Електричний струм

Електричний струм за напрямом протікає від позитивного полюса джерела живлення до негативного

Електри́чний струм — упорядкований рух заряджених частинок у просторі: у металах це електрони, у напівпровідниках — електрони та дірки, в електролітах - додатно та від'ємно заряджені йони, в іонізованих газах — йони й електрони.

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

Кількісні характеристики

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.

Силою струму через провідник називається величина

$I\,=\,\frac{\Delta q}{\Delta t}$,

що відповідає кількості заряду $\Delta q$, переміщеному через перетин провідника за проміжок часу $\Delta t$. У системі СІ сила струму вимірюється в амперах. Відповідно, густина струму вимірюється в A/м².

Якщо за кожен проміжок часу $\Delta t$ заряд $\Delta q$ однаковий і напрямок струму незмінний, то такий струм називають постійним.

У випадку, коли ці величини змінні, силу струму описують так:

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

Такий струм називають змінним.

Чим зумовлений струм

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 розпроділені 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.

Дія струму

Електричний струм створює магнітне поле, напруженість якого визначається законом Біо-Савара. Магнітне поле, створене струмом, використовується для вимірювання сили струму.

Проходження електричного струму через речовину приводить до тепловиділення. У випадку провідника зі скінченним опором це тепловиділення описується законом Джоуля-Ленца. 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 викликає світіння, що є частковим випадком електролюмінесценції. Аналогічні явища виникають у світлодіодах. При проходженні через електроліт електричний струм супроводжується хімічними реакціями на електродах, які можуть покриватися шаром металу, що виділяється з електроліту.

Вимірювання

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

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

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

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

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

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

Які види травм можливі під дією електричного струму

Електричний удар – дія струму на організм в результаті якого мязи тіла людини скорочуються (судорожно зменшуються) встановлено, що в результаті ел. удару можливий параліч важливих органів: серце, мозок. Ел. травма – така дія струму під час якої пошкоджуються тканини – шкіра, мязи, кості, зв’язки. Особливу увагу представляють ел. травми у вигляді опіків, ел. опіки зявляються в місцях контакту тіла людини із провідниками, ел. дугою. Ел. 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 (відпускаючого, невідпускаючого, смертельного) Відпускаючий пороговий струм 5 – 10 ммА, проходячи через тіло людини, вона може сама звільнитися від провідників. Невідпускаючий струм 10-15 ммА (50Гц). Смертельний струм 100 ммА (50Гц) ' 1. Як класифікують приміщення по ступеню небезпеки ураження електричним струмом? Згідно ПБЄ виробничі приміщення діляться на: 1. Приміщення без підвищеної небезпеки. Тобто в них знаходяться люди і відсутні умови які властиві приміщенням з підвищеною небезпекою і особливо небезпечних. 2. З підвищеною небезпекою – наявність сирості або електропровідної пилюки, висока температура в приміщенні. Можливість одночасного дотику людини із з’єднаними з землею металоконструкцій і до металевих корпусів електроустановок. 3. Особливо небезпечні: сирість в приміщенні ( близько 100%); виділяються хімічно активні речовини або органічні речовини в якому постійно або тривало перебувають люди. Тим самим утворюються агресивні гази. Пари. До таких приміщень відносяться: всі цехи машинобудівельних заводів, гальванічні цехи.

Захисні засоби від ураження електричним струмом? Згідно правил ПБЕ засоби захисту поділяють умовно на 3 групи: - ізолюючі; - огороджуючи; - запобіжні. Ізолюючі засоби діляться на основні і допоміжні. До основних відносять: діелектричні гумові рукавиці, інструменти з ізолюючими рукоятками, ізолюючі штанги, електровимірні кліщі, показчики напруги. Допоміжні призначені для підсилення основних ізолюючих засобів і використання при напрузі більше 1000 В: галоші, ковбики, ізолюючі підставки, гумові боти. Огорджуючі призначені для тимчасової огорожі струмопровідних частин електроустановок: різного виду щити, клітки, ковпаки, тимчасове заземлення, попереджуючі плакати. Запобіжні захисні пристрої використовуються для захисту індивідуально працюючих людей від світлового, теплового, механічного та хімічного впливів: захисні окуляри, протигази, рукавиці. Згідно ТБ обов’язково перевіряється справність засобів захисту, перевіряється візуально, а також періодично випробовуються. На гумові вироби ставиться клеймо дата випробовування і дата слідуючого випробування.

'

Див. також

• Електрика
• Електропровідність
• Правила Кірхгофа
• Конвекційний струм
• Дифузійний струм
• Вольт-амперна характеристика
• Надпровідність
• Струм зміщення
• Струм спливу (витоку)
• Струм у напівпровідниках
• Потенціал

Джерела

• 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.

Посилання

• Комп'ютерна модель для введення поняття електричного струму у 8 класі середньої школи (на Java)