller dyrekroppen, fører til følgende effekter:

Den vigtigste faktor, der bestemmer resultatet af elektrisk stød, er mængden af ​​strøm, der passerer gennem den menneskelige krop. I henhold til sikkerhedsforanstaltninger er elektrisk strøm klassificeret som følger:

elektrisk sikkerhed

Det omfatter juridiske, socioøkonomiske, organisatoriske og tekniske, sanitære og hygiejniske, medicinske og forebyggende, rehabiliterings- og andre foranstaltninger. Elektriske sikkerhedsregler er reguleret af juridiske og tekniske dokumenter, lovgivningsmæssige og tekniske rammer. Kendskab til det grundlæggende i elsikkerhed er obligatorisk for personale, der servicerer elektriske installationer og elektrisk udstyr.

I Rusland er der i overensstemmelse med reglerne for teknisk drift af elektriske installationer af forbrugere [21] og reglerne for arbejdsbeskyttelse under drift af elektriske installationer [22] etableret 5 kvalifikationsgrupper for elektrisk sikkerhed, afhængigt af kvalifikationerne og erfaring hos medarbejderen og spændingen af ​​elektriske installationer.

Udsættelse for stråling

I Rusland er de regulatoriske dokumenter, der regulerer de maksimalt tilladte niveauer (MPL) af eksponering for elektromagnetisk stråling:

Tilladte niveauer af stråling fra forskelligt transmitterende radioudstyr ved frekvenser > 300 MHz i den sanitære boligzone i nogle lande er markant forskellige:

Se også

Noter

  1. Kovalev N. F., Miller M. A. Elektrisk strøm // Physical Encyclopedia / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M .: Great Russian Encyclopedia , 1998. - T. 5. - S. 515. - 760 s. — ISBN 5-85270-101-7 .
  2. 1 2 Sivukhin D.V. Almen kursus i fysik. - Ed. 4., stereotypisk. — M .: Fizmatlit ; MIPT Publishing House, 2004. - Vol. III. Elektricitet. — 656 s. - ISBN 5-9221-0227-3 ; ISBN 5-89155-086-5 ..
  3. 1 2 3 4 Elektrisk strøm // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
  4. Tid. Encyklopædisk ordbog . side 227
  5. Fysik. Dybt niveau. 10. klasse side 381
  6. 1 2 Elektrisk strøm i metaller (utilgængeligt led) . - "I 1 s bevæger elektronerne i lederen sig ved ordnet bevægelse med mindre end 0,1 mm." Dato for adgang: 1. januar 2012. Arkiveret fra originalen 14. februar 2012. 
  7. Fysik på fingrene. I illustrationer .
  8. GOST R 52002-2003 Elektroteknik. Begreber og definitioner af grundlæggende begreber
  9. 1 2 3 4 5 GOST R 52002-2003. Elektroteknik. Begreber og definitioner af grundlæggende begreber http://www.gosthelp.ru/gost/gost2416.html
  10. Enhver periodisk ikke-sinusformet strøm kan repræsenteres som en kombination af sinusformede harmoniske komponenter (harmoniske) med tilsvarende amplituder, frekvenser og indledende faser. Se Fourier-serien . Radiokredsløb og signaler - Begrebet spektrum
  11. 1 2 Kvasistationær strøm // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
  12. Savelyev I.V. Kursus i generel fysik. T. 2. Elektricitet og Magnetisme. - M., Nauka, 1988. - s. 258
  13. som enten er nyttige, bestemmende for dets anvendelse eller skadelige, mod hvilke der træffes de nødvendige foranstaltninger.
  14. Hvirvelstrømme // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
  15. 1 2 Vekselstrøm // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
  16. Elektrisk modstand // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
  17. Elektrolytter // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
  18. Atmosfærisk elektricitet  / V. M. Berezin // Great Russian Encyclopedia  : [i 35 bind]  / kap. udg. Yu. S. Osipov . - M .  : Great Russian Encyclopedia, 2004-2017.
  19. ESBE/atmosfærisk elektricitet - Wikisource .
  20. Imyanitov I. M. Atmosfærisk elektricitet // Physical Encyclopedia / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M .: Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1. Aharonov-Bohm effekt - Lange linjer. - S. 144-146. - 704 s. — 100.000 eksemplarer.
  21. Bekendtgørelse fra Energiministeriet i Den Russiske Føderation af 13. januar 2003 nr. 6 "Om godkendelse af reglerne for teknisk drift af elektriske forbrugerinstallationer"
  22. Bekendtgørelse fra Energiministeriet i Den Russiske Føderation af 27. december 2000 N 163 "Om godkendelse af de tværsektorielle regler for arbejdsbeskyttelse (sikkerhedsregler) under driften af ​​elektriske installationer"
  23. SanPiN 1.2.3685-21 "Hygiejniske standarder og krav til sikring af sikkerheden og (eller) harmløsheden af ​​miljøfaktorer for mennesker"
  24. https://transition.fcc.gov/bureaus/oet/info/documents/bulletins/oet65/oet65.pdf
  25. https://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPemfgdl.pdf
  26. https://www.canada.ca/content/dam/hc-sc/migration/hc-sc/ewh-semt/alt_formats/pdf/consult/_2014/safety_code_6-code_securite_6/final-finale-eng.pdf
  27. http://www.nhc.gov.cn/ewebeditor/uploadfile/2014/11/20141103161157888.pdf
  28. http://www.lddoc.cn/p-23264.html

Litteratur

Links