Електричний струм

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Електричний струм за напрямом протікає від позитивного полюса джерела живлення до негативного

Електри́чний струм (англ. electric current) — упорядкований рух електричних зарядів у просторі.

Загальна характеристика[ред.ред. код]

Заряди, які створюють електричний струм, називають носіями струму: у металах це електрони, у напівпровідниках — електрони та дірки, в електролітах — позитивно та негативно заряджені йони, в іонізованих газах — йони й електрони.

Упорядкований рух носіїв струму в електропровідному середовищі під дією електричного поля називають струмом провідності. Якщо рух зарядів відбувається разом з тілом, на якому вони знаходяться, то такий струм називають конвекційним. Прикладом конвекційних струмів є струми, які виникають при падінні заряджених краплин води в атмосфері під дією сили тяжіння. Короткочасні електричні струми виникають, також, у діелектриках внаслідок зміщення зв'язаних електричних зарядів під дією зовнішнього електричного поля. Такі струми називають струмами поляризації.

За напрямок струму вибирають рух позитивно заряджених частинок. Таким чином, напрямок струму в металевих провідниках є протилежним до напрямку руху електронів.

Кількісні характеристики[ред.ред. код]

Сила та густина струму[ред.ред. код]

Кількісно електричний струм характеризується диференційною векторною величиною густиною струму, або у випадку струму в дротах — інтегральною величиною силою струму.

Густиною струму називають векторну величину, що визначається, як величина заряду, яка протікає через одиничну площу за одиницю часу. Вона позначається, зазвичай, латинською літерою  \mathbf{j} . Напрямок густини струму визначається напрямком потоку заряду. Згідно із законом Ома у диференціальній формі густина струму у середовищі є пропорційною до напруженості електричного поля \mathbf{E} та питомої електропровідності середовища \ \sigma:

\mathbf{j} = \sigma \cdot \mathbf{E}.

Силою струмуелектротехніці — струмом), що протікає через провідник з площею поперечного перетину S називається величина, яка відповідає кількості заряду  \Delta q , переміщеному через перетин провідника за проміжок часу  \Delta t :

I\,= \int_S j dS =\,\frac{\Delta q}{\Delta t}.

У системі СІ сила струму вимірюється в амперах (позначається: А). Відповідно, густина струму вимірюється в A/м²[1].

Якщо за кожен проміжок часу \Delta t заряд \Delta q, що переноситься є однаковим і напрямок струму незмінним, то такий струм називають постійним струмом (англ. direct current, DC).

У випадку, коли сила струму змінюється у часі, струм називають змінним (англ. alternating current, AC) і описують миттєве значення сили струму так:

I\,=\,\lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta q}{\Delta t}\,=\,\frac{dq}{dt}\,=\,q^{\prime}.

За законом Ома для ділянки кола сила струму I є прямо пропорційною до напруги U, прикладеної до цієї ділянки кола, і обернено пропорційною до її опору R:

I = \frac{U}{R}.

Якщо на ділянці кола електричний струм є змінним, то напруга та сила струму змінюються і при гармонічному законі цих змін середні значення напруги і сили струму дорівнюють нулю. Однак середня потужність тепла, що виділяється є відмінною від нуля. Тому у цьому випадку застосовують наступні поняття:

  • миттєве значення електричного струму — значення електричного струму в даний момент часу[2];
  • 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, який в тому ж резисторі, що й змінний електричний струм, за один і той же проміжок часу виділяє одну й ту ж кількість тепла[3].

Потужність[ред.ред. код]

При наявності струму в провіднику виконується робота на подолання сил електричного опору. Електричний опір довільного провідника містить дві складові:

Зазвичай, більша частина втрат енергії електричного струму при його протіканні по провіднику проявляється у вигляді виділення тепла. потужністю теплових втрат називається величина, що дорівнює кількості тепла, що виділилось за одиницю часу. Згідно із законом Джоуля — Ленца потужність теплових втрат у провіднику є пропорційною до сили струму, що проходить через нього, та прикладеній напрузі:

P = I\cdot U = I^2\cdot R = \frac{U^2}{R}.

Потужність вимірюється у ватах (Вт).

У суцільному середовищі питома потужність втрат p визначається скалярним добутком вектора густини струму \mathbf{j} та вектора напруженості електричного поля \mathbf{E} у заданій точці:

p = \langle\mathbf{j},\mathbf{E}\rangle = \sigma\cdot E^2 = \frac{j^2}{\sigma}.

Питома потужність вимірюється у ватах на кубічний метр (Вт/м²).

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 який відбувається випромінювання. Для одиночного прямолінійного провідника, довжина якого суттєво менша від довжини електромагнітних хвиль потужність випромінювання є суттєво меншою у порівнянні з потужністю теплових втрат. Це є характерним для невеликих частот, наприклад, 50 Гц. Однак із зростанням частоти довжина хвилі зменшується, відповідно зростає потужність випромінювання. Провідник, що здатен випромінювати помітну енергію, називається антеною.

Період та частота[ред.ред. код]

Поняття періоду та частоти стосуються змінного струму, що періодично змінює силу та/або напрям у тому числі промислового, що змінюється за гармонічним законом.

Період електричного струму — найменший інтервал часу, через який повторюються миттєві значення періодичного електричного струму[3][2].

Частота електричного струму — величина, обернена до періоду електричного струму[3]. Частота струму вимірюється в герцах (Гц).

Чим зумовлений струм[ред.ред. код]

Електричний струм в речовині виникає під дією електричного поля. Електричне поле змушує рухатися вільні носії заряду: електрони, дірки чи іони. Узгоджений рух носіїв заряду в зовнішньому електричному полі називається дрейфовим струмом.

Електричний струм виникає також під дією відмінних від електричного поля причин. У таких випадках говорять, що електричний струм зумовлений 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 напівпровідникових приладів, зокрема транзисторів.

У гальванічних елементах, батарейках, акумуляторах електричний струм виникає внаслідок хімічних перетворень, які відбуваються на межі електродів з електролітом.

У термоелектричних джерелах струму електричний струм виникає внаслідок градієнту температури.

Електричний струм викликається також змінним магнітним полем. Зміна магнітного потоку створює вихрове електричне поле, яке й призводить до руху носіїв заряду.

Прояви електричного струму[ред.ред. код]

Електричний струм має наступні прояви, які обумовлюють його практичне використання.

  • Електричний струм створює магнітне поле, напруженість якого визначається законом Біо-Савара. Магнітне поле, створене струмом, використовується для вимірювання сили струму а також для передавання та перетворення енергії в електричних машинах та апаратах.
  • Проходження електричного струму через речовину приводить до тепловиділення. У випадку провідника зі скінченним опором це тепловиділення описується 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.
  • При проходженні струму через контакт двох провідників тепло може як виділятися, так і поглинатися (ефект Пельтьє). Аналогічні до ефекту Пельтьє явища виникають при проходженні електричного струму через провідник із нерівномірним розподілом температури.
  • Електричний струм в газах (газовий розряд) викликає світіння, що є частковим випадком електролюмінесценції. Аналогічні явища виникають у світлодіодах.
  • При проходженні через електроліт електричний струм супроводжується електролізом — електрохімічними процесами окиснення та відновлення на електродах. При електролізі позитивно заряджені йони (катіони) рухаються до катода, на якому електрохімічно відновлюються. Негативно заряджені йони (аніони) рухаються до анода, де електрохімічно окиснюються. В результаті електролізу на електродах виділяються речовини (метали, водень, хлор тощо) в кількостях, пропорційних до часу та величині пропущеного струму.

Вимірювання[ред.ред. код]

Сила струму вимірюється приладами, які називають амперметрами і гальванометрами. В цих приладах зазвичай вимірюється не сам струм, а механічна дія створеного ним магнітного поля.

Класична кінетична теорія[ред.ред. код]

Виходячи з положень кінетичної теорії, електричний струм переноситься зарядженими частинками, які називають носіями заряду. Носіями заряду, в залежності від фізичної системи можуть бути електрони, іони або, в твердому тілі, квазічастинки: електрони провідності, дірки, полярони тощо.

Для класичної системи носіїв заряду із зарядом e безмежно малий заряд dQ, що переноситься за час dt через елементарну площадку dS, перпендикулярну напрямку середньої швидкості v частинок визначається так:

dQ\,=\,e n v dS dt,

де e — заряд частинок,  v  — швидкість руху частинок, а n — їхня кількість в одиниці об'єму.

Сила струму dI через площадку dS визначається співвідношенням

dI\,=\,e n v dS

згідно з яким

\overline{\mathbf{j}}\,=\,e n \overline{\mathbf{v}} — густина електричного струму, де риска над символами означає усереднення.

Струм у квантовій механіці[ред.ред. код]

У квантовій механіці електричний струм описується делокалізованими хвильовими функціями. Суттєво те, що ці функції 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 ситуація змінюється в магнітному полі.

Для квантовомеханічної частинки, яка описується хвильовою функцією ψ, густина стуму задається формулою

  \mathbf{j} = \frac{iq\hbar}{2m} (\psi \nabla \psi^* - \psi^* \nabla \psi) ,

де q — заряд частинки, m — її маса, i — уявна одиниця,  \hbar  — зведена стала Планка.

Якщо хвильову функцію записати у вигляді  \psi = \rho e^{i\alpha} , де ρ — модуль, а α — фаза, то формула для обчислення струму запишеться у вигляді

 \mathbf{j} = \frac{q\hbar}{m} |\psi |^2 \nabla \alpha .

Наприклад, для вільної частинки із імпульсом  \hbar \mathbf{k} , де  \mathbf{k}  — хвильовий вектор, хвильова функція має вигляд  \psi = e^{i \mathbf{k} \cdot \mathbf{r}} , і струм дорівнює   \mathbf{j} = \frac{q \hbar \mathbf{k}}{m},

що збігається із формулою класичної фізики.

Загальна формула для струму в магнітному полі[ред.ред. код]

У магнітному полі та для частинки зі спіном квантовомеханічна формула для обчислення струму змінюється

  \mathbf{j} = \frac{iq\hbar}{2m} (\psi \nabla \psi^* - \psi^* \nabla \psi) - \frac{q^2}{m} \mathbf{A} \psi^*\psi 
- \frac{\mu}{s} \text{rot} \ (\psi^* \hat{\mathbf{s}} \psi) ,

де  \mathbf{A}  — векторний потенціал, s — значення спіну,  \hat{\mathbf{s}} — оператор спіну, а μ — характерна для кожної 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, що призводять до діамагнетизму.

Теорія відносності[ред.ред. код]

В теорії відносності електричний струм описується 4-вектором  (c\rho, \mathbf{j})  , де c — швидкість світла,  \rho  — густина заряду,  \mathbf{j}  — тривимірна густина струму. Цей 4-вектор задовольняє рівнянню неперервності

 \frac{\partial j^i}{\partial x^i} = 0 .

Електричні струми у природі[ред.ред. код]

Блискавки над Тулузою, Франція. 2006 рік

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 у верхніх шарах атмосфери. Напруженість електрики хмар стає досить сильною лише тоді, коли пара хмар згущується до дощових крапель, доказом чого може служити те, що розрядів блискавок не буває без дощу, снігу або граду в місці спостереження. Розділення зарядів всередині грозової хмари відбувається завдяки конвективним потокам, що переносять наелектризованих через тертя крапель води.

Рух зарядів під дією сил електричного поля формує в атмосфері вертикальний струм провідності із середньою густиною, що становить близько (2÷3)·10−12 А/м². Повний струм, що протікає на всю поверхню Землі, при цьому може складати приблизно 1800 А[4].

Блискавка є природним проявом іскрового електричного розряду. Встановлено електричну природу полярного сяйва. Вогні святого Ельма — природний прояв 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, щоб предмети світилися, але її достатньо, щоб вивести з ладу мікросхему. Так, в сухому приміщенні, між тілом людини і навколишніми предметами різниця потенціалів може досягати 20000 В і приводити до іскрових розрядів.

Біоструми — рух іонів і електронів, відіграють важливу роль у всіх процесах життєзабезпечення організмів. Біоелектричні потенціали, що виникають при цьому існують як на внутріклітинному рівні, так і в окремих частинах тіла та органах живих організмів.

Передавання нервових імпульсів відбувається за допомогою електрохімічних сигналів. Деякі тварини здатні накопичувати електричний потенціал у кілька сотень вольт і використовують це для самозахисту. (електричний скат генерує струм силою до 30 А при напрузі 50…200 В, електричний вугор — генерує розряд зі струмом 0,1…1,0 А напругою 300…650 В).

Електробезпека[ред.ред. код]

Докладніше: Електробезпека

Електробезпека — це система організаційних та технічних заходів і засобів, що забезпечують захист людей від шкідливого та небезпечного впливу електричного струму, електричної дуги, електромагнітного поля і статичної електрики. Правила електробезпеки регламентуються правовими і технічними документами, нормативно-технічною базою. Знання основ електробезпеки обов'язкове для персоналу, що обслуговує електроустановки і електроустаткування.

Види наслідків при ураженні електричним струмом:

  • Електричний удар — дія струму на організм в результаті якого мязи тіла людини скорочуються (судорожно зменшуються) встановлено, що в результаті електричного удару можливий параліч важливих органів: серце, мозок.
  • Електрична травма — така дія струму під час якої пошкоджуються тканини — шкіра, мязи, кості, зв'язки. Особливу увагу представляють електричні травми у вигляді опіків, електричні опіки зявляються в місцях контакту тіла людини із провідниками, електричною дугою.
  • Електричний шок — нервова реакція організму на збудження ел. струмом, і вона проявляється в людини в порушенні дихання, кровообігу і обміну речовин, сильно діє на центральну нервову систему і приводить до скорочення мязів.

Порогові значення струму за результатами дії на людину:

  • безпечним вважається струм, тривале проходження якого через організм людини не робить йому шкоди і не викликає жодних відчуттів, його величина не перевищує 50 мкА змінного струму частотою 50 Гц і 100 мкА постійного струму;
  • мінімально відчутний людиною змінний струм становить близько 0,6…1,5 мА змінного струму (50 Гц) і 5…7 мА постійного струму;
  • пороговим невідпускаючим зветься мінімальний струм такої сили, при якій 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 періоду, більшого за 0,5с з великою ймовірність викликає фібриляцію серцевих м'язів. Цей поріг одночасно вважається умовно смертельним для людини.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. ДСТУ 3651.1-97 Метрологія. Одиниці фізичних величин. Похідні одиниці фізичних величин Міжнародної системи одиниць та позасистемні одиниці.
  2. а б ДСТУ 2815-94 Електричні й магнітні кола та пристрої. Терміни та визначення.
  3. а б в ДСТУ 2843-94 Електротехніка. Основні поняття. Терміни та визначення.
  4. Имянитов И. М. Атмосферное электричество // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 144—146. — 100 000 прим.

Джерела[ред.ред. код]

  • Білий М. У., Охріменко Б. А. Атомна фізика. — К.: Знання, 2009. — 559 с.
  • Кучерук І. М., Горбачук І. Т., Луцик П. П. Електрика і магнетизм // Загальний курс фізики. — К.: Техніка, 2006. — Т. 2. — 456 с.
  • Юхновський І. Р. Основи квантової механіки. — К.: Либідь, 2002. — 392 с.
  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория // Теоретическая физика. — М.: Физматлит, 2008. — Т. 3. — 800 с.
  • Сивухин Д. В. Электричество // Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2009. — Т. 3. — 656 с.
  • Тамм И. Е. Основы теории электричества. — М.: Наука, 1989. — 500 с.
  • Яворський Б.М., Детлаф А.А., Лебедєв А.К. ОДовідник з фізики для інженерів та студентів вищих навчальних закладів. — Т.: Навчальна книга - Богдан, 2007. — 1040 с. — ISBN 966-692-818-3

Посилання[ред.ред. код]