Struja

Što je električna struja

Elektricitet — usmjereno kretanje električki nabijenih čestica pri udaru električno polje... Takve čestice mogu biti: u vodičima - elektroni, u elektrolitima - ioni (kationi i anioni), u poluvodičima - elektroni i takozvane "rupe" ("vodljivost elektronskih šupljina"). Postoji i "prednaponska struja", čiji je tok posljedica procesa punjenja kapacitivnosti, odnosno promjene potencijalne razlike između ploča. Između ploča ne dolazi do kretanja čestica, već struja teče kroz kondenzator.

U teoriji električnih krugova strujom se smatra usmjereno kretanje nositelja naboja u vodljivom mediju pod djelovanjem električnog polja.

Struja vodljivosti (samo struja) u teoriji električnih krugova je količina električne energije koja teče po jedinici vremena kroz presjek žice: i = q /T, gdje je i — struja. A; q = 1,6·109 — naboj elektrona, S; t — vrijeme, s.

Ovaj izraz vrijedi za istosmjerne krugove. Za krugove izmjenične struje tzv Trenutna vrijednost struje jednaka je brzini promjene naboja tijekom vremena: i (t) = dq /dt.

Prvi uvjet za dugotrajno postojanje električne struje razmatranog tipa je prisutnost izvora ili generatora koji održava potencijalnu razliku između nositelja naboja. Drugi uvjet je zatvaranje ceste. Konkretno, za postojanje istosmjerne struje potrebno je imati zatvorenu putanju po kojoj se naboji mogu kretati u krugu bez promjene svoje vrijednosti.

Kao što znate, u skladu sa zakonom očuvanja električnih naboja, oni se ne mogu stvoriti ili uništiti. Dakle, ako je bilo koji volumen prostora u kojem teku električne struje okružen zatvorenom površinom, struja koja teče u tom volumenu mora biti jednaka struji koja iz njega izlazi.

Više o ovome: Uvjeti za postojanje električne struje

Zatvoreni put kojim teče električna struja naziva se strujni krug ili električni krug. Električni krug — podijeljen na dva dijela: unutarnji dio, u kojem se električki nabijene čestice gibaju suprotno od smjera elektrostatičkih sila, i vanjski dio, u kojem se te čestice gibaju u smjeru elektrostatskih sila. Krajevi elektroda na koje je spojen vanjski krug nazivaju se stezaljkama.

Dakle, električna struja nastaje kada se na dijelu električnog kruga pojavi električno polje, odnosno razlika potencijala između dvije točke na žici. Potencijalna razlika između dvije točke strujni krug nazivaju se napon ili pad napona u tom dijelu strujnog kruga.

Umjesto pojma "struja" ("strujna količina") često se koristi izraz "jačina struje".Međutim, potonje se ne može nazvati uspješnim, budući da trenutna snaga nije nikakva sila u doslovnom smislu riječi, već samo intenzitet kretanja električnih naboja u vodiču, količina elektriciteta koja prolazi po jedinici vremena kroz križ- presječna površina vodiča.
Karakterizira se struja jakost struje, koja se u SI sustavu mjeri u amperima (A) i gustoća struje koja se u SI sustavu mjeri u amperima po kvadratnom metru.

Jedan amper odgovara kretanju kroz poprečni presjek žice u jednoj sekundi (s) naboja elektriciteta u iznosu od jednog kulona (C):

1A = 1C / s.

U općem slučaju, označavajući struju slovom i i naboj q, dobivamo:

i = dq / dt.

Jedinica struje naziva se amper (A).

Amper (A) — jakost istosmjerne struje koja pri prolasku kroz dva paralelna ravna vodiča beskonačne duljine i zanemariva presjeka, smještena u vakuumu na međusobnoj udaljenosti od 1 m, stvara između tih vodiča 2·10 -7 H za svaki metar duljine.

Jačina struje u žici je 1 A ako kroz presjek žice u 1 s prođe električni naboj jednak 1 kulonu.

Riža. 1. Usmjereno kretanje elektrona u vodiču

Ako na žicu djeluje napon, unutar žice nastaje električno polje. Uz jakost polja E, na elektrone naboja e djeluje sila f = Ee. Veličine e i E su vektorske veličine. Tijekom slobodnog puta elektroni poprimaju usmjereno gibanje uz kaotično. Svaki elektron ima negativan naboj i prima komponentu brzine suprotnu od vektora E (slika 1). Uređeno gibanje, karakterizirano određenom prosječnom brzinom elektrona vcp, određuje tijek električne struje.

Elektroni mogu imati usmjereno gibanje u razrijeđenim plinovima. U elektrolitima i ioniziranim plinovima struja je uglavnom posljedica kretanja iona. U skladu s činjenicom da se pozitivno nabijeni ioni kreću od pozitivnog pola prema negativnom polu u elektrolitima, povijesno se pretpostavljalo da je smjer struje suprotan smjeru protoka elektrona.

Za smjer struje uzima se smjer kretanja pozitivno nabijenih čestica, tj. smjeru suprotnom od kretanja elektrona.
U teoriji električnih krugova smjer struje u pasivnom strujnom krugu (izvan izvora energije) uzima se kao smjer kretanja pozitivno nabijenih čestica od višeg potencijala prema nižem. Taj je smjer uzet na samom početku razvoja elektrotehnike i proturječi pravom smjeru kretanja nositelja naboja - elektrona koji se kreću u vodljivim medijima od minusa do plusa.

Smjer električne struje u elektrolitu i slobodnih elektrona u vodiču

Veličina jednaka omjeru struje i površine poprečnog presjeka S naziva se gustoća struje: I / S

U ovom slučaju pretpostavlja se da je struja ravnomjerno raspoređena po presjeku žice. Gustoća struje u žicama obično se mjeri u A / mm2.

Prema vrsti nositelja električnih naboja i mediju njihova gibanja dijele se na vodljive struje i struje pomaka... Vodljivost se dijeli na elektronsku i ionsku. Za stacionarne načine rada razlikuju se dvije vrste struja: izravna i izmjenična.

Prijenosom električnog udara naziva se pojava prijenosa električnih naboja s nabijenih čestica ili tijela koja se kreću u slobodnom prostoru.Glavna vrsta prijenosa električne struje je kretanje u šupljini elementarnih nabijenih čestica (kretanje slobodnih elektrona u elektronskim cijevima), kretanje slobodnih iona u uređajima za pražnjenje plina.

Struja pomaka (polarizacijska struja) naziva se uređenim kretanjem pridruženih nositelja električnih naboja. Ova vrsta struje može se uočiti u dielektricima.

Ukupna električna struja — skalarna vrijednost jednaka zbroju električne struje vodljivosti, električne prijenosne struje i električne struje pomaka kroz razmatranu površinu.

Konstantom se naziva struja koja može mijenjati veličinu, ali ne mijenja predznak proizvoljno dugo vremena. Više o tome pročitajte ovdje: DC

Struja magnetiziranja — stalna mikroskopska (amperska) struja, koja je razlog postojanja vlastitog magnetskog polja magnetiziranih tvari.

Varijable koje se nazivaju strujom koje periodički mijenjaju veličinu i predznak. Veličina koja karakterizira izmjeničnu struju je frekvencija (u SI sustavu se mjeri u hercima), ako se njezina jakost periodički mijenja.

Visokofrekventna izmjenična struja se pomiče preko površine žice. Visokofrekventne struje koriste se u strojogradnji za toplinsku obradu površina dijelova i zavarivanje, u metalurgiji za taljenje metala. Izmjenične struje se dijele na sinusne i nesinusne… Sinusna struja je struja koja se mijenja prema harmonijskom zakonu:

i = sin wt,

gdje sam ja, - vršna (najveća) vrijednost struje, ah,

Brzina promjene izmjenične struje karakterizira njezina frekvencija, definiran kao broj potpunih ponavljajućih oscilacija u jedinici vremena.Frekvencija se označava slovom f i mjeri se u hercima (Hz). Dakle, frekvencija mrežne struje od 50 Hz odgovara 50 potpunih oscilacija u sekundi. Kutna frekvencija w je brzina promjene struje u radijanima po sekundi i povezana je s frekvencijom jednostavnim odnosom:

w = 2pi f

Pod stacionarnim (fiksnim) vrijednostima istosmjernih i izmjeničnih struja velikim slovom I podrazumijevaju se nestacionarne (trenutačne) vrijednosti - slovom i. Obično je pozitivan smjer struje smjer kretanja pozitivnih naboja.

Naizmjenična struja To je struja koja se mijenja prema sinusoidnom zakonu tijekom vremena.

Pod izmjeničnom strujom podrazumijeva se i struja u konvencionalnim jednofaznim i trofaznim mrežama. U tom se slučaju parametri izmjenične struje mijenjaju prema harmonijskom zakonu.

Budući da se izmjenična struja mijenja tijekom vremena, jednostavna rješenja prikladna za istosmjerne krugove ovdje nisu izravno primjenjiva. Na vrlo visokim frekvencijama, naboji mogu oscilirati - teći s jednog mjesta u krugu na drugo i natrag. U ovom slučaju, za razliku od istosmjernih krugova, struje u serijski spojenim žicama mogu biti nejednake.

Kapacitivnosti prisutne u krugovima izmjenične struje pojačavaju ovaj učinak. Osim toga, kada se struja mijenja, osjećaju se učinci samoindukcije, koji postaju značajni čak i pri niskim frekvencijama ako se koriste zavojnice visokog induktiviteta.

Na relativno niskim frekvencijama, AC krug se još uvijek može izračunati pomoću Kirchhoffova pravilakoji se, međutim, mora na odgovarajući način izmijeniti.

Krug koji sadrži različite otpornike, induktore i kondenzatore može se zamisliti kao generalizirani otpornik, kondenzator i induktor spojeni u seriju.

Razmotrite svojstva takvog kruga spojenog na sinusoidni generator izmjenične struje. Da biste formulirali pravila za izračun izmjeničnih krugova, morate pronaći odnos između pada napona i struje za svaku od komponenti takvog kruga.

Kondenzator ima potpuno različite uloge u AC i DC krugovima. Ako je npr. elektrokemijska ćelija spojena na strujni krug, tada kondenzator će se početi punitisve dok napon u njemu ne postane jednak ems elementa. Tada će se punjenje zaustaviti i struja će pasti na nulu.

Ako je krug spojen na alternator, tada će u jednom poluciklusu elektroni teći iz lijeve ploče kondenzatora i nakupljati se na desnoj, au drugom - obrnuto.

Ovi pokretni elektroni čine izmjeničnu struju čija je jakost jednaka na obje strane kondenzatora. Sve dok izmjenična frekvencija nije jako visoka, struja kroz otpornik i induktor također je ista.

U uređajima koji troše izmjeničnu struju, izmjenična struja se često ispravlja ispravljači za dobivanje istosmjerne struje.

Vodiči za električnu struju

Električna struja u svim svojim oblicima je kinetička pojava, analogna strujanju fluida u zatvorenim hidrauličkim sustavima. Po analogiji, proces kretanja struje naziva se «protok» (strujni tokovi).

Materijal u kojem teče struja naziva se dirigent… Neki materijali prelaze u supravodljivost na niskim temperaturama. U tom stanju ne pokazuju gotovo nikakav otpor struji, njihov otpor teži nuli.

U svim ostalim slučajevima, vodič se opire protoku struje, a kao rezultat toga, dio energije električnih čestica pretvara se u toplinu.Jačina struje se može izračunati pomoću Ohmov zakon za presjek kruga i Ohmov zakon za cijeli krug.

Brzina gibanja čestica u žicama ovisi o materijalu žice, masi i naboju čestice, temperaturi okoline, primijenjenoj razlici potencijala i mnogo je manja od brzine svjetlosti. Međutim, brzina širenja same električne struje jednaka je brzini svjetlosti u određenom sredstvu, odnosno brzini širenja fronte elektromagnetskog vala.

Kako struja utječe na ljudski organizam

Struja koja prolazi kroz ljudsko ili životinjsko tijelo može izazvati električne opekline, fibrilaciju ili smrt. S druge strane, električna struja se koristi u intenzivnoj njezi, za liječenje psihičkih bolesti, posebice depresije, električna stimulacija određenih područja mozga koristi se za liječenje bolesti poput Parkinsonove bolesti i epilepsije, pacemaker koji stimulira srčani mišić pulsirajućim struja se koristi za bradikardiju. Kod ljudi i životinja struja se koristi za prijenos živčanih impulsa.

Iz sigurnosnih razloga minimalna receptivna struja za osobu je 1 mA. Struja postaje opasna po život osobe počevši od jakosti od oko 0,01 A. Struja postaje smrtonosna za osobu počevši od jakosti od oko 0,1 A. Napon manji od 42 V smatra se sigurnim.