Sähkö

Mikä on sähkövirta

Sähkö — sähköisesti varautuneiden hiukkasten suunnattu liike törmäyksen alaisena sähkökenttä... Tällaisia ​​hiukkasia voivat olla: johtimissa - elektroneja, elektrolyyteissä - ioneja (kationeja ja anioneja), puolijohteissa - elektroneja ja niin sanottuja "reikiä" ("elektronireikien johtavuus"). On myös "esijännite", jonka virtaus johtuu kapasitanssin latausprosessista, eli levyjen välisen potentiaalieron muutoksesta. Levyjen välillä ei tapahdu hiukkasten liikettä, vaan virta kulkee kondensaattorin läpi.

Sähköpiirien teoriassa virran katsotaan olevan varauksenkuljettajien suunnattua liikettä johtavassa väliaineessa sähkökentän vaikutuksesta.

Johtovirta (vain virta) sähköpiirien teoriassa on sähkön määrä, joka virtaa aikayksikköä kohti johtimen poikkileikkauksen läpi: i = q /T, missä i — virta. A; q = 1,6·109 — elektronin varaus, С; t - aika, s.

Tämä lauseke pätee DC-piireille. Vaihtovirtapiireille ns Hetkellinen virran arvo, joka on yhtä suuri kuin varauksen muutosnopeus ajan kuluessa: i (t) = dq /dt.

Ensimmäinen ehto tarkasteltavan tyyppisen sähkövirran pitkäaikaiselle olemassaololle on lähteen tai generaattorin läsnäolo, joka ylläpitää varauksenkuljettajien välistä potentiaalieroa. Toinen ehto on tien sulkeminen. Erityisesti tasavirran olemassaolo edellyttää suljettua polkua, jota pitkin varaukset voivat liikkua piirissä muuttamatta niiden arvoa.

Kuten tiedät, sähkövarausten säilymislain mukaisesti niitä ei voida luoda tai tuhota. Siksi, jos jokin tilavuus tilavuudesta, jossa sähkövirta kulkee, on suljettu pinnalla, siinä virtaavan virran tulee olla yhtä suuri kuin siitä ulos virtaava virta.

Tästä lisää: Edellytykset sähkövirran olemassaololle

Suljettua polkua, jonka kautta sähkövirta kulkee, kutsutaan sähköpiiriksi tai sähköpiiriksi. Sähköpiiri — jaettu kahteen osaan: sisäosaan, jossa sähköisesti varautuneet hiukkaset liikkuvat sähköstaattisten voimien suuntaa vastaan, ja ulompaan osaan, jossa nämä hiukkaset liikkuvat sähköstaattisten voimien suuntaan. Elektrodien päitä, joihin ulkoinen piiri on kytketty, kutsutaan kiinnikkeiksi.

Joten sähkövirta tapahtuu, kun sähkökenttä ilmestyy sähköpiirin osaan tai potentiaaliero johdon kahden pisteen välillä. Kahden pisteen mahdollinen ero virtapiiri kutsutaan jännitteeksi tai jännitehäviöksi piirin kyseisessä osassa.

Termin "virta" ("virtamäärä") sijasta käytetään usein termiä "virtavoimakkuus".Jälkimmäistä ei kuitenkaan voida kutsua onnistuneeksi, koska virran voimakkuus ei ole mikään voima sanan kirjaimellisessa merkityksessä, vaan vain sähkövarausten liikkeen intensiteetti johtimessa, sähkön määrä, joka kulkee aikayksikköä kohti ristin läpi. johtimen leikkauspinta-ala.
Virta on karakterisoitu ampeeri, joka SI-järjestelmässä mitataan ampeereina (A), ja virrantiheys, joka SI-järjestelmässä mitataan ampeereina neliömetriä kohti.

Yksi ampeeri vastaa yhden kulon (C) suuruisen sähkövarauksen liikettä johdon poikkileikkauksen läpi sekunnissa (s):

1A = 1C/s.

Yleisessä tapauksessa merkitsemällä virtaa kirjaimella i ja varauksella q, saamme:

i = dq / dt.

Virran yksikköä kutsutaan ampeeriksi (A).

Ampeeri (A) — tasavirran voimakkuus, joka kulkiessaan kahden rinnakkaisen, äärettömän pituisen ja poikkileikkaukseltaan merkityksettömän suoran johtimen läpi, jotka sijaitsevat tyhjiössä 1 m etäisyydellä toisistaan, muodostaa näiden johtimien väliin 2,10 -7 H jokaista pituusmetriä kohden.

Johdon virta on 1 A, jos 1 coulombin suuruinen sähkövaraus kulkee langan poikkileikkauksen läpi 1 sekunnissa.

Riisi. 1. Elektronien suunnattu liike johtimessa

Jos johtoon vaikuttaa jännite, syntyy sähkökenttä langan sisään. Kenttävoimakkuudella E voima f = Ee vaikuttaa varauksen e elektroneihin. Suuret e ja E ovat vektorisuureita. Vapaan polun aikana elektronit saavat suunnatun liikkeen kaoottisen liikkeen ohella. Jokaisella elektronilla on negatiivinen varaus ja se vastaanottaa vektorin E vastakkaisen nopeuskomponentin (kuva 1). Järjestetty liike, jolle on tunnusomaista tietty elektronien keskinopeus vcp, määrää sähkövirran kulkua.

Elektroneilla voi olla suunnattua liikettä harvinaisissa kaasuissa. Elektrolyyteissä ja ionisoiduissa kaasuissa virta johtuu pääasiassa ionien liikkeestä. Johdonmukaisesti sen tosiasian kanssa, että positiivisesti varautuneet ionit liikkuvat elektrolyyteissä positiivisesta navasta negatiiviseen napaan, historiallisesti virran suunnan on oletettu olevan päinvastainen kuin elektronien virtauksen suunta.

Virran suunta otetaan suunnaksi, johon positiivisesti varautuneet hiukkaset liikkuvat, ts. elektronin liikettä vastakkaiseen suuntaan.
Sähköpiirien teoriassa virran suunta passiivisessa piirissä (energialähteiden ulkopuolella) otetaan positiivisesti varautuneiden hiukkasten liikesuunnaksi korkeammasta potentiaalista alempaan. Tämä suunta otettiin heti sähkötekniikan kehityksen alussa ja se on ristiriidassa varauksenkuljettajien todellisen liikesuunnan kanssa - elektronit, jotka liikkuvat johtavissa väliaineissa miinuksesta plussaan.

Sähkövirran suunta elektrolyytissä ja vapaat elektronit johtimessa

Suuruutta, joka on yhtä suuri kuin virran suhde poikkipinta-alaan S, kutsutaan virrantiheydeksi: I / S

Tässä tapauksessa oletetaan, että virta jakautuu tasaisesti langan poikkileikkaukselle. Johtojen virrantiheys mitataan yleensä A / mm2.

Sähkövarausten kantajien tyypin ja niiden liikkumisvälineen mukaan ne jaetaan johtaviin virtoihin ja siirtymävirtoihin... Johtavuus jaetaan elektroniseen ja ioniseen. Kiinteissä tiloissa erotetaan kahden tyyppisiä virtoja: suora ja vaihtuva.

Sähköiskun siirtymistä kutsutaan ilmiöksi, jossa sähkövaraukset siirtyvät vapaassa tilassa liikkuvista varautuneista hiukkasista tai kappaleista.Sähkövirransiirron päätyyppi on varautuneiden alkuainehiukkasten liike (vapaiden elektronien liike elektroniputkissa), vapaiden ionien liike kaasupurkauslaitteissa.

Siirtymävirtaa (polarisaatiovirtaa) kutsutaan siihen liittyvien sähkövarausten kantajien järjestetyksi liikkeeksi. Tämän tyyppistä virtaa voidaan havaita dielektrikissä.

Kokonaissähkövirta — skalaariarvo, joka on yhtä suuri kuin sähkönjohtavuusvirran, sähköisen siirtovirran ja tarkasteltavan pinnan läpi kulkevan sähköisen siirtovirran summa.

Vakiota kutsutaan virraksi, jonka suuruus voi muuttua, mutta joka ei muuta etumerkkiään mielivaltaisen pitkään. Lue aiheesta lisää täältä: DC

Magnetointivirta — jatkuva mikroskooppinen (ampeerivirta), joka on syy magnetoituneiden aineiden sisäisen magneettikentän olemassaoloon.

Muuttujat, joita kutsutaan virraksi ja jotka muuttuvat ajoittain sekä suuruuden että etumerkin suhteen. Vaihtovirtaa kuvaava suure on taajuus (SI-järjestelmässä se mitataan hertseinä), mikäli sen voimakkuus muuttuu ajoittain.

Korkeataajuista vaihtovirtaa siirretään johtimen pinnan yli. Suurtaajuisia virtoja käytetään koneenrakennuksessa osien pintojen lämpökäsittelyyn ja hitsaukseen, metallurgiassa metallien sulatukseen. Vaihtovirrat jaetaan sinimuotoisiin ja ei-sinimuotoisiin… Sinimuotoinen virta on virta, joka muuttuu harmonisen lain mukaan:

i = sin wt,

missä olen, - huippu (korkein) nykyinen arvo, Ah,

Vaihtovirran muutosnopeudelle on ominaista sen taajuus, joka määritellään täydellisten toistuvien värähtelyjen lukumääränä aikayksikköä kohti.Taajuus on merkitty kirjaimella f ja mitataan hertseinä (Hz). Joten verkkovirran taajuus 50 Hz vastaa 50 täydellistä värähtelyä sekunnissa. Kulmataajuus w on virran muutosnopeus radiaaneina sekunnissa ja se liittyy taajuuteen yksinkertaisella suhteella:

w = 2pi f

Tasa- ja vaihtovirtojen kiinteät (kiinteät) arvot tarkoittavat isolla I-kirjaimella ei-stationaarisia (hetkellisiä) arvoja - kirjaimella i. Yleensä virran positiivinen suunta on positiivisten varausten liikesuunta.

Vaihtovirta Se on virta, joka muuttuu sinimuotoisen lain mukaan ajan myötä.

Vaihtovirralla tarkoitetaan myös perinteisten yksivaiheisten ja kolmivaiheisten verkkojen virtaa. Tässä tapauksessa vaihtovirran parametrit muuttuvat harmonisen lain mukaan.

Koska vaihtovirta muuttuu ajan myötä, yksinkertaiset DC-piireihin soveltuvat ratkaisut eivät sovellu suoraan tähän. Erittäin korkeilla taajuuksilla varaukset voivat värähdellä - virrata piirin paikasta toiseen ja takaisin. Tässä tapauksessa, toisin kuin tasavirtapiireissä, sarjaan kytkettyjen johtimien virrat voivat olla eriarvoisia.

AC-piireissä olevat kapasitanssit vahvistavat tätä vaikutusta. Lisäksi virran muuttuessa tunnetaan itseinduktiovaikutuksia, jotka tulevat merkittäviksi myös matalilla taajuuksilla, jos käytetään korkean induktanssin keloja.

Suhteellisen matalilla taajuuksilla AC-piiri voidaan silti laskea käyttämällä Kirchhoffin säännötjota on kuitenkin muutettava vastaavasti.

Erilaisia ​​vastuksia, induktoreja ja kondensaattoreita sisältävää piiriä voidaan pitää yleistettynä vastuksena, kondensaattorina ja induktorina, jotka on kytketty sarjaan.

Harkitse sellaisen piirin ominaisuuksia, joka on kytketty sinimuotoiseen vaihtovirtageneraattoriin. Vaihtovirtapiirien laskemista koskevien sääntöjen laatimiseksi sinun on löydettävä suhde jännitehäviön ja virran välillä tällaisen piirin kunkin komponentin osalta.

Lauhdutin pelaa täysin eri rooleja AC- ja DC-piireissä. Jos esimerkiksi sähkökemiallinen kenno on kytketty piiriin, niin kondensaattori alkaa latautuakunnes siinä oleva jännite on yhtä suuri kuin elementin emf. Sitten lataus pysähtyy ja virta putoaa nollaan.

Jos piiri on kytketty laturiin, niin yhdessä puolijaksossa elektronit virtaavat kondensaattorin vasemmasta levystä ja kerääntyvät oikealle ja toisessa - päinvastoin.

Nämä liikkuvat elektronit muodostavat vaihtovirran, jonka voimakkuus on yhtä suuri kondensaattorin molemmilla puolilla. Niin kauan kuin AC-taajuus ei ole kovin korkea, myös vastuksen ja induktorin läpi kulkeva virta on sama.

Vaihtovirtaa käyttävissä laitteissa vaihtovirta on usein tasasuuntautunut tasasuuntaajat tasavirran saamiseksi.

Sähkövirran johtimet

Sähkövirta kaikissa muodoissaan on kineettinen ilmiö, joka on analoginen nestevirtauksen kanssa suljetuissa hydraulijärjestelmissä. Analogisesti virran liikkeen prosessia kutsutaan "virtaukseksi" (virtavirrat).

Materiaalia, jossa virta kulkee, kutsutaan kapellimestari… Jotkut materiaalit menevät suprajohtavuuteen matalissa lämpötiloissa. Tässä tilassa ne eivät juurikaan vastusta virtaa, niiden vastus on yleensä nolla.

Kaikissa muissa tapauksissa johdin vastustaa virran virtausta, ja sen seurauksena osa sähköhiukkasten energiasta muuttuu lämmöksi.Ampeeri voidaan laskea Ohmin laki piirin poikkileikkaukselle ja Ohmin laille koko piirille.

Hiukkasten liikenopeus lankoissa riippuu langan materiaalista, hiukkasen massasta ja varauksesta, ympäristön lämpötilasta, käytetystä potentiaalierosta ja on paljon pienempi kuin valon nopeus. Itse sähkövirran etenemisnopeus on kuitenkin yhtä suuri kuin valon nopeus tietyssä väliaineessa, eli sähkömagneettisen aallon etuosan etenemisnopeus.

Miten sähkö vaikuttaa ihmiskehoon

Ihmisen tai eläimen kehon läpi kulkeva virta voi aiheuttaa palovammoja, värinää tai kuoleman. Toisaalta sähkövirtaa käytetään tehohoidossa, mielenterveyssairauksien, erityisesti masennuksen, hoitoon, tiettyjen aivoalueiden sähköstimulaatiota käytetään sairauksien kuten Parkinsonin taudin ja epilepsian hoitoon, sydämentahdistin, joka stimuloi sydänlihasta pulssilla. virtaa käytetään bradykardiaan. Ihmisillä ja eläimillä virtaa käytetään välittämään hermoimpulsseja.

Turvallisuussyistä henkilön minimivastaanottovirta on 1 mA. Virrasta tulee hengenvaarallinen noin 0,01 A:n voimakkuudesta alkaen. Virrasta tulee ihmiselle tappava noin 0,1 A:n voimakkuudesta alkaen. Alle 42 V:n jännite katsotaan turvalliseksi.