Gdje se koristi električna struja? Koje struje (električne) postoje? Glavne vrste električne struje (jednosmjerne i naizmjenične), njihove karakteristike i razlike. Osnovne mjerne veličine

Teme Kodifikator jedinstvenog državnog ispita : istosmjerna električna struja, struja, napon.

Struja pruža ugodan život savremeni čovek. Tehnološka dostignuća civilizacije - energetika, transport, radio, televizija, kompjuteri, mobilne komunikacije - zasnivaju se na upotrebi električne struje.

Električna struja je usmjereno kretanje nabijenih čestica, u kojem se naboj prenosi s jednog područja prostora na drugo.

Električna struja se može pojaviti u različitim okruženjima: čvrste materije, tečnosti, gasovi. Ponekad nije potreban medij - struja može postojati čak i u vakuumu! O tome ćemo svojevremeno govoriti, a za sada ćemo navesti samo nekoliko primjera.

Spojimo polove baterije metalnom žicom. Slobodni elektroni žice će započeti usmjereno kretanje od "minusa" baterije prema "plusu".
Ovo je primjer struje u metalima.

Bacite prstohvat kuhinjske soli u čašu vode. Molekuli soli disociraju na ione, tako da se u otopini pojavljuju slobodni naboji: pozitivni ioni i negativni ioni. Sada stavimo dvije elektrode spojene na polove baterije u vodu. Ioni će početi da se kreću prema negativnoj elektrodi, a joni će početi da se kreću prema pozitivnoj elektrodi.
Ovo je primjer struje koja prolazi kroz otopinu elektrolita.

Grmljavinski oblaci stvaraju tako snažna električna polja da je moguće probiti vazdušni jaz dug nekoliko kilometara. Kao rezultat, džinovsko pražnjenje - munja - prolazi kroz zrak.
Ovo je primjer električne struje u plinu.

U sva tri razmatrana primjera električna struja je uzrokovana kretanjem nabijenih čestica unutar tijela i naziva se struja provodljivosti.

Evo malo drugačijeg primjera. Pomjeraćemo nabijeno tijelo u prostoru. Ova situacija je u skladu sa definicijom struje! Prisutno je usmjereno kretanje naelektrisanja, prisutan je prijenos naelektrisanja u prostoru. Struja nastala kretanjem makroskopskog nabijenog tijela naziva se konvekcija.

Imajte na umu da svako kretanje nabijenih čestica ne stvara struju. Na primjer, haotično toplinsko kretanje naboja provodnika nije usmjereno (događa se u bilo kojem smjeru), pa stoga nije struja (kada nastane struja, slobodni naboji nastavljaju vršiti toplinsko kretanje! Samo u ovom slučaju , njihov uređeni drift u određenom smjeru dodaje se haotičnom kretanju nabijenih čestica
smjer).
Neće biti strujnog udara kretanje napred električno neutralno tijelo: iako nabijene čestice u njegovim atomima vrše usmjereno kretanje, nema prijenosa naboja iz jednog područja prostora u drugo.

Smjer električne struje

Smjer kretanja nabijenih čestica koje formiraju struju ovisi o predznaku njihovog naboja. Pozitivno nabijene čestice će se kretati od "plus" do "minus", a negativno nabijene će se kretati, naprotiv, od "minusa" do "plus". U elektrolitima i plinovima, na primjer, prisutni su i pozitivni i negativni slobodni naboji, a struja se stvara njihovim protu-kretanjem u oba smjera. Koji od ovih pravaca treba uzeti kao smjer električne struje?

Jednostavno, po dogovoru struja teče od "plus" do "minus"(Sl. 1; pozitivni terminal izvora struje je prikazan dugom linijom, negativni terminal kratkom linijom).

Ovaj sporazum dolazi u određeni sukob sa najčešćim slučajem metalnih provodnika. U metalu, nosioci naboja su slobodni elektroni i oni se kreću od "minus" do "plus". Ali prema konvenciji, prisiljeni smo pretpostaviti da je smjer struje u metalnom vodiču suprotan kretanju slobodnih elektrona. Ovo, naravno, nije baš zgodno.

Međutim, tu se ništa ne može učiniti - ovu situaciju morate uzeti zdravo za gotovo. Ovako se to istorijski desilo. Izbor smjera struje predložio je Amper (Amperu je bio potreban dogovor o smjeru struje da bi dao jasno pravilo za određivanje smjera sile koja djeluje na provodnik sa strujom u magnetskom polju. Danas smo ovu silu nazvati Amperovom, čiji je smjer određen pravilom lijeve ruke) u prvoj polovini 19. stoljeća, 70 godina prije otkrića elektrona. Svi su se navikli na ovaj izbor, a kada je 1916. godine postalo jasno da je struja u metalima uzrokovana kretanjem slobodnih elektrona, ništa se nije promijenilo.

Djelovanje električne struje

Kako možemo odrediti da li struja teče ili ne? Pojava električne struje može se suditi prema njenim sljedećim manifestacijama.

1. Toplotni efekat struja. Električna struja uzrokuje zagrijavanje tvari u koju teče. Tako se zagrijavaju zavojnice grijača i žarulja sa žarnom niti. Zbog toga vidimo munje. Rad termoampermetara zasniva se na termičkom širenju provodnika koji vodi struju, što dovodi do pomeranja igle instrumenta.

2. Magnetski efekat struje. Električna struja stvara magnetsko polje: igla kompasa koja se nalazi pored žice okreće se okomito na žicu kada se struja uključi. Magnetno polje struje može se višestruko pojačati namotavanjem žice oko željezne šipke kako bi se stvorio elektromagnet. Rad ampermetara magnetoelektričnog sistema zasniva se na ovom principu: elektromagnet rotira u polju stalnog magneta, zbog čega se igla instrumenta kreće duž skale.

3. Hemijski efekat struje. Kada struja prolazi kroz elektrolite, može se uočiti promjena hemijski sastav supstance. Dakle, u otopini se pozitivni ioni kreću do negativne elektrode, a ova elektroda je presvučena bakrom.

Električna struja se zove trajno, ako isti naboj prolazi poprečnim presjekom provodnika u jednakim vremenskim intervalima.

Jednosmjernu struju je najlakše naučiti. Tu počinjemo.

Jačina i gustina struje

Kvantitativna karakteristika električne struje je jačina struje. U slučaju jednosmerne struje, apsolutna vrijednost struje je omjer apsolutne vrijednosti naboja koji prolazi kroz poprečni presjek provodnika za vrijeme do ovog vremena:

(1)

Struja se mjeri u ampera(A). Sa strujom od A, naelektrisanje C prolazi kroz poprečni presek provodnika u c.

Naglašavamo da formula (1) određuje apsolutnu vrijednost, odnosno modul, struje.
Trenutna snaga također može imati predznak! Ovaj znak nije povezan sa predznakom naelektrisanja koji formira struju i izabran je iz drugih razloga. Naime, u brojnim situacijama (na primjer, ako nije unaprijed jasno kuda će struja teći), zgodno je fiksirati određeni smjer zaobilaženja kruga (recimo suprotno od kazaljke na satu) i smatrati jačinu struje pozitivnom ako smjer struje poklapa se sa smjerom zaobilaženja, a negativan ako struja teče u suprotnom smjeru (uporedite s trigonometrijskim krugom: uglovi se smatraju pozitivnim ako se broje u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, a negativnim ako u smjeru kazaljke na satu).

U slučaju jednosmjerne struje, jačina struje je konstantna vrijednost. Pokazuje koliko naelektrisanja prolazi kroz poprečni presek provodnika u sekundi.

Često je zgodno preskočiti površinu poprečnog presjeka i unijeti vrijednost gustina struje:

(2)

gdje je jačina struje, je površina poprečnog presjeka vodiča (naravno, ovaj poprečni presjek je okomit na smjer struje). Uzimajući u obzir formulu (1) imamo i:

Gustoća struje pokazuje koliko naboja prolazi u jedinici vremena kroz jediničnu površinu poprečnog presjeka vodiča. Prema formuli (2) gustina struje se mjeri u A/m2.

Brzina usmjerenog kretanja naboja

Kada upalimo svjetlo u prostoriji, čini nam se da se sijalica odmah upali. Brzina prostiranja struje kroz žice je vrlo velika: blizu je km/s (brzina svjetlosti u vakuumu). Da je sijalica na Mesecu, upalila bi se za nešto više od sekunde.

Međutim, ne treba misliti da se besplatni naboji koji formiraju struju kreću tako ogromnom brzinom. Ispostavilo se da je njihova brzina samo djelić milimetra u sekundi.

Zašto struja putuje kroz žice tako brzo? Činjenica je da besplatne naknade međusobno djeluju i da su pod utjecajem električno polje strujni izvor, kada je zatvoren, krugovi se počinju kretati gotovo istovremeno duž cijelog vodiča. Brzina širenja struje je brzina prenosa električne interakcije između slobodnih naelektrisanja, a bliska je brzini svjetlosti u vakuumu. Brzina kojom se sami naboji kreću unutar provodnika može biti mnogo reda veličine manja.

Dakle, još jednom naglasimo da razlikujemo dvije brzine.

1. Trenutna brzina širenja. Ovo je brzina kojom električni signal putuje kroz kolo. Blizu km/s.

2. Brzina usmjerenog kretanja besplatnih punjenja. Ovo je prosječna brzina kretanja naboja koji formiraju struju. Također se zove brzina drifta.

Sada ćemo izvesti formulu koja izražava jačinu struje kroz brzinu usmjerenog kretanja naelektrisanja provodnika.

Neka provodnik ima površinu poprečnog presjeka (slika 2). Slobodna naelektrisanja provodnika smatraćemo pozitivnima; Označimo veličinu slobodnog naboja (u najpraktičnijem slučaju metalnog vodiča, to je naboj elektrona). Koncentracija slobodnih naboja (tj. njihov broj po jedinici zapremine) jednaka je .

Rice. 2. Izvesti formulu

Koji će naboj proći kroz poprečni presjek našeg provodnika u vremenu?

S jedne strane, naravno,

(3)

S druge strane, presjek će preći svi oni slobodni naboji koji će se nakon nekog vremena naći unutar cilindra visine . Njihov broj je jednak:

Stoga će njihov ukupni naboj biti jednak:

(4)

Izjednačavanjem desne strane formula (3) i (4) i smanjenjem za , dobijamo:

(5)

U skladu s tim, ispada da je gustina struje jednaka:

Kao primjer, izračunajmo brzinu kretanja slobodnih elektrona u bakrenoj žici pri struji A.

Naelektrisanje elektrona je poznato: Cl.

Kolika je koncentracija slobodnih elektrona? Poklapa se sa koncentracijom atoma bakra, budući da je jedan valentni elektron uklonjen iz svakog atoma. Pa, znamo kako pronaći koncentraciju atoma:

Stavimo mm. Iz formule (5) dobijamo:

Gospođa.

To je otprilike jedna desetina milimetra u sekundi.

Stacionarno električno polje

Stalno govorimo o usmjerenom kretanju naboja, ali se još nismo dotakli pitanja Zašto besplatni naboji obavljaju takav pokret. Zašto se električna struja zapravo javlja?

Za pravilno kretanje naelektrisanja unutar provodnika potrebna je sila koja djeluje na naboje u određenom smjeru. Odakle dolazi ova moć? Sa strane električnog polja!

Da bi jednosmjerna struja tekla u vodiču, unutar provodnika mora postojati stacionarna struja.(tj. konstantno, nezavisno od vremena) električno polje. Drugim riječima, između krajeva vodiča mora se održavati konstantna razlika potencijala.

Stacionarno električno polje mora biti stvoreno naelektrisanjem vodiča uključenih u električni krug. Međutim, nabijeni provodnici sami po sebi ne mogu osigurati protok jednosmjerne struje.

Razmotrimo, na primjer, dvije provodne kugle nabijene suprotno. Hajde da ih povežemo žicom. Između krajeva žice će nastati razlika potencijala, a unutar žice će se pojaviti električno polje. Struja će teći kroz žicu. Ali kako struja prolazi, razlika potencijala između kuglica će se smanjiti, praćeno smanjenjem jačine polja u žici. Na kraju će potencijali kuglica postati jednaki jedni drugima, polje u žici će pasti na nulu, a struja će nestati. Našli smo se u elektrostatici: kuglice i žica čine jedan provodnik, u čijoj tački potencijal poprima istu vrijednost; tenzija
Polje unutar provodnika je nula, nema struje.

Činjenica da elektrostatičko polje samo po sebi nije pogodno za ulogu stacionarnog polja koje stvara struju jasno je iz opštijih razmatranja. Na kraju krajeva, elektrostatičko polje je potencijalno; njegov rad pri kretanju naboja po zatvorenoj stazi je nula. Posljedično, ne može uzrokovati kruženje naboja kroz zatvoreni električni krug - to zahtijeva rad koji nije nula.

Ko će raditi ovaj ne-nulti posao? Ko će održavati razliku potencijala u kolu i osigurati stacionarno električno polje koje stvara struju u provodnicima?

Odgovor je izvor struje, najvažniji element električnog kola.

Da bi jednosmjerna struja tekla u vodiču, krajevi vodiča moraju biti spojeni na terminale izvora struje (baterija, akumulator, itd.).

Priključci izvora su nabijeni provodnici. Ako je krug zatvoren, tada se naboji s terminala kreću duž strujnog kruga - kao u primjeru s kuglicama o kojem smo gore govorili. Ali sada se razlika potencijala između terminala ne smanjuje: izvor struje kontinuirano dopunjuje naboje na terminalima, održavajući razliku potencijala između krajeva kruga na konstantnoj razini.

Ovo je svrha DC izvora. U njemu se odvijaju procesi neelektričnog (najčešće hemijskog) porekla koji obezbeđuju kontinuirano razdvajanje naelektrisanja. Ovi naboji se isporučuju na terminale izvora u potrebnoj količini.

Kvantitativne karakteristike neelektričnih procesa razdvajanja naelektrisanja unutar izvora - tzv. EMF - proučavaćemo kasnije, u odgovarajućem listu.

Vratimo se sada na stacionarno električno polje. Kako se to javlja u provodnicima kola u prisustvu izvora struje?

Nabijeni terminali izvora stvaraju električno polje na krajevima vodiča. Slobodni naboji vodiča koji se nalaze u blizini terminala počinju se kretati i djelovati svojim električnim poljem na susjedne naboje. Brzinom bliskom brzini svjetlosti, ova interakcija se prenosi duž cijelog kola, a u krugu se uspostavlja konstantna električna struja. Stabilizira se i električno polje stvoreno pokretnim nabojima.

Stacionarno električno polje je polje slobodnih naelektrisanja provodnika koji vrši usmereno kretanje.

Stacionarno električno polje se ne mijenja s vremenom jer se sa konstantnom strujom obrazac raspodjele naboja u provodniku ne mijenja: umjesto naboja koji je napustio dati dio provodnika, potpuno isti naboj dolazi u sljedećem trenutku u vrijeme. Iz tog razloga, stacionarno polje je na mnogo načina (ali ne na sve) slično elektrostatičkom polju.

Naime, tačne su sljedeće dvije tvrdnje koje će nam kasnije trebati (njihov dokaz je dat na fakultetskom kursu fizike).

1. Kao i elektrostatičko polje, stacionarno električno polje je potencijalno. To nam omogućava da govorimo o razlici potencijala (tj. naponu) na bilo kojem dijelu kola (to je razlika potencijala koju mjerimo voltmetrom).
Potencijalnost, podsjetimo, znači da rad stacionarnog polja za pomicanje naboja ne ovisi o obliku putanje. Zato je, kada su vodiči spojeni paralelno, napon na svakom od njih isti: jednak je razlici potencijala stacionarnog polja između dvije tačke na koje su provodnici spojeni.
2. Za razliku od elektrostatičkog polja, stacionarno polje pokretnih naelektrisanja prodire unutar provodnika (činjenica je da slobodni naboji, koji učestvuju u usmerenom kretanju, nemaju vremena da se pravilno preurede i poprime "elektrostatičke" konfiguracije).
Linije intenziteta stacionarnog polja unutar provodnika paralelne su s njegovom površinom, bez obzira na to kako je provodnik savijen. Stoga, kao iu jednoličnom elektrostatičkom polju, vrijedi formula, gdje je napon na krajevima provodnika, jačina stacionarnog polja u provodniku i dužina provodnika.

Otkrića vezana za električnu energiju radikalno su promijenila naše živote. Koristeći električnu struju kao izvor energije, čovječanstvo je napravilo napredak u tehnologijama koje su nam olakšale postojanje. Danas električna energija pokreće strugove, automobile, kontroliše robotsku opremu i obezbeđuje komunikacije. Ova lista se može nastaviti veoma dugo. Čak je i teško imenovati industriju u kojoj možete bez struje.

Koja je tajna tako masovne upotrebe električne energije? Uostalom, u prirodi postoje i drugi izvori energije koji su jeftiniji od električne energije. Ispostavilo se da je sve o transportu.

Električna energija se može isporučiti gotovo svuda:

• do proizvodne radionice;
• stan;
• na polju;
• u rudnik, pod vodu itd.

Struja pohranjena u bateriji možete nositi sa sobom. Koristimo ga svaki dan tako što sa sobom nosimo mobilni telefon. Nijedan drugi oblik energije nema takva univerzalna svojstva kao električna energija. Nije li to dovoljan razlog da se dublje prouči priroda i svojstva električne energije?

Šta je električna struja?

Električni fenomeni su opaženi dugo vremena, ali je čovjek relativno nedavno uspio objasniti njihovu prirodu. Udar groma je izgledao kao nešto neprirodno, neobjašnjivo. Pucketanje nekih predmeta kada su ih trljali izgledalo je čudno. Češalj koji je svjetlucao u mraku nakon češljanja krzna životinja (na primjer, mačke) izazvao je zbunjenost, ali je podstakao zanimanje za ovaj fenomen.

Kako je sve počelo

Čak su i stari Grci poznavali svojstvo ćilibara, protrljanog vunom, da privlači određene male predmete. Inače, naziv "elektricitet" dolazi od grčkog naziva za ćilibar - "elektron".

Kada su fizičari počeli pomno proučavati elektrifikaciju tijela, počeli su razumjeti prirodu takvih pojava. A prva kratkotrajna električna struja koju je stvorio čovjek pojavila se kada su dva naelektrizirana objekta spojena vodičem (vidi sliku 1). Godine 1729. Englezi Grej i Viler otkrili su provodljivost naelektrisanja u određenim materijalima. Ali nisu mogli dati definiciju električne struje, iako su shvatili da se naboji kreću od jednog tijela do drugog duž provodnika.

Rice. 1. Iskustvo sa nabijenim tijelima

O električnoj struji, kako fizički fenomen počeli su razgovarati tek nakon što je talijanski Volta dao objašnjenje za Galvanijeve eksperimente, a 1794. godine izumio je prvi svjetski izvor električne energije - galvansku ćeliju (Voltin stup). On je potkrijepio uređeno kretanje nabijenih čestica u zatvorenom krugu.

Definicija

U modernom tumačenju električna struja je usmjereno kretanje nabijenih čestica pod djelovanjem sila električnog polja.Nosioci naboja metalnih provodnika su elektroni, a nosioci naboja otopina kiselina i soli su negativni i pozitivni ioni. Poluvodički nosioci naboja su elektroni i rupe.

Da bi električna struja postojala, električno polje mora postojati cijelo vrijeme. Mora postojati razlika potencijala koja podržava prisustvo prva dva uslova. Sve dok su ovi uslovi ispunjeni, naelektrisanja će se kretati na uredan način duž delova zatvorenog električnog kola. Ovaj zadatak obavljaju izvori električne energije.

Takvi uslovi mogu se stvoriti, na primjer, upotrebom elektroforne mašine (slika 2). Ako se dva diska rotiraju u suprotnim smjerovima, oni će biti nabijeni suprotnim nabojima. Na četkama pored diskova pojavit će se razlika potencijala. Povezivanjem kontakata sa provodnikom, prisilićemo naelektrisane čestice da se kreću na uredan način. Odnosno, elektroforska mašina je izvor električne energije.

Slika 2. Elektrofor mašina

Trenutni izvori

Prvi izvori električna energija ko je pronašao praktična upotreba, su galvanske ćelije koje su gore navedene. Poboljšane galvanske ćelije (popularno poznate kao baterije) se široko koriste do danas. Koriste se za napajanje kontrolnih ploča, elektronskih satova, dječjih igračaka i mnogih drugih naprava.

Izumom generatora naizmjenične struje električna energija je dobila drugi vjetar. Doba elektrifikacije gradova, a kasnije i svega naselja. Električna energija je postala dostupna svim građanima razvijenih zemalja.

Danas čovječanstvo traži obnovljive izvore električne energije. Solarni paneli i vjetroelektrane već zauzimaju svoje niše u energetskim sistemima mnogih zemalja, uključujući i Rusiju.

Karakteristike

Električnu struju karakteriziraju veličine koje opisuju njena svojstva.

Jačina i gustina struje

Termin „jačina struje“ se često koristi za opisivanje karakteristika električne energije. Naziv nije sasvim prikladan, jer karakterizira samo intenzitet kretanja električnih naboja, a ne neku vrstu sile u doslovnom smislu. Međutim, koristi se ovaj izraz, a označava količinu električne energije (naelektrisanja) koja prolazi kroz ravninu poprečnog presjeka provodnika. SI jedinica struje je amper (A).

1 A znači da u jednoj sekundi električni naboj od 1 C prođe kroz poprečni presjek provodnika. (1A = 1 C/s).

Gustina struje je vektorska veličina. Vektor je usmjeren prema kretanju pozitivnih naboja. Modul ovog vektora jednak je omjeru jačine struje na određenom presjeku vodiča okomito na smjer kretanja naboja na područje ovog presjeka. U SI sistemu se mjeri u A/m 2. Gustina opširnije karakterizira električnu energiju, ali se u praksi češće koristi vrijednost „jačina struje“.

Razlika potencijala (napon) u dijelu strujnog kola izražava se relacijom : U = I× R, Gdje U- voltaža, I– jačina struje, i R- otpor. Ovo je čuveni Ohmov zakon.

Snaga

Električne sile vrše rad protiv aktivnog i reaktivnog otpora. Kod pasivnih otpora rad se pretvara u toplotnu energiju. Snaga je rad obavljen u jedinici vremena. U odnosu na električnu energiju koristi se izraz „snaga gubitka topline“. Fizičari Joule i Lenz dokazali su da je snaga gubitka topline provodnika jednaka struji pomnoženoj s naponom: P = I× U. Jedinica snage je vat (W).

Frekvencija

Naizmjeničnu struju također karakterizira frekvencija. Ova karakteristika pokazuje kako se mijenja broj perioda (oscilacija) u jedinici vremena. Jedinica frekvencije je herc. 1 Hz = 1 ciklus u sekundi. Standardna frekvencija industrijske struje je 50 Hz.

Bias current

Koncept "struje pomjeranja" uveden je radi praktičnosti, iako se u klasičnom smislu ne može nazvati strujom, jer nema prijenosa naboja. S druge strane, intenzitet magnetsko polje zavisi od struja provođenja i pomaka.

U kondenzatorima se mogu uočiti struje prednapona. Iako se tokom punjenja i pražnjenja nema naelektrisanja između ploča kondenzatora, struja prednapona teče kroz kondenzator i dovršava električni krug.

Vrste struje

Prema načinu nastanka i svojstvima električna struja može biti konstantna ili promjenjiva. Konstanta je ona koja ne mijenja svoj smjer. Uvek teče u jednom pravcu. Naizmjenična struja povremeno mijenja smjer. Varijabilna struja se odnosi na bilo koju struju osim jednosmjerne struje. Ako se trenutne vrijednosti ponavljaju u nepromijenjenom nizu u pravilnim intervalima, tada se takva električna struja naziva periodična.

AC klasifikacija

Vremenski promjenjive struje mogu se klasificirati na sljedeći način:

1. Sinusoidno, povinovanje sinusoidnoj funkciji u vremenu.
2. kvazistacionarni – promjenjivi, koji se polako mijenjaju tokom vremena. Konvencionalne industrijske struje su kvazistacionarne.
3. Visoka frekvencija – čija frekvencija prelazi desetine kHz.
4. Pulsirajući – čiji se puls periodično mijenja.

Postoje i vrtložne struje koje nastaju u provodniku prilikom promjene magnetni fluks. Foucaulti, kako ih još zovu, ne teku kroz žice, već formiraju vrtložne krugove. Indukcijska struja ima istu prirodu kao vrtložna struja.

Brzina drifta elektrona

Električna energija putuje kroz metalni provodnik brzinom svjetlosti. Ali to ne znači da nabijene čestice jure od pola do pola istom brzinom. Elektroni u metalnim provodnicima nailaze na otpor atoma na svom putu, tako da je njihovo stvarno kretanje samo 0,1 mm u sekundi. Prava, uređena brzina kretanja elektrona u provodniku naziva se drift.

Ako polove izvora struje zatvorite vodičem, oko vodiča se formira električno polje brzinom munje. Što je veći EMF izvora, jačina je električnog polja. Reagujući na napetost, naelektrisane čestice momentalno preuzimaju naređeno kretanje i počinju da lebde.

Smjer električne struje

Tradicionalno se vjeruje da je vektor električne struje usmjeren prema negativnom polu izvora. Ali elektroni se zapravo kreću prema pozitivnom polu. Tradicija je nastala zbog činjenice da je smjer vektora odabran da bude kretanje pozitivnih iona u elektrolitima, koji zapravo teže negativnom polu.

Elektroni provodljivosti s negativnim nabojem u metalima otkriveni su kasnije, ali fizičari nisu promijenili svoja početna uvjerenja. To je učvrstilo tvrdnju da je struja usmjerena od plusa do minusa.

Električna struja u raznim okruženjima

U metalima

Nosioci struje u metalnim provodnicima su slobodni elektroni, koji zbog slabih električnih veza nasumično lutaju unutra kristalne rešetke(Sl. 3). Čim se EMF pojavi u vodiču, elektroni počinju da driftuju na uredan način prema pozitivnom polu izvora napajanja.

Rice. 3. Električna struja u metalima

Kao rezultat prolaska struje, u provodnicima nastaje otpor, koji ometa protok elektrona i dovodi do zagrijavanja. Tokom kratkog spoja, stvorena toplota je toliko jaka da uništava provodnik.

U poluprovodnicima

U svom normalnom stanju, poluvodič nema slobodnih nosača naboja. Ali ako povežete dvije različite vrste poluvodiča, onda kada su spojene direktno, oni se pretvaraju u provodnik. To se događa jer jedan tip ima pozitivno nabijene ione (rupe), dok drugi ima negativne ione (atome s dodatnim elektronom).

Pod naponom, elektroni iz jednog poluprovodnika žure da zamene (rekombinuju) rupe u drugom. Nastaje naređeno kretanje besplatnih naknada. Ova vrsta provodljivosti naziva se provodljivost elektron-rupa.

U vakuumu i gasu

Električna struja je moguća i u jonizovanom gasu. Naboj nose pozitivni i negativni joni. Ionizacija gasova je moguća pod uticajem zračenja ili usled jakog zagrevanja. Pod uticajem ovih faktora dolazi do pobuđivanja atoma koji se pretvaraju u jone (slika 4).

Slika 4. Električna struja u plinovima

Prema tome, u vakuumu električni naboji ne nailaze na otpor. naelektrisane čestice kreću se brzinom skorom svetlosti. Nosioci naboja su elektroni. Za stvaranje struje u vakuumu potrebno je stvoriti izvor elektrona i dovoljno veliki pozitivni potencijal na elektrodi.

Primjer bi bio rad vakuumske cijevi ili katodne cijevi.

U tečnostima

Odmah da rezervišemo - nisu sve tečnosti provodnici. Električna struja je moguća u kiselim, alkalnim i slanim rastvorima. Drugim riječima, u sredinama gdje postoje nabijeni joni.

Ako dvije elektrode spustite u otopinu i spojite ih na polove izvora, između njih će teći električna struja (slika 5). Pod uticajem EMF-a, kationi će juriti na katodu (minus), a anjoni na anodu. U tom slučaju na elektrodama će se pojaviti kemijski učinak - na njih će se taložiti atomi otopljenih tvari. Ova pojava se naziva elektroliza.

Rice. 5.

Za bolje razumijevanje svojstava električne struje u različitim okruženjima, predlažem da pogledate sliku na slici 6. Obratite pažnju na strujno-naponske karakteristike (4. stupac).

Rice. 6. Električna struja u medijima

Provodnici električne struje

Među mnogim supstancama, samo nekoliko su provodnici. Metali su dobri provodnici. Važna karakteristika provodnika je njegova otpornost.

Postoji mali otpor:

• svi plemeniti metali;
• bakar;
• aluminijum;
• lim;
• olovo.

U praksi se najčešće koriste aluminijumski i bakreni provodnici, jer nisu preskupi.

električna sigurnost

Unatoč činjenici da je električna energija postala dio naših života, ne treba zaboraviti na električnu sigurnost. Visoki naponi su opasni po život, a kratki spojevi izazivaju požar.

Prilikom izvođenja radova na popravci potrebno je striktno pridržavati se sigurnosnih pravila: nemojte raditi pod visokim naponom, koristiti zaštitnu odjeću i specijalni alat, koristiti noževe za uzemljenje itd.

U svakodnevnom životu koristite samo električnu opremu koja je predviđena za rad u odgovarajućoj mreži. Nikada nemojte instalirati greške umjesto osigurača.

Zapamtite da elektrolitski kondenzatori velike snage imaju veliki električni kapacitet. Energija akumulirana u njima može se pojaviti čak i nekoliko minuta nakon isključenja iz mreže.

Statički elektricitet. Ako se žuti ćilibar trlja vunom ili krznom, tada ćilibar stječe svojstvo da privlači kosu, lišće i slamke dugo vremena. Sposobnost ćilibara da privuče druge tvari uzrokovana je njegovim nabojem. Naboj tijela znači električni naboj. Pod određenim uslovima, naelektrisanje se zadržava na naelektrisanim tijelima, zbog čega se naziva statički elektricitet.

Količina električne energije naelektrisanih tijela i udaljenost između njih utječu na njihovu interakciju. Pravila koja se tijela pridržavaju prilikom interakcije nazivaju se Kulonov zakon. Formuliše se na sledeći način: sila koja deluje između dva naelektrisana tela direktno je proporcionalna količini električne energije na svakom od tela i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između naelektrisanja.

Električno nabijena tijela, koja su udaljena jedno od drugog, doživljavaju određenu silu. Prostor u kojem te sile djeluju naziva se električnim polje sile. Unutar električnog polja sile djeluju u određenom smjeru. Linije duž kojih djeluju sile električnog polja nazivaju se linije sila. Njihov smjer u bilo kojoj tački polja uzima se kao smjer u kojem će se pozitivni naboj kretati u ovom polju. Posljedično, električno polje izolovanog negativnog naboja usmjereno je prema naboju (slika 1), a linije sila koje djeluju između pozitivnog i negativnog naboja usmjerene su prema negativnom naboju. Linije sila sličnih naelektrisanja se međusobno odbijaju (slika 2).

Rice. 1
Rice. 2

Električna struja i smjer kretanja elektrona. Pri proučavanju zakona električne struje prvo se pretpostavljalo da je električna struja usmjerena od pozitivno na negativno nabijena tijela. Uz pomoć kasnijih istraživanja otkriveno je da se elektroni kreću od negativno nabijenih u pozitivno nabijena ili neutralna tijela.

Međutim, prva pozicija je zaživjela, koja je činila osnovu svih električnih mjerenja i elektrotehničke prakse. Ali uprkos tome, u savremenim uslovima postoji pravilo koje definira električnu struju kao tok elektrona usmjeren od minusa ka plusu.

Električni potencijal. Sile koje djeluju na tijela imaju tendenciju da ih dovedu u položaj u kojem će potencijalna energija tijela biti najmanja (npr. razlivena voda teče do najnižih mjesta, para se kreće u cijevi od tačke sa manje do tačke sa više potencijalne energije). Da bi se voda prenijela potencijalna energija, može se podići na određenu visinu. Ove odredbe se odnose i na električnu struju.

Električni potencijal se može stvoriti uklanjanjem ili dodavanjem elektrona neutralnom tijelu. U prvom slučaju tijelo stječe pozitivan naboj, odnosno povećava se potencijal tijela (izvršen je rad na uklanjanju elektrona), u drugom - negativan naboj i njegov potencijal će biti negativan. Električna energija teče od višeg ka nižem potencijalu.

Telo možete isprazniti od električnog naboja tako što ćete ga povezati sa zemljom, odnosno uzemljiti telo. Zbog međusobnog odbijanja, električni naboji tijela teže da se ravnomjerno rasporede na nabijeno tijelo i tlo. Međutim, zbog činjenice da je zemlja neuporedivo veća od nabijenog tijela, sva naelektrisanja iz nje će otići u zemlju i tijelo će postati neutralno, odnosno električni bezbedno.

DC električni krug. Električna struja čija se vrijednost ne mijenja tokom vremena naziva se konstantnom. Izvor električne struje s linearnim žicama spojenim na njega i potrošač struje čine zatvoreni električni krug kroz koji teče električna struja. Najjednostavniji električni krug ima izvor i potrošač električne struje i dvije linearne žice koje ih povezuju (slika 3). Kao izvori jednosmerne električne struje koriste se baterije, generatori - električne mašine koje pokreću mehanički motori, galvanske ćelije i niz drugih uređaja. Potrošači električne struje mogu biti električni grijači, luk za zavarivanje, žarulje za rasvjetu itd.

Rice. 3

Kondenzatori. Pri istom pritisku može se smjestiti posuda veće zapremine velika količina gas Neka analogija se može povući s električnim nabojem. Što je provodnik veća, to je veći njegov kapacitet za električna naelektrisanja, odnosno veći je njegov električni kapacitet.

Pojedinačni provodnici imaju nisku kapacitivnost. Stoga se kondenzatori koriste za stvaranje rezerve električnih naboja. Kondenzator je uređaj koji, unatoč svojoj relativno maloj veličini, može akumulirati velike električne naboje. U svom najjednostavnijem obliku, kondenzator se sastoji od dvije metalne ploče odvojene dielektrikom (vazduh, liskun, voštani papir, itd.). Ovisno o vrsti dielektrika, kondenzator se naziva zrak, papir, liskun itd. Jedna ploča kondenzatora je napunjena pozitivnim nabojima, a druga - negativnim nabojima. Snažna međusobna privlačnost zadržava naboje, omogućavajući da se veliki broj naboja akumulira u kondenzatoru.

Kapacitet kondenzatora zavisi od površine njegovih ploča. Kondenzator čije ploče imaju veću površinu može primiti više naboja.

Osnovna mjerna jedinica za električnu kapacitivnost je farad (f). U praksi se koriste manje jedinice: mikrofarad ( 1 µF = 0,000 001 f ), pikofarad ( 1 pf = 0,000 001 µF ).

U tehnologiji se kondenzatori koriste u različitim električnim i radio krugovima.

Elektromotorna sila izvora struje. Voltaža. Ako dvije posude s različitim nivoima vode spojite cijevi, voda će teći u posudu s nižim nivoom. Ulivanjem vode u jednu od posuda, možete osigurati da voda kontinuirano teče kroz cijev. Slična slika se opaža u električnom kolu. Za vrijeme prolaska električne struje u kolu potrebno je održavati razliku potencijala na polovima izvora struje.

Sila koja održava razliku potencijala, osiguravajući prolaz struje kroz električni krug, naziva se elektromotorna sila i konvencionalno se označava e. d.s. Razlika potencijala potrebna za provođenje struje kroz električni krug naziva se napon između krajeva električne mete.

Napon stvara strujni izvor. Kada je strujni krug otvoren, napon postoji na polovima ili terminalima izvora struje. Kada je izvor struje spojen na kolo, napon se pojavljuje iu pojedinim dijelovima kola, što određuje struju u kolu. Nema napona, nema struje u kolu.

Električni otpor. Kada se u kolu pojavi električna struja, slobodni elektroni se pod utjecajem sila električnog polja kreću duž vodiča. Kretanje elektrona ometaju atomi i molekuli vodiča koji se nailaze na tom putu, tj. električno kolo se opire prolasku električne struje. Električni otpor provodnika je svojstvo tijela ili medija da pretvara električnu energiju u toplinsku energiju kada električna struja prolazi kroz njega.

Razne supstance imaju različite količine elektrona i različitog rasporeda atoma. Stoga otpor vodiča ovisi o materijalu od kojeg je napravljen. Dobri provodnici su srebro , bakar, . Imaju veliki otpor gvožđe, ugalj. Uz to, otpor ovisi o dužini i površini poprečnog presjeka vodiča. Što je duži provodnik istog poprečnog preseka, veći je njegov otpor, i obrnuto: što je veći poprečni presek provodnika iste dužine, to je njegov otpor manji.

Zagrijavanje povećava otpornost većine metala i legura. Za čiste metale ovo povećanje je otprilike 4% za svaki 10° porast temperature. Samo neke posebne metalne legure ( manganin , konstantan itd.) gotovo ne mijenjaju svoj otpor s povećanjem temperature.

Reostati. Uređaji koji se mogu koristiti za regulaciju struje u kolu promjenom otpora nazivaju se reostati. Postoji nekoliko vrsta reostata, na primjer: reostat s kliznim kontaktom, reostat poluge, reostat svjetiljke itd.

Rice. 4

Reostat sa kliznim kontaktom je projektovan na sledeći način (slika 4). Metalna žica visoke otpornosti namotana je oko cilindra napravljenog od izolatora, a terminali su pričvršćeni na krajeve žice kako bi se reostat spojio na kolo. Klizač je pričvršćen na vrh cilindra na metalnoj šipki, čvrsto dodirujući zavoje žice. Reostat je spojen na kolo pomoću jednog od terminala na žici reostata i terminala na metalnoj šipki klizača. Pomicanjem klizača u jednom ili drugom smjeru, dužina spojene žice se povećava ili smanjuje i na taj način mijenja otpor kruga.

Reostat tipa poluge sastoji se od niza žičanih spirala postavljenih na izolacijski okvir. Na jednoj strani okvira, krajevi spirala su spojeni na niz metalnih kontakata. Metalna ručka, koja se okreće oko ose, može se čvrsto pritisnuti na jedan ili drugi kontakt. Ovisno o položaju ručke, različit broj spirala može biti uključen u lanac.

Mjerenje struje, napona i otpora. Eksperimenti pokazuju da što je veća količina električne energije koja teče kroz provodnik u isto vrijeme, to je jači učinak struje. Dakle, električna struja je određena količinom električne energije koja teče kroz poprečni presjek vodiča u jedinici vremena. Količina električne energije koja teče kroz poprečni presjek provodnika u 1 sek, naziva se jačina električne struje. Jedinica struje se uzima 1 a , odnosno jačina takve struje pri kojoj 1 sek prolazi kroz poprečni presek provodnika 1 privezak struja. Amper je označen slovom A . Jedinica struje ampera dobila je ime po francuskom naučniku Amperu.

Engleski fizičar Faraday, proučavajući fenomen struje koja prolazi kroz tekuće provodnike, otkrio je da je težina tvari koje se oslobađaju na elektrodama direktno proporcionalna količini električne energije koja prolazi kroz otopinu. Na osnovu toga je uspostavljena jedinica za količinu električne energije.

Jediničnom količinom električne energije uzima se količina električne energije koja se, prolaskom kroz otopinu srebrove soli, oslobađa na elektrodi 1.118 mg srebro. Ova jedinica se zove kulan.

Na osnovu definicije električne struje, njena jačina se može odrediti pomoću formule

I - jačina struje u kolu;

Q - količina električne energije koja teče u vrijednosti, u kulonima;

T - vrijeme prolaska električne energije u strujnom kolu u sekundama.

U tehnologiji postoji i koncept kao što je gustina struje.

Gustoća struje naziva se omjer jačine struje i površine poprečnog presjeka vodiča. Obično se površina poprečnog presjeka vodiča daje u kvadratnim milimetrima, tako da se gustina struje mjeri u a/mm 2 .

Zamislite električni krug koji se sastoji od izvora struje, provodnika i sijalice spojenih u seriju. Jačina struje u svim dijelovima ovog kola je ista, što znači da je količina struje koja teče kroz žice i sijalicu u isto vrijeme ista. Međutim, količina energije koja se oslobađa u pojedinim dijelovima lanca varira. To možete lako provjeriti ako rukom dodirnete žice koje dovode struju do sijalice - one su hladne, dok je kosa sijalice vruća. Oslobađanje različitih količina energije u različitim dijelovima kola je uzrokovano činjenicom da u tim dijelovima kola postoje različiti naponi.

Napon u datom dijelu kola pokazuje koliko će energije biti oslobođeno u datom dijelu kada kroz njega prođe jedinična količina električne energije.

Jedinicom napona se uzima napon pri kojem se napon oslobađa u dijelu kola. 1 džul energija ( 1 kg m=9,8 džula ), ako kroz ovo područje protiče 1 kulon električne energije. Jedinica za napon se zove volt om i skraćeno je kao V . Jedinica za napon "volt" nazvan po italijanskom naučniku Volti.

Ako je na bilo kojem dijelu kola napon jednak 1 in, to znači da prolaskom svakog kulona elektriciteta kroz ovu dionicu, 1 džul energije.

Prilikom mjerenja visokog napona, jedinica tzv kilovolt i skraćeno kao kv . Kilovolt je hiljadu puta veći od volta: 1 kV=1000 V . Koristi se za mjerenje malih napona millivolt (mv ) - jedinica hiljadu puta manja od volta: 1 mV = 0,001 V .

Izvor električne struje uključen u električnu metu troši energiju da savlada otpor kola. Jedinica otpora se zove ohm u čast njemačkog naučnika Ohma, koji je otkrio zakone električne struje; ohm - električni otpor između dvije tačke linearnog provodnika, u kojima je razlika potencijala 1 in proizvodi struju u 1 a . Električni otpor je označen sa dva slova ohm .

Pri mjerenju velikih otpora koriste se mnogo veće jedinice od ohm : kiloohm (com ) I mega (mgom ). 1 com = 1000 ohma ,1 mg = 1.000.000 oma .

Svojstva provodnika u odnosu na njihov električni otpor procjenjuju se otpornošću. Specifični otpor je otpor provodnika dužine 1m sa poprečnim presekom od 1 mm 2 . Otpornost se također mjeri u omima.

Ako spojite jedan veliki galvanski element u električno kolo koje se sastoji od sijalice i ampermetra, primijetit ćete da kroz kolo teče vrlo slaba struja, a nit sijalice ne svijetli. Čim se galvanski element zamijeni novom baterijom iz baterijske lampe, struja u krugu se povećava i žarulja žarulje svijetli jako. Izmjerivši napon na krajevima kruga kada su element i baterija uključeni, vidjet ćemo da je kada je baterija uključena, napon mnogo veći.

Iz toga slijedi da se struja u vodiču povećava s povećanjem napona na krajevima vodiča. Spajanjem dvije sijalice u seriju umjesto jedne, udvostručujemo otpor kola. Sada vidimo da se struja u kolu smanjila. Proučavajući zavisnost jačine struje od otpora i napona, njemački naučnik Ohm je ustanovio da je jačina struje u vodiču direktno proporcionalna naponu na krajevima vodiča i obrnuto proporcionalna otporu provodnika. Ovaj odnos između struje, napona i otpora naziva se Ohmov zakon, koji je jedan od osnovnih zakona električne struje.

Ohmov zakon se izražava sljedećom formulom:

Gdje I - struja u A ;

V - napon u V ;

R - otpor u ohm .

Ohmov zakon se ne odnosi samo na DC. lanac, ali i na bilo koji njegov dio. Struja u bilo kojem dijelu električnog kola jednaka je naponu na krajevima tog dijela podijeljenom sa njegovim otporom.

Serijska veza u električnom kolu. U većini slučajeva, električni krug se sastoji od nekoliko potrošača struje (slika 5). Spoj strujnih potrošača, u kojem je kraj jednog vodiča spojen na početak drugog, kraj drugog na početak trećeg itd., naziva se serijski.

Rice. 5

Pošto je otpor direktno proporcionalan dužini vodiča, otpor kola je jednak zbiru otpora pojedinačnih vodiča, jer uključivanje nekoliko vodiča povećava dužinu strujnog puta. Struja u pojedinim dijelovima kola bit će ista. Stoga će pad napona u svakoj sekciji biti proporcionalan otporu ove sekcije.

Paralelno povezivanje u električnom kolu nazivaju takvu vezu kada su počeci svih provodnika spojeni u jednoj tački, a njihovi krajevi u drugoj tački (slika 6). Kod paralelne veze postoji nekoliko puteva za prolaz električne struje (slika 6). Struja između paralelno povezanih potrošača raspoređuje se obrnuto proporcionalno otporima potrošača. Ako pojedinačni potrošači imaju isti otpor, oni će imati istu struju. Što je manji otpor pojedinog potrošača, to će kroz njega proći veća struja.

Fig.6

Zbir struja pojedinih sekcija u paralelnom kolu jednak je ukupnoj struji u tački grananja kola.

Ako u serijski spojenom kolu dodavanje novih potrošača električne struje povećava otpor kola, kod paralelnog spoja on se smanjuje: spojeni novi otpor povećava ukupni poprečni presjek vodiča, koji se sastoji od zbira poprečnog kola. -presjeci provodnika svih potrošača. I kao što znate, što je veći poprečni presjek vodiča na konstantnoj dužini, to je manji otpor.

Zanemarujući otpor spojnih žica, možemo pretpostaviti da se napon izvora struje primjenjuje na svaki potrošač paralelnog kola. Stoga je prednost paralelne veze neovisnost rada svakog potrošača struje. Možete isključiti bilo koji potrošač bez prekidanja protoka struje kroz ostale. Promjenom otpora jednog od potrošača promijenit ćemo struju u njegovom krugu. Za ostale potrošače struja se neće promijeniti.

Rice. 7

Mješoviti priključak u električnom kolu. Vrlo često se u električnim krugovima javlja mješovita veza. Mješoviti priključak je spoj u kojem postoji i serijski i paralelni priključak potrošača električne struje (slika 7). Da biste odredili otpor nekoliko vodiča povezanih u mješoviti krug, prvo pronađite otpor paralelno ili serijski spojenih vodiča, a zatim ih zamijenite jednim vodičem s otporom jednakim pronađenom. Na ovaj način se kolo pojednostavljuje, svodeći ga na jedan provodnik čiji je otpor jednak ukupnom otporu složenog kola.

Rad i snaga električne struje. Električna struja može proizvesti rad. Sposobnost tijela da proizvodi rad naziva se energija tog tijela. Preko elektromotora struja pokreće električne vozove i alatne mašine. Zbog energije električne struje vrši se mehanički rad. Ako se provodnik kroz koji prolazi struja zagrije, energija struje se pretvara u toplinu. Uz različite manifestacije struje, uočava se transformacija električne energije u druge vrste energije.

U zatvorenom električnom kolu teče struja koja predstavlja kretanje električnih naboja. Za prijenos naboja u električnom kolu, izvor električne energije troši određenu količinu energije ili vrši rad jednak umnošku napona kola i količine električne energije koja se prenosi kroz kolo.

Ako postoji curenje u dijelu električnog kruga Q kulona električne energije, a napon na njemu jednak je V , zatim rad na ovom dijelu lanca A će biti jednako:

A = QV j.

Trenutno Ia tokom T sekundi prolazi kroz poprečni presjek provodnika IT = Q kulona električne energije. Dakle, rad struje u Ia pod tenzijom V tokom T sekundi će biti jednake:

A = IVT.

Rad struje se obično procjenjuje po njenoj snazi. Snaga struje je numerički jednaka radu koji struja proizvodi 1 sek. Stoga će trenutna snaga biti jednaka:

džula za 1 sek.

Jedinica mjere za snagu je watt (uto ). Jedan vat predstavlja trenutnu snagu 1 a na naponu od 1 in . Stoga, kako se struja i napon povećavaju, snaga raste. Za određivanje snage električne struje potrebno je napon u voltima pomnožiti sa strujom u amperima.

Zajedno sa vatom, često se mjeri i snaga kilovat (1 kW =1000 W ), hectowatt (1 GW=100 W ), milliwatt (1 mW=0,001 W ) I mikrovati (1 μW = 0,000 001 W ).

Rad električne struje može se odrediti ako se njena snaga pomnoži s vremenom prolaska struje: snaga je rad u 1 sek . Prihvaćena kao glavna jedinica rada vat-sekunda (Uto sec), odnosno rad struje struje 1 vat tokom 1 sek . Veće jedinice su vat-sat (1 vat sat=3600 vat sek ), hektovat-sat (1 GWh = 100 Wh ), kilovat-sat (1 kWh = 1000 Wh ).

Lenz-Jouleov zakon. Ruski akademik Lenz i engleski fizičar Joule, nezavisno jedan od drugog, ustanovili su da je tokom prolaska električne struje kroz provodnik količina toplote koju oslobađa provodnik direktno proporcionalna kvadratu jačine struje, otpora provodnika i vrijeme prolaska struje. Ovaj obrazac se zove Lenz-Joule kolo i izraženo formulom

Q = 0,24I 2 Rt ,

de Q - količina toplote u feces ;

0,24 - koeficijent proporcionalnosti, koji osigurava da je struja izražena u A, napon u V, a otpor - in ohm ;

I - struja u A ;

R - otpor provodnika u ohm ;

t - vrijeme tokom kojeg je struja tekla kroz provodnik, in sec .

Električni luk. Ako krajeve dva vodiča spojena na izvor električne struje približite jedan drugome, između njih će se stvoriti iskra. Odvajanjem krajeva, umjesto iskre dobijamo električni luk, stvarajući jako i zasljepljujuće svjetlo. Ako su karbonske šipke pričvršćene na krajeve vodiča, između njih će nastati i električni luk. Pojava luka se objašnjava na sljedeći način.

Kako temperatura ugljičnih šipki raste, brzina kretanja elektrona u uglju raste. S jakim zagrijavanjem, brzina kretanja slobodnih elektrona raste toliko da kada se ugljevi razdvoje, elektroni izlete iz štapova u međuelektrodni prostor. Kao rezultat djelovanja emitiranih elektrona na neutralne atome i intenzivnog zračenja svjetlosti zagrijanih krajeva elektroda, zrak između elektroda prestaje biti električno neutralan, odnosno stvara se plinski jaz između krajeva širine. elektrode, koja dobro provodi električnu struju i dolazi do električnog pražnjenja.

Sposobnost struje da stvori električni luk uspješno se koristi u zavarivanju. Zamjenom jedne od ugljičnih elektroda sa proizvodom koji se zavari, dobivamo električni luk koji gori između ovog proizvoda i druge karbonske elektrode. Međutim, trenutno najčešće korištena metoda je zavarivanje metalnim elektrodama. U ovom slučaju, umjesto ugljične elektrode, koristi se metalna elektroda. Luk zavarivanja gori između predmeta koji se zavari i metalne elektrode. Nakon što se metalna elektroda otopi, zamjenjuje se novom.

Kratki spoj. Hitni način rada električnog kruga, kada se zbog smanjenja njegovog otpora struja u njemu naglo povećava u odnosu na normalnu, naziva se kratki spoj. Kratki spoj nastaje kada je provodnik ili uređaj, itd. priključen na električni krug. sa vrlo malim otporom u poređenju sa otporom kola. Zbog malog otpora, struja će teći kroz kolo, mnogo veća od one za koju je kolo dizajnirano. Takva struja će uzrokovati oslobađanje velike količine topline, što će dovesti do ugljenisanja i izgaranja izolacije žice, topljenja žičanog materijala, oštećenja električnih mjernih instrumenata, topljenja kontakta prekidača, nožnih prekidača itd. Čak se i električni izvor može oštetiti. Stoga (zbog opasnih destruktivnih posljedica kratkog spoja, potrebno je pridržavati se određenih uvjeta prilikom postavljanja i rada električnih instalacija.

Kako bi se izbjeglo naglo i opasno povećanje struje u električnom kolu za vrijeme kratkog spoja, krug je zaštićen osiguračima. Osigurač je žica koja se niskog taljenja spoji serijski na strujni krug. Kada se struja poveća iznad određene vrijednosti, žica osigurača se zagrijava i topi, električni krug se automatski prekida i struja u njemu prestaje. Za različite sekcije zaštićenih žica i za različite potrošače energije koriste se različiti umeci osigurača. Osigurači mogu obaviti svoj posao pod uvjetom da su pravilno odabrani.

Rice. 8

Po svom dizajnu osigurači se dijele na utičnice (sl. 8, a), pločaste (sl. 8, b) i cijevne (sl. 8, c). fiksiran na svojoj bazi, na koji su spojene žice otvorenog kruga. U pločastim osiguračima, karika osigurača je pričvršćena na izolacijsku osnovu pomoću vrhova i vijaka. Žice kola koje treba otvoriti spojene su na vijke. Kod cevastih osigurača, topljivi dio se nalazi unutar porculanskih cijevi koje se lako skidaju.

U krugovima s visokom strujom i naponom, osigurači se rijetko koriste. U tim slučajevima je uređena još jedna automatska zaštita.

Nemoguće je zamisliti život moderne osobe bez struje. Volti, amperi, vati - ove riječi se čuju kada se govori o uređajima koji rade na struju. Ali šta je električna struja i koji su uslovi za njeno postojanje? O tome ćemo dalje govoriti, pružajući kratko objašnjenje za električare početnike.

Definicija

Električna struja je usmjereno kretanje nosača naboja - ovo je standardna formulacija iz udžbenika fizike. Zauzvrat, nosioci naboja nazivaju se određene čestice materije. Oni mogu biti:

• Elektroni su nosioci negativnog naboja.
• Joni su nosioci pozitivnog naboja.

Ali odakle potiču nosači naboja? Da biste odgovorili na ovo pitanje, morate zapamtiti osnovna znanja o strukturi materije. Sve što nas okružuje je materija; sastoji se od molekula, njenih najmanjih čestica. Molekule se sastoje od atoma. Atom se sastoji od jezgra oko kojeg se elektroni kreću po datim orbitama. Molekuli se takođe kreću nasumično. Kretanje i struktura svake od ovih čestica zavisi od same supstance i uticaja na nju okruženje, kao što su temperatura, napon itd.

Jon je atom čiji se odnos elektrona i protona promijenio. Ako je atom u početku neutralan, onda se ioni, pak, dijele na:

• Anion je pozitivni jon atoma koji je izgubio elektrone.
• Kationi su atom sa "dodatnim" elektronima vezanim za atom.

Jedinica mjerenja struje je Amper, prema kojoj se izračunava pomoću formule:

gdje je U napon, [V], a R otpor, [Ohm].

Ili direktno proporcionalno iznosu prenosa naknade po jedinici vremena:

gdje je Q – naboj, [C], t – vrijeme, [s].

Uslovi za postojanje električne struje

Shvatili smo šta je električna struja, a sada razgovarajmo o tome kako osigurati njen protok. Da bi električna struja tekla, moraju biti ispunjena dva uslova:

1. Prisustvo besplatnih nosača punjenja.
2. Električno polje.

Prvi uslov za postojanje i protok električne energije zavisi od supstance u kojoj struja teče (ili ne teče), kao i od njenog stanja. Drugi uslov je također izvodljiv: za postojanje električnog polja potrebno je prisustvo različitih potencijala između kojih postoji medij u kojem će teći nosioci naboja.

da vas podsjetimo: Napon, EMF je razlika potencijala. Iz toga proizilazi da je za ispunjenje uslova za postojanje struje - prisustvo električnog polja i električne struje potreban napon. To mogu biti ploče napunjenog kondenzatora, galvanski element ili EMF nastao pod utjecajem magnetskog polja (generatora).

Shvatili smo kako nastaje, hajde da pričamo o tome gde je usmerena. Struja, uglavnom u našoj uobičajenoj upotrebi, kreće se u provodnicima (električne instalacije u stanu, žarulje sa žarnom niti) ili u poluprovodnicima (LED, procesor vašeg pametnog telefona i druga elektronika), rjeđe u plinovima (fluorescentne sijalice).

Dakle, glavni nosioci naboja u većini slučajeva su elektroni; oni se kreću od minusa (tačka s negativnim potencijalom) do plusa (tačka s pozitivnim potencijalom, o tome ćete saznati više u nastavku).

Ali zanimljiva je činjenica da je smjer kretanja struje uzet kao kretanje pozitivnih naboja - od plusa do minusa. Iako se u stvari sve dešava obrnuto. Činjenica je da je odluka o smjeru struje donesena prije proučavanja njene prirode, a također i prije nego što je utvrđeno kako struja teče i postoji.

Električna struja u različitim okruženjima

Već smo spomenuli da se u različitim okruženjima električna struja može razlikovati po vrsti nosioca naboja. Mediji se mogu podijeliti prema prirodi njihove provodljivosti (u opadajućem redoslijedu provodljivosti):

1. Provodnik (metali).
2. Poluprovodnici (silicijum, germanijum, galijum arsenid, itd.).
3. Dielektrik (vakuum, vazduh, destilovana voda).

U metalima

Metali sadrže slobodne nosioce naboja, ponekad se nazivaju i "električni plin". Odakle dolaze besplatni nosači punjenja? Činjenica je da se metal, kao i svaka tvar, sastoji od atoma. Atomi se kreću ili vibriraju na ovaj ili onaj način. Što je temperatura metala viša, to je kretanje jače. U isto vrijeme, sami atomi uglavnom ostaju na svojim mjestima, zapravo formirajući strukturu metala.

U elektronskim omotačima atoma obično postoji nekoliko elektrona čija je veza s jezgrom prilično slaba. Pod uticajem temperatura, hemijske reakcije i interakcijom nečistoća, koje su u svakom slučaju u metalu, elektroni se odvajaju od njihovih atoma i nastaju pozitivno nabijeni ioni. Odvojeni elektroni nazivaju se slobodnim i kreću se haotično.

Ako na njih djeluje električno polje, na primjer, ako spojite bateriju na komad metala, haotično kretanje elektrona postat će uredno. Elektroni iz tačke u kojoj je povezan negativni potencijal (katoda galvanske ćelije, na primer) počeće da se kreću ka tački sa pozitivnim potencijalom.

U poluprovodnicima

Poluprovodnici su materijali u kojima u normalnom stanju nema slobodnih nosilaca naboja. Oni su u tzv. zabranjenoj zoni. Ali ako se primjenjuju vanjske sile, kao što su električno polje, toplina, različita zračenja (svjetlo, zračenje, itd.), one prevazilaze pojas i ulaze u slobodna zona ili zona provodljivosti. Elektroni se odvajaju od svojih atoma i postaju slobodni, formirajući ione - nosioce pozitivnog naboja.

Pozitivni nosači u poluvodičima nazivaju se rupe.

Ako jednostavno prenesete energiju na poluvodič, na primjer, zagrijete ga, počet će kaotično kretanje nosača naboja. Ali ako govorimo o poluvodičkim elementima, kao što su dioda ili tranzistor, tada će se EMF pojaviti na suprotnim krajevima kristala (na njih se nanosi metalizirani sloj i vodi se lemljuju), ali to se ne odnosi na tema današnjeg članka.

Ako na poluvodič primijenite izvor EMF-a, nosioci naboja će se također pomaknuti u provodni pojas, a počet će i njihovo usmjereno kretanje - rupe će ići u smjeru s nižim električnim potencijalom, a elektroni u smjeru s višim .

U vakuumu i gasu

Vakum je medij sa potpunim ( savršen slučaj) odsustvo gasova ili minimizirana (u stvarnosti) količina gasa. Pošto nema materije u vakuumu, nema mesta odakle bi došli nosioci naboja. Međutim, protok struje u vakuumu označio je početak elektronike i čitave ere elektronskih elemenata - vakuumskih cijevi. Korišteni su u prvoj polovini prošlog stoljeća, a 50-ih godina počeli su postepeno ustupati mjesto tranzistorima (u zavisnosti od specifičnog područja elektronike).

Pretpostavimo da imamo posudu iz koje je sav gas ispumpan, tj. u njemu je potpuni vakuum. U posudu su postavljene dvije elektrode, nazovimo ih anoda i katoda. Ako negativni potencijal izvora EMF spojimo na katodu, a pozitivni potencijal na anodu, ništa se neće dogoditi i struja neće teći. Ali ako počnemo zagrijavati katodu, struja će početi teći. Ovaj proces se naziva termoionska emisija - emisija elektrona sa zagrijane elektronske površine.

Na slici je prikazan proces strujanja u vakuumskoj cijevi. U vakuumskim cijevima, katoda se zagrijava obližnjim filamentom na slici (H), kao u svjetiljci za rasvjetu.

U isto vrijeme, ako promijenite polaritet napajanja - primijenite minus na anodu i primijenite plus na katodu - struja neće teći. Ovo će dokazati da struja u vakuumu teče zbog kretanja elektrona od KATODE ka ANODI.

Plin se, kao i svaka tvar, sastoji od molekula i atoma, što znači da ako je plin pod utjecajem električnog polja, tada će se pri određenoj jačini (jonizacijski napon) elektroni odvojiti od atoma, tada će oba uvjeta za protok električne struje će biti zadovoljeni - polje i slobodni mediji.

Kao što je već spomenuto, ovaj proces se naziva jonizacija. Može nastati ne samo od primijenjenog napona, već i od zagrijavanja plina, rendgenskog zračenja, pod utjecajem ultraljubičastog zračenja i drugih stvari.

Struja će teći kroz zrak, čak i ako je gorionik ugrađen između elektroda.

Protok struje u inertnim plinovima je praćen luminiscencijom plina; ovaj fenomen se aktivno koristi u fluorescentnim svjetiljkama. Protok električne struje u gasno okruženje nazvano gasno pražnjenje.

U tečnosti

Recimo da imamo posudu s vodom u koju su postavljene dvije elektrode na koje je priključen izvor napajanja. Ako je voda destilirana, odnosno čista i ne sadrži nečistoće, onda je to dielektrik. Ali ako u vodu dodamo malo soli, sumporne kiseline ili bilo koje druge tvari, nastaje elektrolit i kroz njega počinje teći struja.

Elektrolit je tvar koja provodi električnu struju zbog disocijacije na ione.

Ako u vodu dodate bakar sulfat, sloj bakra će se taložiti na jednoj od elektroda (katoda) - to se zove elektroliza, što dokazuje da se električna struja u tekućini odvija zbog kretanja jona - pozitivnih i negativnih. nosioci naboja.

Elektroliza je fizički i hemijski proces koji uključuje odvajanje komponenti koje čine elektrolit na elektrodama.

Tako nastaje bakrovanje, pozlata i premazivanje drugim metalima.

Zaključak

Da rezimiramo, da bi električna struja mogla teći, potrebni su besplatni nosači naboja:

• elektroni u provodnicima (metali) i vakuumu;
• elektroni i rupe u poluvodičima;
• joni (anjoni i kationi) u tečnostima i gasovima.

Da bi kretanje ovih nosača postalo uređeno, potrebno je električno polje. Jednostavnim riječima- dovedite napon na krajeve tijela ili instalirajte dvije elektrode u okruženju gdje se očekuje da teče električna struja.

Također je vrijedno napomenuti da struja utječe na supstancu na određeni način; postoje tri vrste utjecaja:

• termalni;
• hemijski;
• fizički.

Korisno

Šta danas zaista znamo o električnoj energiji? Prema moderni pogledi mnogo, ali ako se detaljnije udubite u suštinu ovog pitanja, ispostavit će se da čovječanstvo naširoko koristi električnu energiju bez razumijevanja istinska priroda ovaj važan fizički fenomen.

Svrha ovog članka nije opovrgavanje postignutih naučno-tehničkih primijenjenih rezultata istraživanja u oblasti električnih pojava, koje se široko koriste u svakodnevnom životu i industriji. modernog društva. Ali čovječanstvo se stalno suočava s nizom pojava i paradoksa koji se ne uklapaju u okvire modernih teorijskih koncepata o električnim pojavama - to ukazuje na nedostatak potpunog razumijevanja fizike ovog fenomena.

Također, danas znanost zna činjenice kada naizgled proučavane supstance i materijali pokazuju anomalnu provodljivost ( ) .

Fenomen supravodljivosti materijala također trenutno nema potpuno zadovoljavajuću teoriju. Postoji samo pretpostavka da supravodljivost jeste kvantni fenomen , koju proučava kvantna mehanika. Pažljivim proučavanjem osnovnih jednačina kvantne mehanike: Schrödingerove jednačine, von Neumannove jednačine, Lindbladove jednačine, Heisenbergove jednačine i Paulijeve jednačine, njihova nedosljednost će postati očigledna. Činjenica je da Schrödingerova jednačina nije izvedena, već se postulira metodom analogije s klasičnom optikom, na osnovu generalizacije eksperimentalnih podataka. Paulijeva jednačina opisuje kretanje nabijene čestice sa spinom 1/2 (na primjer, elektrona) u vanjskom elektromagnetskom polju, ali koncept spina nije povezan sa stvarnom rotacijom elementarna čestica, a takođe iu pogledu spina, postulira se da postoji prostor stanja koja ni na koji način nisu povezana sa kretanjem elementarne čestice u običnom prostoru.

U knjizi Anastasije Novykh "Ezoosmos" spominje se nelikvidnost kvantna teorija: „Ali evo kvantno-mehaničke teorije strukture atoma, koja atom smatra sistemom mikročestica koje se ne povinuju zakonima klasična mehanika, apsolutno nije relevantno . Na prvi pogled, argumenti njemačkog fizičara Heisenberga i austrijskog fizičara Schrödingera ljudima se čine uvjerljivima, ali ako se sve ovo sagleda s druge tačke gledišta, onda su njihovi zaključci samo djelimično tačni, a općenito su i jedni i drugi potpuno pogrešni. . Činjenica je da je prvi opisao elektron kao česticu, a drugi kao talas. Inače, princip dualnosti talas-čestica je takođe irelevantan, jer ne otkriva prelazak čestice u talas i obrnuto. Odnosno, učena gospoda ispadaju pomalo škrti. U stvari, sve je vrlo jednostavno. Općenito, želim reći da je fizika budućnosti vrlo jednostavna i razumljiva. Glavna stvar je doživjeti ovu budućnost. Što se tiče elektrona, on postaje talas samo u dva slučaja. Prvi je kada se gubi vanjski naboj, odnosno kada elektron ne stupa u interakciju s drugim materijalnim objektima, recimo sa istim atomom. Drugi, u predosmičkom stanju, odnosno kada se smanjuje unutrašnji potencijal» .

Isti električni impulsi generisani od strane neurona nervni sistem ljudski, podržavaju aktivno kompleksno raznoliko funkcioniranje tijela. Zanimljivo je napomenuti da je akcioni potencijal ćelije (pobudni val koji se kreće duž membrane žive ćelije u obliku kratkotrajne promjene membranskog potencijala na malom području ekscitabilne ćelije) u određenoj opseg (slika 1).

Donja granica akcionog potencijala neurona je na nivou od -75 mV, što je vrlo blizu vrijednosti redoks potencijala ljudske krvi. Ako analiziramo maksimalnu i minimalnu vrijednost akcionog potencijala u odnosu na nulu, onda je vrlo blizu zaokruženom postotku značenje zlatni omjer , tj. podjela intervala u omjeru 62% i 38%:

\(\Delta = 75 mV+40 mV = 115 mV\)

115 mV / 100% = 75 mV / x 1 ili 115 mV / 100% = 40 mV / x 2

x 1 = 65,2%, x 2 = 34,8%

Sve supstance i materijali poznati modernoj nauci provode elektricitet u ovom ili onom stepenu, jer sadrže elektrone koji se sastoje od 13 fantomskih Po čestica, koje su, zauzvrat, septonski snopovi („PRIMORDIALNA ALLATRA FIZIKA“ str. 61). Pitanje je samo koliki je napon električne struje koji je neophodan da bi se savladao električni otpor.

Pošto su električni fenomeni usko povezani sa elektronom, izveštaj „PRIMODIUM ALLATRA PHYSICS“ daje sledeće informacije o ovoj važnoj elementarnoj čestici: „Elektron je komponenta atoma, jedan od glavnih strukturnih elemenata materije. Elektroni formiraju elektronske ljuske svih danas poznatih atoma hemijski elementi. Oni učestvuju u gotovo svim električnim fenomenima kojih su naučnici danas svjesni. Ali šta je elektricitet, zvanična nauka još uvek ne može da objasni, ograničavajući se na opšte fraze da je to, na primer, „skup pojava izazvanih postojanjem, kretanjem i interakcijom naelektrisanih tela ili čestica nosilaca električnog naboja“. Poznato je da električna energija nije kontinuirani tok, već se prenosi u porcijama - diskretno».

Prema moderne ideje: « struja “je skup fenomena uzrokovanih postojanjem, interakcijom i kretanjem električnih naboja.” Ali šta je električni naboj?

Električno punjenje (količina električne energije) je fizička skalarna veličina (veličina čija se svaka vrijednost može izraziti jednim pravi broj), koji određuje sposobnost tijela da budu izvor elektromagnetnih polja i učestvuju u elektromagnetnoj interakciji. Električni naboji se dijele na pozitivna i negativna (ovaj izbor se u nauci smatra čisto proizvoljnim i svakom naelektrisanju se pripisuje vrlo specifičan znak). Tijela nabijena nabojem istog znaka odbijaju se, a ona suprotnog naboja privlače. Kada se nabijena tijela kreću (kako makroskopska tijela tako i mikroskopske nabijene čestice koje nose električnu struju u provodnicima), nastaje magnetsko polje i javljaju se pojave koje omogućavaju uspostavljanje odnosa između elektriciteta i magnetizma (elektromagnetizam).

Elektrodinamika proučava elektromagnetno polje u najopštijem slučaju (tj. razmatraju se vremenski zavisna varijabilna polja) i njegovu interakciju sa tijelima koja imaju električni naboj. Klasična elektrodinamika uzima u obzir samo kontinuirana svojstva elektromagnetnog polja.

Kvantna elektrodinamika proučava elektromagnetna polja koja imaju diskontinuirana (diskretna) svojstva, čiji su nosioci kvanti polja – fotoni. Interakcija elektromagnetno zračenje sa nabijenim česticama se u kvantnoj elektrodinamici smatra apsorpcijom i emisijom fotona od strane čestica.

Vrijedi razmisliti zašto se magnetsko polje pojavljuje oko vodiča sa strujom ili oko atoma u čijim se orbitama kreću elektroni? Činjenica je da " ono što se danas zove električna energija je zapravo posebno stanje septonskog polja , u procesima u kojima elektron u većini slučajeva učestvuje zajedno sa svojim drugim dodatnim "komponentama" "("PRIMODIUM ALLATRA FIZIKA" str. 90).

A toroidni oblik magnetskog polja određen je prirodom njegovog porijekla. Kako članak kaže: “Uzimajući u obzir fraktalne obrasce u Univerzumu, kao i činjenicu da je septonsko polje u materijalnom svijetu unutar 6 dimenzija osnovno, jedinstveno polje na kojem se zasnivaju sve interakcije poznate modernoj nauci, može se tvrditi da su svi takođe imaju oblik Tore. I ova izjava može predstavljati posebnu naučni interes za moderne istraživače". Stoga će elektromagnetno polje uvijek imati oblik torusa, poput torusa septona.

Razmotrimo spiralu kroz koju teče električna struja i kako se tačno formira njeno elektromagnetno polje ( https://www.youtube.com/watch?v=0BgV-ST478M).

Rice. 2. Linije polja pravokutnog magneta

Rice. 3. Linije polja spirale sa strujom

Rice. 4. Linije polja pojedinih dijelova spirale

Rice. 5. Analogija između linija polja spirale i atoma sa orbitalnim elektronima

Rice. 6. Odvojeni fragment spirale i atoma sa linijama sile

ZAKLJUČAK: čovječanstvo tek treba da nauči tajne misteriozne pojave elektriciteta.

Peter Totov

Ključne riječi: PRIMORDIALNA FIZIKA ALLATRA, električna struja, elektricitet, priroda elektriciteta, električni naboj, elektromagnetno polje, kvantna mehanika, elektron.

književnost:

Novi. A., Ezoosmos, K.: LOTOS, 2013. - 312 str. http://schambala.com.ua/book/ezoosmos

Izveštaj “PRIMODIUM ALLATRA PHYSICS” međunarodne grupe naučnika Međunarodnog društvenog pokreta “ALLATRA”, ur. Anastasia Novykh, 2015;