Mi az elektromos áram fizika. Mi az elektromos áram? Az elektromosság természete

Ha egy szigetelt vezetőt elektromos térbe helyezünk \(\overrightarrow(E)\), akkor a \(\overrightarrow(F) = q\overrightarrow(E)\) erő hat a szabad töltésekre \(q\) Ennek eredményeként, karmester, a szabad töltések rövid távú mozgása van. Ez a folyamat akkor ér véget, amikor a vezető felületén keletkezett töltések saját elektromos tere teljesen kompenzálja a külső mezőt. A keletkező elektrosztatikus mező a vezető belsejében nulla lesz.

A vezetőkben azonban bizonyos feltételek mellett a szabad elektromos töltéshordozók folyamatos rendezett mozgása is létrejöhet.

A töltött részecskék irányított mozgását elektromos áramnak nevezzük.

A pozitív szabad töltések mozgási irányát tekintjük az elektromos áram irányának. Ahhoz, hogy egy vezetőben elektromos áram létezzen, elektromos mezőt kell létrehozni benne.

Az elektromos áram mennyiségi mértéke az áramerősség\(I\) egy skaláris fizikai mennyiség, amely egyenlő a vezető keresztmetszetén (1.8.1. ábra) a \(\Delta t\) időintervallumban átvitt töltés \(\Delta q\) arányával. , ehhez az időintervallumhoz:

$$I = \frac(\Delta q)(\Delta t) $$

Ha az áram erőssége és iránya nem változik az időben, akkor ilyen áramot nevezünk állandó .

Az SI mértékegységek nemzetközi rendszerében az áramerősséget amperben (A) mérik. Az 1 A áram mértékegységét két párhuzamos vezeték és az áram mágneses kölcsönhatása állítja be.

Állandó elektromos áram csak a készülékben állítható elő zárt áramkör , amelyben a szabad töltéshordozók zárt utakon keringenek. Egy ilyen áramkör különböző pontjain az elektromos tér időben állandó. Következésképpen az egyenáramú áramkör elektromos mezője fagyott elektrosztatikus tér jellegű. De amikor az elektromos töltést elektrosztatikus térben zárt úton mozgatjuk, az elektromos erők munkája nulla. Ezért az egyenáram létéhez olyan eszközre van szükség az elektromos áramkörben, amely az áramkör szakaszaiban potenciálkülönbségeket tud létrehozni és fenntartani az erők munkája miatt nem elektrosztatikus eredetű. Az ilyen eszközöket ún egyenáramú források . Az áramforrásból származó szabad töltéshordozókra ható, nem elektrosztatikus eredetű erőket nevezzük külső erők .

A külső erők természete eltérő lehet. A galvánelemekben vagy akkumulátorokban elektrokémiai folyamatok eredményeként keletkeznek, az egyenáramú generátorokban külső erők keletkeznek, amikor a vezetők mágneses térben mozognak. Az elektromos áramkörben lévő áramforrás ugyanazt a szerepet játszik, mint a szivattyú, amely a folyadék zárt hidraulikus rendszerben történő szivattyúzásához szükséges. Külső erők hatására elektromos töltések mozognak az áramforrás belsejében ellen elektrosztatikus mező erői, amelyek révén zárt áramkörben állandó elektromos áram tartható fenn.

Amikor az elektromos töltések egy egyenáramú áramkör mentén mozognak, az áramforrások belsejében ható külső erők működnek.

Az a fizikai mennyiség, amely megegyezik a külső erők munkájának \ (A_ (st) \) arányával, amikor a töltést \ (q \) az áramforrás negatív pólusáról a pozitívra mozgatjuk ennek a töltésnek az értékéhez képest. forrás elektromotoros erő (EMF):

$$EMF=\varepszilon=\frac(A_(st))(q). $$

Így az EMF-et a külső erők által végzett munka határozza meg egyetlen pozitív töltés mozgatásakor. Az elektromotoros erőt, akárcsak a potenciálkülönbséget, mérjük Volt (V).

Amikor egyetlen pozitív töltés egy zárt egyenáramú áramkör mentén mozog, a külső erők munkája megegyezik az ebben az áramkörben ható EMF összegével, és az elektrosztatikus mező munkája nulla.

A DC áramkör külön részekre osztható. Azokat a szakaszokat, amelyeken külső erők nem hatnak (azaz azokat a szakaszokat, amelyek nem tartalmaznak áramforrást), ún. homogén . Az aktuális forrásokat tartalmazó területek ún heterogén .

Amikor egy egységnyi pozitív töltés az áramkör egy bizonyos szakaszán mozog, mind az elektrosztatikus (Coulomb), mind a külső erők működnek. Az elektrosztatikus erők munkája megegyezik az inhomogén szakasz kezdeti (1) és végső (2) pontja közötti \(\Delta \phi_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)\) potenciálkülönbséggel . A külső erők munkája értelemszerűen az erre a szakaszra ható \(\mathcal(E)\) elektromotoros erő. Tehát a teljes munka

$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E)$$

az érték U 12-t hívják feszültség a láncszakaszon 1-2. Homogén szakasz esetén a feszültség egyenlő a potenciálkülönbséggel:

$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)$$

G. Ohm német fizikus 1826-ban kísérletileg megállapította, hogy a homogén fémvezetőn (azaz olyan vezetőn, amelyben nem hat külső erő) átfolyó áram erőssége \ (I \) arányos a \ (U \) feszültséggel a karmester végei:

$$I = \frac(1)(R)U; \: U = IR$$

ahol \(R\) = állandó.

az érték R hívott elektromos ellenállás . Az elektromos ellenállású vezetőt ún ellenállás . Ez az arány kifejezi Ohm törvénye a lánc homogén szakasza: A vezetőben lévő áram egyenesen arányos a rákapcsolt feszültséggel és fordítottan arányos a vezető ellenállásával.

SI-ben a vezetők elektromos ellenállásának mértékegysége Ohm (Ohm). Az 1 ohmos ellenállásnak van egy része az áramkörnek, amelyben 1 V feszültség mellett 1 A áram lép fel.

Az Ohm-törvénynek engedelmeskedő vezetőket nevezzük lineáris . Az áramerősség \ (I \) grafikus függése a \ (U \) feszültségtől (az ilyen grafikonokat ún. volt-amper jellemzők , rövidítve VAC) az origón áthaladó egyenes jelöli. Meg kell jegyezni, hogy sok olyan anyag és eszköz létezik, amely nem engedelmeskedik Ohm törvényének, ilyen például a félvezető dióda vagy a kisülőlámpa. Még a kellően nagy erősségű fémvezetők esetében is megfigyelhető az Ohm lineáris törvényétől való eltérés, mivel a fémvezetők elektromos ellenállása a hőmérséklet emelkedésével nő.

Az EMF-et tartalmazó áramköri szakaszra az Ohm-törvény a következő formában van írva:

$$IR = U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E) = \Delta \phi_(12) + \mathcal(E)$$
$$\szín(kék)(I = \frac(U)(R))$$

Ezt az arányt ún általánosított Ohm törvénye vagy Ohm törvénye inhomogén láncszakaszra.

ábrán Az 1.8.2 zárt egyenáramú áramkört mutat be. lánc szakasz ( CD) homogén.

Ohm törvénye

$$IR = \Delta\phi_(cd)$$

Cselekmény ( ab) olyan áramforrást tartalmaz, amelynek EMF értéke egyenlő \(\mathcal(E)\).

Az Ohm-törvény szerint heterogén területre,

$$Ir = \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$

Mindkét egyenlőséget összeadva a következőt kapjuk:

$$I(R+r) = \Delta\phi_(cd) + \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$

De \(\Delta\phi_(cd) = \Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab)\).

$$\szín(kék)(I=\frac(\mathcal(E))(R + r))$$

Ez a képlet kifejezi Ohm törvénye a teljes áramkörre : az áramerősség egy komplett áramkörben egyenlő a forrás elektromotoros erejével, osztva az áramkör homogén és inhomogén szakaszainak ellenállásainak összegével (belső forrásellenállás).

Ellenállás rábrán látható heterogén terület. 1.8.2-nek tekinthető áramforrás belső ellenállása . Ebben az esetben a cselekmény ( ab) ábrán. Az 1.8.2 a forrás belső része. Ha a pontok aés b zárja le olyan vezetővel, amelynek ellenállása kicsi a forrás belső ellenállásához képest (\ (R\ \ll r\)), akkor az áramkör folyni fog rövidzárlati áram

$$I_(kz)=\frac(\mathcal(E))(r)$$

A rövidzárlati áram az a maximális áram, amely egy adott forrásból \(\mathcal(E)\) elektromotoros erővel és \(r\) belső ellenállással nyerhető. Alacsony belső ellenállású források esetén a rövidzárlati áram nagyon nagy lehet, és az elektromos áramkör vagy forrás tönkremenetelét okozhatja. Például az autókban használt ólom-savas akkumulátorok rövidzárlati árama több száz amper is lehet. Különösen veszélyesek a rövidzárlatok az alállomásokról táplált világítási hálózatokban (több ezer amper). Az ilyen nagy áramok pusztító hatásának elkerülése érdekében biztosítékokat vagy speciális megszakítókat kell beépíteni az áramkörbe.

Egyes esetekben a rövidzárlati áram veszélyes értékeinek elkerülése érdekében néhány külső ellenállást sorosan csatlakoztatnak a forráshoz. Aztán ellenállás r egyenlő a forrás belső ellenállásának és a külső ellenállásnak az összegével, és rövidzárlat esetén az áramerősség nem lesz túlzottan nagy.

Ha a külső áramkör szakadt, akkor \(\Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab) = \mathcal(E)\, azaz a nyitott akkumulátor pólusainál a potenciálkülönbség egyenlő az EMF.

Ha a külső terhelési ellenállás R be van kapcsolva és áram folyik át az akkumulátoron én, a potenciálkülönbség a pólusainál egyenlővé válik

$$\Delta \phi_(ba) = \mathcal(E) - Ir$$

ábrán Az 1.8.3 egy egyenáramú forrás sematikus ábrázolása \(\mathcal(E)\) EMF-vel és belső ellenállással r három üzemmódban: "üresjárat", terhelési és rövidzárlati üzemmód (zárlat). Az akkumulátoron belüli elektromos tér intenzitását \(\overrightarrow(E)\) és a pozitív töltésekre ható erőket jelzik: \(\overrightarrow(F)_(e)\) - elektromos erő és \(\overrightarrow( F)_(st )\) külső erő. Rövidzárlatos üzemmódban az akkumulátor belsejében lévő elektromos mező eltűnik.

Az egyenáramú elektromos áramkörök feszültségének és áramának mérésére speciális eszközöket használnak - voltmérőkés ampermérők.

Voltmérő úgy tervezték, hogy mérje a kapcsaira alkalmazott potenciálkülönbséget. Összekapcsol párhuzamos Az áramkör azon szakasza, amelyen a potenciálkülönbség mérése történik. Bármely voltmérőnek van némi belső ellenállása \(R_(V)\). Annak érdekében, hogy a voltmérő ne vezesse be az áramok észrevehető újraeloszlását, amikor a mért áramkörhöz csatlakozik, belső ellenállásának nagynak kell lennie az áramkör azon szakaszának ellenállásához képest, amelyhez csatlakozik. ábrán látható áramkörhöz. 1.8.4, ez a feltétel a következőképpen van írva:

$$R_(B) \gg R_(1)$$

Ez a feltétel azt jelenti, hogy a voltmérőn átfolyó \(I_(V) = \Delta \phi_(cd) / R_(V)\) áram sokkal kisebb, mint az \(I = \Delta \phi_(cd) / R_ (1 )\), amely átfolyik az áramkör vizsgált szakaszán.

Mivel a voltmérő belsejében nincsenek külső erők, ezért a kapcsainál a potenciálkülönbség értelemszerűen egybeesik a feszültséggel. Ezért azt mondhatjuk, hogy a voltmérő feszültséget mér.

Árammérő Az áramkörben lévő áram mérésére tervezték. Az ampermérő sorba van kötve az elektromos áramkör megszakításával, így a teljes mért áram áthalad rajta. Az ampermérőnek van némi belső ellenállása is \(R_(A)\). A voltmérővel ellentétben az ampermérő belső ellenállásának kellően kicsinek kell lennie a teljes áramkör teljes ellenállásához képest. ábra szerinti áramkörhöz. 1.8.4 az ampermérő ellenállásának meg kell felelnie a feltételnek

$$R_(A) \ll (r + R_(1) + R(2))$$

hogy az ampermérő bekapcsolásakor az áramkörben lévő áram ne változzon.

A mérőműszerek - voltmérők és ampermérők - kétféleek: mutató (analóg) és digitális. A digitális elektromos mérőórák összetett elektronikus eszközök. Általában a digitális műszerek nagyobb mérési pontosságot biztosítanak.

". Ma egy olyan témát szeretnék érinteni, mint az elektromos áram. Mi az? Próbáljunk meg emlékezni az iskolai tananyagra.

Az elektromos áram a töltött részecskék rendezett mozgása egy vezetőben.

Ha emlékszel, ahhoz, hogy a töltött részecskék mozogjanak (elektromos áram keletkezik), elektromos mezőt kell létrehoznia. Elektromos mező létrehozásához olyan elemi kísérleteket végezhet, mint egy műanyag fogantyú dörzsölése a gyapjúhoz, és egy ideig vonzza a könnyű tárgyakat. A dörzsölés után tárgyakat vonzani képes testeket villamosítottnak nevezzük. Azt mondhatjuk, hogy ebben az állapotban a test elektromos töltésekkel rendelkezik, és magukat a testeket töltöttnek nevezzük. Az iskolai tananyagból tudjuk, hogy minden test apró részecskékből (molekulákból) áll. A molekula egy anyag részecskéje, amely elválasztható a testtől, és rendelkezik minden, ebben a testben rejlő tulajdonsággal. Az összetett testek molekulái egyszerű testek atomjainak különféle kombinációiból jönnek létre. Például egy vízmolekula két egyszerű molekulából áll: egy oxigénatomból és egy hidrogénatomból.

Atomok, neutronok, protonok és elektronok – mik ezek?

Az atom viszont egy magból áll, és a körülötte kering elektronok. Az atomban minden elektronnak van egy kis elektromos töltése. Például egy hidrogénatom egy körülötte keringő elektron magjából áll. Az atommag viszont protonokból és neutronokból áll. Az atommag viszont elektromos töltéssel rendelkezik. Az atommagot alkotó protonok elektromos töltései és elektronjai azonosak. De a protonok, ellentétben az elektronokkal, inaktívak, de tömegük sokszorosa az elektron tömegének. A részecskeneutronnak, amely az atom része, nincs elektromos töltése, semleges. Az atommag körül keringő elektronok és az atommagot alkotó protonok egyenlő elektromos töltések hordozói. Az elektron és a proton között mindig kölcsönös vonzás, az elektronok között és a protonok között pedig a kölcsönös taszító erő. Emiatt az elektron negatív, a proton pedig pozitív töltésű. Ebből arra következtethetünk, hogy 2 féle elektromosság létezik: pozitív és negatív. Az azonos töltésű részecskék jelenléte egy atomban ahhoz vezet, hogy az atom pozitív töltésű magja és a körülötte forgó elektronok között kölcsönös vonzási erők vannak, amelyek összetartják az atomot. Az atomok az atommagokban lévő neutronok és protonok számában különböznek egymástól, ezért a különböző anyagok atommagjainak pozitív töltése nem azonos. Különböző anyagok atomjaiban a forgó elektronok száma nem azonos, és az atommag pozitív töltése határozza meg. Egyes anyagok atomjai szilárdan kötődnek az atommaghoz, míg másoknál ez a kötés sokkal gyengébb lehet. Ez magyarázza a testek különböző erősségeit. Az acélhuzal sokkal erősebb, mint a rézhuzal, ami azt jelenti, hogy az acélszemcsék erősebben vonzódnak egymáshoz, mint a rézszemcsék. A molekulák közötti vonzalom különösen akkor szembetűnő, ha közel vannak egymáshoz. A legszembetűnőbb példa az, hogy érintkezéskor két csepp víz eggyé olvad.

Elektromos töltés

Az atomban Bármely anyag esetében az atommag körül keringő elektronok száma megegyezik az atommagban található protonok számával. Az elektron és a proton elektromos töltése egyenlő nagyságú, ami azt jelenti, hogy az elektronok negatív töltése megegyezik az atommag pozitív töltésével. Ezek a töltések kölcsönösen kiegyenlítik egymást, és az atom semleges marad. Egy atomban az elektronok elektronhéjat hoznak létre az atommag körül. Az elektronhéj és az atommag folyamatos oszcilláló mozgásban van. Amikor az atomok mozognak, ütköznek egymással, és egy vagy több elektron kirepül belőlük. Az atom megszűnik semleges lenni, és pozitív töltésű lesz. Mivel a pozitív töltése negatívabbá vált (gyenge kapcsolat az elektron és az atommag - fém és szén között). Más testeknél (fa és üveg) az elektronikus héjak nem törtek el. Az atomoktól való elszakadás után a szabad elektronok véletlenszerűen mozognak, és más atomok befoghatják őket. A testben való megjelenés és eltűnés folyamata folyamatos. A hőmérséklet emelkedésével az atomok rezgésmozgásának sebessége nő, az ütközések gyakoribbá válnak, erősödnek, nő a szabad elektronok száma. A test azonban elektromosan semleges marad, mivel a testben lévő elektronok és protonok száma nem változik. Ha bizonyos mennyiségű szabad elektront eltávolítunk a testből, akkor a pozitív töltés nagyobb lesz, mint a teljes töltés. A test pozitív töltésű lesz, és fordítva. Ha a testben elektronhiány jön létre, akkor az járulékosan feltöltődik. Ha a többlet negatív. Minél nagyobb ez a hiány vagy többlet, annál nagyobb az elektromos töltés. Az első esetben (pozitívabb töltésű részecskék) a testeket vezetőknek (fémek, sók és savak vizes oldatai), a másodikban (elektronok hiánya, negatív töltésű részecskék) dielektrikumoknak vagy szigetelőknek (borostyán, kvarc, ebonit) nevezzük. Az elektromos áram folyamatos létezéséhez folyamatosan fenn kell tartani a potenciálkülönbséget a vezetőben.

Nos, ez egy kis fizikatanfolyam véget ért. Azt hiszem, az én segítségemmel eszébe jutott a 7. osztály iskolai tananyaga, és a következő cikkemben elemezzük, mi a lehetséges különbség. Amíg újra találkozunk az oldal oldalain.

Ez bizonyos töltött részecskék rendezett mozgása. A villamos energia teljes potenciáljának megfelelő kihasználása érdekében világosan meg kell érteni az eszköz és az elektromos áram működésének alapelveit. Tehát nézzük meg, mi a munka és az aktuális teljesítmény.

Honnan jön az elektromosság?

A kérdés látszólagos egyszerűsége ellenére kevesen tudnak rá érthető választ adni. Természetesen manapság, amikor a technika hihetetlen sebességgel fejlődik, az ember nem különösebben gondol olyan elemi dolgokra, mint az elektromos áram működési elve. Honnan jön az elektromosság? Bizonyára sokan azt válaszolják, hogy "Hát, persze a konnektorból", vagy egyszerűen csak vállat vonnak. Eközben nagyon fontos megérteni, hogyan működik az áram. Ezt nemcsak a tudósoknak kell tudniuk, hanem a tudományok világához semmilyen módon nem kötődő embereknek is, általános sokoldalú fejlődésük miatt. De a jelenlegi működési elv helyes használata nem mindenkinek való.

Kezdetnek tehát meg kell értenie, hogy az elektromosság nem a semmiből származik: speciális generátorok állítják elő, amelyek különféle erőművekben találhatók. A turbinák lapátjainak forgatásának köszönhetően a víz szénnel vagy olajjal történő melegítése során keletkező gőz energiát termel, amelyet ezt követően egy generátor segítségével elektromos árammá alakítanak át. A generátor nagyon egyszerű: a készülék közepén egy hatalmas és nagyon erős mágnes található, amitől az elektromos töltések rézvezetékek mentén mozognak.

Hogyan jut el az elektromosság otthonunkba?

Miután bizonyos mennyiségű elektromos áramot nyert energia (termikus vagy nukleáris) segítségével, azt az emberek elláthatják. Az ilyen villamosenergia-ellátás a következőképpen működik: ahhoz, hogy az elektromos áram sikeresen elérje az összes lakást és vállalkozást, „nyomni kell”. És ehhez növelni kell az erőt, amely ezt megteszi. Az elektromos áram feszültségének nevezik. A működés elve a következő: az áram áthalad a transzformátoron, ami növeli a feszültségét. Továbbá az elektromos áram mélyen a föld alatt vagy magasban elhelyezett kábeleken folyik (mert a feszültség néha eléri a 10 000 voltot, ami halálos az ember számára). Amikor az áram eléri a rendeltetési helyét, újra át kell haladnia a transzformátoron, ami most csökkenti a feszültségét. Ezután vezetékeken keresztül jut el a lakóházakban vagy más épületekben lévő pajzsokhoz.

A vezetékeken átvezetett áram az aljzatrendszernek köszönhetően felhasználható, háztartási gépeket csatlakoztatva hozzájuk. A falakban további vezetékek vannak elhelyezve, amelyeken elektromos áram folyik, és ennek köszönhetően működik a világítás és a ház összes készüléke.

Mi a jelenlegi munka?

Az elektromos áram által önmagában hordozott energia idővel fénnyé vagy hővé alakul. Például amikor felkapcsolunk egy lámpát, az elektromos energia formája fénnyé alakul.

Közérthető nyelven szólva, az áram munkája az a cselekvés, amelyet maga az elektromosság hoz létre. Ráadásul a képlettel nagyon könnyen kiszámítható. Az energiamegmaradás törvénye alapján megállapíthatjuk, hogy az elektromos energia nem tűnt el, részben vagy teljesen más formába változott, miközben bizonyos mennyiségű hőt ad le. Ez a hő az áram munkája, amikor áthalad a vezetőn és felmelegíti azt (hőcsere történik). Így néz ki a Joule-Lenz képlet: A \u003d Q \u003d U * I * t (a munka egyenlő a hőmennyiséggel vagy az áramerősség szorzatával és azzal az idővel, ameddig átfolyt a vezetőn).

Mit jelent az egyenáram?

Az elektromos áram kétféle: váltakozó és közvetlen. Abban különböznek egymástól, hogy az utóbbi nem változtatja meg az irányt, két bilinccsel rendelkezik (pozitív "+" és negatív "-"), és mozgását mindig "+"-ról kezdi. És a váltakozó áramnak két kivezetése van - fázis és nulla. A vezető végén egy fázis jelenléte miatt egyfázisúnak is nevezik.

Az egyfázisú váltakozó és egyenáramú készülék elve teljesen eltérő: az egyenáramtól eltérően a váltakozó áram megváltoztatja mind az irányát (a fázisból a nulla felé, mind a nulláról a fázis felé áramlást képez), és a nagyságát is. . Így például a váltakozó áram időszakosan megváltoztatja a töltés értékét. Kiderült, hogy 50 Hz-es frekvencián (50 oszcilláció másodpercenként) az elektronok pontosan 100-szor változtatják mozgásuk irányát.

Hol használnak egyenáramot?

Az egyenáramnak van néhány jellemzője. Tekintettel arra, hogy szigorúan egy irányba folyik, nehezebb átalakítani. A következő elemek tekinthetők egyenáram-forrásnak:

• elemek (lúgos és savas);
• kis készülékekben használt hagyományos akkumulátorok;
• valamint különféle eszközök, például konverterek.

DC működés

Mik a fő jellemzői? Ez a munka és a jelenlegi hatalom, és mindkét fogalom nagyon szorosan összefügg egymással. A teljesítmény az egységnyi idő alatti munkasebességet jelenti (1 s-onként). A Joule-Lenz törvény szerint azt kapjuk, hogy az egyenáram munkája egyenlő magának az áramerősségnek, a feszültségnek és annak az időnek a szorzatával, ameddig az elektromos tér munkája befejeződött a töltések átviteléhez. a karmester.

Így néz ki az áramerősség meghatározásának képlete, figyelembe véve Ohm ellenállási törvényét a vezetőkben: A \u003d I 2 * R * t (a munka egyenlő az áramerősség négyzetével szorozva az értékkel a vezető ellenállásának és még egyszer megszorozva a munkavégzés időtartamának értékével).

Mi az elektromos áram

Az elektromosan töltött részecskék irányított mozgása hatása alatt. Ilyen részecskék lehetnek: vezetőben - elektronok, elektrolitokban - ionok (kationok és anionok), félvezetőkben - elektronok és úgynevezett "lyukak" ("elektron-lyuk vezetőképesség"). Létezik "előfeszítő áram" is, aminek az áramlása a kapacitás töltési folyamatának köszönhető, pl. a lemezek közötti potenciálkülönbség változása. A lemezek között nem történik részecskék mozgása, de az áram átfolyik a kondenzátoron.

Az elektromos áramkörök elméletében az áramot a töltéshordozók irányított mozgásának tekintik egy vezető közegben, elektromos tér hatására.

A vezetési áram (egyszerűen áram) az elektromos áramkörök elméletében az egységnyi idő alatt a vezető keresztmetszetén átáramló villamos energia mennyisége: i \u003d q / t, ahol i az áram. DE; q \u003d 1,6 10 9 - elektrontöltés, C; t - idő, s.

Ez a kifejezés egyenáramú áramkörökre érvényes. A váltakozó áramú áramköröknél az úgynevezett pillanatnyi áramértéket használják, amely megegyezik a töltés időbeli változásának sebességével: i (t) \u003d dq / dt.

Elektromos áram akkor keletkezik, amikor egy elektromos áramkör egy szakaszában elektromos tér jelenik meg, vagy egy vezető két pontja között potenciálkülönbség alakul ki. A két pont közötti potenciálkülönbséget feszültségnek, ill feszültségesés az áramkör ezen szakaszában.

Az "áram" ("aktuális érték") kifejezés helyett gyakran az "áramerősség" kifejezést használják. Ez utóbbi azonban nem nevezhető sikeresnek, mivel az áramerősség nem bármilyen erő a szó szó szoros értelmében, hanem csak az elektromos töltések mozgásának intenzitása a vezetőben, az egységnyi idő alatt áthaladó elektromosság mennyisége a kereszten. - a vezető metszetterülete.
Jellemző az áramerősség, amelyet az SI rendszerben amperben (A) mérnek, és az áramsűrűséget, amelyet az SI rendszerben amper per négyzetméterben mérnek.
Egy amper az egyik függő (C) elektromos töltésének egy másodpercig tartó mozgásának felel meg a vezető keresztmetszetén:

1A = 1C/s.

Általános esetben az áramot i betűvel, a töltést q-val jelölve kapjuk:

i = dq / dt.

Az áram mértékegységét ampernek (A) nevezzük. A vezetőben lévő áram 1 A, ha 1 függővel egyenlő elektromos töltés 1 másodperc alatt halad át a vezető keresztmetszetén.

Ha a vezető mentén feszültség hat, akkor a vezető belsejében elektromos mező keletkezik. Amikor az E térerősség, az e töltésű elektronokra az f = Ee erő hat. Az f és E értékek vektorok. A szabad út ideje alatt az elektronok irányított mozgást kapnak a kaotikussal együtt. Minden elektron negatív töltésű, és az E vektorral ellentétes sebességkomponenst kap (1. ábra). A rendezett mozgás, amelyet valamilyen átlagos elektronsebesség vcp jellemez, meghatározza az elektromos áram áramlását.

Az elektronok is irányított mozgást végezhetnek ritka gázokban. Az elektrolitokban és az ionizált gázokban az áram áramlása elsősorban az ionok mozgásának köszönhető. Annak megfelelően, hogy az elektrolitokban a pozitív töltésű ionok a pozitív pólusról a negatív pólusra mozognak, a történelem során az áram irányát az elektronok irányával ellentétesnek tekintették.

Áramiránynak azt az irányt vesszük, amelyben a pozitív töltésű részecskék mozognak, azaz. az elektronok mozgásával ellentétes irány.
Az elektromos áramkörök elméletében a pozitív töltésű részecskék nagyobb potenciálból alacsonyabb felé haladó mozgási irányát veszik passzív áramkörben (energiaforrásokon kívüli) áramiránynak. Ezt az irányt az elektrotechnika fejlődésének kezdetén vették, és ellentmond a töltéshordozók - a vezetőképes közegben mínuszból pluszba mozgó elektronok - valódi mozgási irányának.

Az áram és az S keresztmetszeti terület arányával egyenlő értéket áramsűrűségnek nevezzük (δ-vel): δ= I/S

Feltételezzük, hogy az áram egyenletesen oszlik el a vezeték keresztmetszetén. A vezetékek áramsűrűségét általában A/mm2-ben mérik.

Az elektromos töltések hordozóinak típusa és mozgásuk közege szerint megkülönböztetik őket vezetési áramokés elmozduló áramok. A vezetőképességet elektronikus és ionos vezetőképességre osztják. Az állandó üzemmódok esetében kétféle áramot különböztetnek meg: direkt és váltakozó.

Elektromos áramátvitel az elektromos töltések szabad térben mozgó töltött részecskék vagy testek általi átvitelének jelenségét. Az elektromos áram átvitelének fő típusa a töltéssel rendelkező elemi részecskék üregében történő mozgása (a szabad elektronok mozgása az elektroncsövekben), a szabad ionok mozgása a gázkisüléses készülékekben.

Elektromos eltolási áram (polarizációs áram) az elektromos töltések kötött hordozóinak rendezett mozgásának nevezzük. Ez a fajta áram a dielektrikumokban figyelhető meg.
Teljes elektromos áram egy skaláris érték, amely egyenlő az elektromos vezetési áram, az elektromos átviteli áram és a vizsgált felületen áthaladó elektromos elmozdulási áram összegével.

Állandó áramnak nevezzük azt az áramot, amelynek nagysága változhat, de nem változtatja az előjelét tetszőlegesen hosszú ideig. Erről bővebben itt olvashat:

A váltakozó áram olyan áram, amely időszakosan változik mind a nagyságrendben, mind az előjelben.A váltakozó áramot jellemző mennyiség a frekvencia (SI rendszerben hertzben mérjük), abban az esetben, ha az erőssége periodikusan változik. Nagyfrekvenciás váltakozó áram kinyomva a vezető felületére. A nagyfrekvenciás áramokat a gépészetben alkatrészek felületeinek hőkezelésére és hegesztésre, a kohászatban fémek olvasztására használják.A váltakozó áramokat szinuszos és nem szinuszos. A szinuszos áram olyan áram, amely egy harmonikus törvény szerint változik:

i = Im sin ωt,

A váltakozó áram változásának sebességét ez jellemzi, az egységnyi idő alatt bekövetkező teljes ismétlődő rezgések számaként definiálva. A frekvenciát f betűvel jelöljük, és hertzben (Hz) mérjük. Tehát az áram frekvenciája a hálózatban 50 Hz másodpercenként 50 teljes oszcillációnak felel meg. Az ω szögfrekvencia az áram változásának sebessége radián per másodpercben, és a frekvenciához egy egyszerű összefüggéssel kapcsolódik:

ω = 2πf

Az egyenáram és a váltakozó áram állandó (rögzített) értékei jelölje meg nagy I betűvel a bizonytalan (pillanatnyi) értékeket - i betűvel. Az áram feltételesen pozitív irányát a pozitív töltések mozgási irányának tekintjük.

Ez egy olyan áram, amely idővel a szinusztörvény szerint változik.

A váltakozó áram a hagyományos egy- és háromfázisú hálózatok áramát is jelenti. Ebben az esetben a váltakozó áram paraméterei a harmonikus törvénynek megfelelően változnak.

Mivel a váltakozó áram idővel változik, az egyenáramú áramkörökhöz megfelelő egyszerű problémamegoldási módszerek itt nem alkalmazhatók közvetlenül. Nagyon magas frekvenciákon a töltések oszcillálhatnak – áramolhatnak az áramkör egyik helyéről a másikra és vissza. Ebben az esetben az egyenáramú áramköröktől eltérően előfordulhat, hogy a sorosan kapcsolt vezetők árama nem azonos. Az AC áramkörökben jelenlévő kapacitások felerősítik ezt a hatást. Ráadásul az áram változásakor önindukciós effektusok lépnek életbe, amelyek nagy induktivitású tekercsek alkalmazása esetén már alacsony frekvenciákon is jelentőssé válnak. Viszonylag alacsony frekvenciákon a váltakozó áramú áramkörök még kiszámíthatók a segítségével, amelyet azonban ennek megfelelően módosítani kell.

A különféle ellenállásokat, induktorokat és kondenzátorokat tartalmazó áramkört úgy tekinthetjük, mintha egy általánosított ellenállásból, kondenzátorból és sorba kapcsolt induktorból állna.

Tekintsük egy ilyen, szinuszos generátorhoz csatlakoztatott áramkör tulajdonságait. A váltakozó áramú áramkörök tervezésére vonatkozó szabályok megfogalmazásához meg kell találni a feszültségesés és az áram közötti összefüggést egy ilyen áramkör minden egyes összetevőjére.

Teljesen más szerepet játszik az AC és DC áramkörökben. Ha például egy elektrokémiai elemet csatlakoztatunk az áramkörhöz, akkor a kondenzátor töltődni kezd, amíg a rajta lévő feszültség egyenlővé nem válik az elem EMF-jével. Ezután a töltés leáll, és az áramerősség nullára csökken. Ha az áramkört generátorhoz kötjük, akkor az egyik félciklusban az elektronok a kondenzátor bal oldaláról áramlanak, és a jobb oldalon halmozódnak fel, a másikban pedig fordítva. Ezek a mozgó elektronok egy váltakozó áram, amelynek erőssége a kondenzátor mindkét oldalán azonos. Amíg a váltakozó áram frekvenciája nem túl magas, addig az ellenálláson és az induktoron áthaladó áram is azonos.

A váltakozó áramot fogyasztó eszközökben az AC-t gyakran egyenirányítókkal egyenirányítják egyenáram előállítására.

Elektromos vezetők

Az anyagot, amelyben áram folyik, ún. Egyes anyagok alacsony hőmérsékleten szupravezetővé válnak. Ebben az állapotban szinte semmilyen ellenállást nem mutatnak az árammal szemben, ellenállásuk nullára hajlik. Minden más esetben a vezető ellenáll az áram áramlásának, és ennek eredményeként az elektromos részecskék energiájának egy része hővé alakul. Az áramerősség az áramkör egy szakaszára, az Ohm-törvény pedig egy teljes áramkörre számítható ki.

A részecskék sebessége a vezetőben függ a vezető anyagától, a részecske tömegétől és töltésétől, a környezeti hőmérséklettől, az alkalmazott potenciálkülönbségtől és jóval kisebb, mint a fénysebesség. Ennek ellenére a tényleges elektromos áram terjedési sebessége megegyezik a fény sebességével egy adott közegben, vagyis az elektromágneses hullám frontjának terjedési sebességével.

Hogyan hat az áram az emberi szervezetre

Az emberi vagy állati testen áthaladó áram elektromos égési sérüléseket, fibrillációt vagy halált okozhat. Másrészt az elektromos áramot az intenzív osztályon, a mentális betegségek, különösen a depresszió kezelésére használják, az agy bizonyos területeinek elektromos stimulációját olyan betegségek kezelésére használják, mint a Parkinson-kór és az epilepszia, a szívizomot stimuláló pacemaker. pulzáló árammal bradycardia esetén alkalmazzák. Embereknél és állatoknál az áramot idegimpulzusok továbbítására használják.

A biztonsági óvintézkedések szerint a legkisebb érzékelhető áramerősség 1 mA. Az áram körülbelül 0,01 A erősségtől válik veszélyessé az emberi életre. Az áram körülbelül 0,1 A erősségtől válik végzetessé az ember számára. A 42 V-nál kisebb feszültség biztonságosnak tekinthető.

Az áram megjelenésének feltételei

A modern tudomány olyan elméleteket hozott létre, amelyek megmagyarázzák a természetes folyamatokat. Számos folyamat az atom szerkezetének egyik modelljén, az úgynevezett planetáris modellen alapul. E modell szerint az atom egy pozitív töltésű magból és az atommagot körülvevő negatív töltésű elektronfelhőből áll. A nagyrészt atomokból álló különböző anyagok változatlan környezeti feltételek mellett stabilak és tulajdonságaikban változatlanok. De a természetben vannak olyan folyamatok, amelyek megváltoztathatják az anyagok stabil állapotát, és ezekben az anyagokban elektromos áramnak nevezett jelenséget idézhetnek elő.

A természet ilyen alapvető folyamata a súrlódás. Sokan tudják, hogy ha bizonyos típusú műanyagból készült fésűvel fésüljük a haját, vagy bizonyos típusú anyagból készült ruhákat hordunk, akkor ragadós hatás lép fel. A haj vonzza és hozzátapad a fésűhöz, és ugyanez történik a ruhákkal is. Ezt a hatást a súrlódás magyarázza, amely sérti a fésű vagy a szövet anyagának stabilitását. Az elektronfelhő elmozdulhat az atommaghoz képest, vagy részben összeomolhat. Ennek eredményeként az anyag elektromos töltést kap, amelynek jelét ennek az anyagnak a szerkezete határozza meg. A súrlódásból származó elektromos töltést elektrosztatikusnak nevezzük.

Kiderül, hogy egy pár töltött anyag. Minden anyagnak van egy bizonyos elektromos potenciálja. Elektromos tér, jelen esetben elektrosztatikus tér hat a két töltött anyag közötti térre. Az elektrosztatikus mező hatékonysága a potenciálok nagyságától függ, és potenciálkülönbségként vagy feszültségként definiálható.

• Amikor feszültség keletkezik, a potenciálok közötti térben az anyagok töltött részecskéinek irányított mozgása jelenik meg - elektromos áram.

Hol folyik az elektromos áram?

Ebben az esetben a potenciálok csökkennek, ha a súrlódás megszűnik. És a végén a potenciálok eltűnnek, és az anyagok visszanyerik a stabilitást.

De ha a potenciálok és a feszültség képződése a növekedésük irányában folytatódik, akkor az áramerősség is növekedni fog a potenciálok közötti teret kitöltő anyagok tulajdonságainak megfelelően. Az ilyen folyamat legnyilvánvalóbb példája a villámlás. A felszálló és leszálló légáramok egymás elleni súrlódása hatalmas feszültség megjelenéséhez vezet. Ennek eredményeként az egyik potenciált az égen felfelé, a másikat pedig a földön lefelé irányuló áramlások alakítják ki. És végül a levegő tulajdonságai miatt villámlás formájában elektromos áram keletkezik.

• Az elektromos áram első oka a feszültség.
• Az elektromos áram megjelenésének második oka az a tér, amelyben a feszültség hat - a méretei és az, hogy mi tölti ki.

A feszültség nem csupán súrlódásból fakad. Egyéb, az anyagatomok egyensúlyát megzavaró fizikai és kémiai folyamatok is stressz megjelenéséhez vezetnek. Feszültség is csak az interakció eredményeként keletkezik

• egy anyag egy másik anyaggal;
• egy vagy több anyag mezővel vagy sugárzással.

A stressz a következőkből származhat:

• kémiai reakció, amely az anyagban megy végbe, például minden elemben és akkumulátorban, valamint minden élőlényben;
• elektromágneses sugárzás, például napelemekben és hőenergia-generátorokban;
• elektromágneses mező, mint például minden dinamóban.

Az elektromos áram természete megfelel annak az anyagnak, amelyben áramlik. Ezért különbözik:

• fémekben;

• folyadékokban és gázokban;

• félvezetőkben

A fémekben az elektromos áram csak elektronokból, folyadékokban és gázokban - ionokból, félvezetőkben - elektronokból és "lyukakból" áll.

Egyenáram és váltakozó áram

A potenciáljaihoz viszonyított feszültség, amelynek előjelei változatlanok maradnak, csak nagyságrendben változhat.

• Ebben az esetben állandó vagy impulzusos elektromos áram jelenik meg.

Az elektromos áram e változás időtartamától és a potenciálok közötti anyaggal töltött tér tulajdonságaitól függ.

• De ha a potenciálok előjelei megváltoznak, és ez az áram irányának változásához vezet, akkor azt változónak nevezzük, akárcsak az azt meghatározó feszültséget.

Élettartam és elektromos áram

Az elektromos áram mennyiségi és minőségi értékeléséhez a modern tudományban és technikában bizonyos törvényeket és mennyiségeket használnak. A főbb törvények a következők:

• Coulomb törvénye;
• Ohm törvénye.

Charles Coulomb a 18. század 80-as éveiben határozta meg a feszültség megjelenését, Georg Ohm pedig a 19. század 20-as éveiben az elektromos áram megjelenését.

A természetben és az emberi civilizációban főként energia- és információhordozóként használják, vizsgálatának és felhasználásának témája olyan széles, mint maga az élet. Például tanulmányok kimutatták, hogy minden élő szervezet azért él, mert a szív izmai összehúzódnak a testben generált elektromos áramimpulzusok hatására. Az összes többi izom ugyanígy működik. Osztásakor a cella rendkívül magas frekvenciájú elektromos áramon alapuló információkat használ fel. A hasonló tények listája pontosításokkal a könyv kötetében folytatható.

Sok felfedezést tettek már az elektromos árammal kapcsolatban, és még mindig van mit tenni. Ezért az új kutatási eszközök megjelenésével új törvények, anyagok és egyéb eredmények jelennek meg e jelenség gyakorlati hasznosítására.