Що таке електричний струм? У підручнику фізикиє визначення:
ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ- Це впорядкований (спрямований) рух заряджених частинок під дією електричного поля. Частинками можуть бути: електрони, протони, іони, дірки.
В академічних підручникахвизначення описується так:
ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ- Це швидкість зміни електричного заряду в часі.
- Заряд електронів негативний.
- протони- Частки з позитивним зарядом;
- нейтрони- З нейтральним зарядом.
СИЛА СТРУМУ- Це кількість заряджених частинок (електрони, протони, іони, дірки), що протікають через поперечний переріз провідника.
Всі фізичні речовини, у тому числі метали складаються з молекул, що складаються з атомів, які в свою чергу складаються з ядер і електронів, що обертаються навколо них. Під час хімічних реакцій електрони переходять від одних атомів до інших, тому атоми однієї речовини відчувають нестачу в електронах, а атоми іншої речовини мають їх надлишок. Це означає, що речовини мають різноіменні заряди. У разі їх контакту електрони прагнутимуть перейти з однієї речовини в іншу. Саме це переміщення електронів і є ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ. Струм, який буде текти, доки заряди цих двох речовин не зрівняються. Натомість електрона, що пішов, приходить інший. Звідки? Від сусіднього атома, до нього — від його сусіда, до крайнього, до крайнього — від негативного полюса джерела струму (наприклад — батарейки). З іншого кінця провідника електрони йдуть позитивний полюс джерела струму. Коли всі електрони на негативному полюсі закінчаться, струм припиниться (батарея села).
Електричний струм нагріває провідник, яким тече. Тому:
1. Якщо побутова електрична мережа перевантажується, ізоляція поступово обвуглюється і обсипається. Виникає можливість короткого замикання, яке є дуже небезпечним.
2. Електричний струм, протікаючи проводами і побутовими приладами, зустрічає опір, тому «вибирає» шлях з найменшим опором.
3. Якщо відбувається коротке замикання, то сила струму різко зростає. При цьому виділяється велика кількість тепла, здатна розплавити метал.
4. Коротке замикання може статися через вологу. Якщо у випадку з коротким замиканням відбувається пожежа, то у випадку з впливом вологи на електроприлади насамперед страждає людина.
5. Удар електрикою дуже небезпечний, ймовірний смертельний результат. При протіканні електричного струму через організм людини опір тканин різко зменшується. В організмі відбуваються процеси нагрівання тканин, руйнування клітин, відмирання нервових закінчень.
Як убезпечити себе від ураження електричним струмом
Щоб убезпечити себе від впливу електричного струму, використовують засоби захисту від ураження електричним струмом: працюють у гумових рукавичках, використовують гумовий килимок, розрядні штанги, пристрої заземлення апаратури, робочих місць. Автоматичні вимикачі з тепловим захистом і захистом струму, так само є не поганим засобом захисту від ураження струмом, здатним зберегти життя людини. Коли я не впевнений у відсутності небезпеки ураження електричним струмом, при виконанні не складних операцій в електрощитових блоках апаратури, я як правило працюю однією рукою, а іншу руку кладу в кишеню. Тим самим унеможливлюється ураження струмом по дорозі рука-рука, у разі випадкового дотику до корпусу щита, або іншим масивним заземленим предметам.
Для гасіння пожежі, що виникла на електрообладнанні, використовують тільки порошкові або вуглекислотні вогнегасники. Порошкові гасять краще, але після засипання апаратури пилом з вогнегасника, цю апаратуру не завжди можна відновити.
Визначення 1
Струм є процесом, при протіканні якого (під безпосереднім впливом електричного поля) починає здійснюватись рух деяких заряджених частинок.
Такими зарядженими частинками можуть виступити різні елементи (все залежатиме від ситуації). Що стосується з провідниками, наприклад, у ролі таких частинок, виступлять електрони.
Поняття сили струму
Сила електричного струму представлятиме величину, що характеризує порядок руху електричних зарядів, чисельно рівну кількості заряду $\delta q$, який при цьому протікає крізь певну поверхню $S$ (що представляє поперечний переріз провідника) за одиницю часу:
$I=\frac(\delta q)(\delta t)$
З метою визначення сили струму $I$ потрібно розділити електричний заряд $\delta q$, що пройшов через поперечний переріз провідника за час $\delta t$, на цей час.
Сила струму буде залежною від заряду, який переноситься за допомогою всіх частинок, швидкості їх орієнтованого в конкретному напрямку руху та площі поперечного провідникового перерізу.
Розглянемо провідник із площею поперечного перерізу $S$. Заряд всіх частинок позначимо $q_$. В обсязі провідника, обмеженого двома перерізами, міститься $nS\delta l$ частинок, де $n$ представляє їхню концентрацію. Їхній загальний заряд виявиться таким:
$q=(q_о)(nS\delta I)$
За умови руху частинок із середньою швидкістю $v$, за час $\delta t=\frac(\delta I)(v)$ всі частинки, укладені в обсязі, що розглядається, встигнуть пройти через другий поперечний переріз, що означає відповідність сили струму розрахункам за такою формулою:
$I=(q_о)(nvS)$, де:
- $I$ - позначення сили електрики, що вимірюється в Амперах (А) або Кулонах/секунду;
- $q$ - заряд, що йде провідником, одиниця виміру Кулони (Кл);
У СІ одиницю сили струму вважають основною, а називається вона ампером (А). Вимірювальним приладом обрано амперметр, чий принцип роботи ґрунтується на магнітній дії струму.
Зауваження 1
При оцінці швидкості впорядкованого руху електронів усередині провідника, виконана згідно з формулою для мідного провідника при площі поперечного перерізу в один квадратний міліметр, ми отримуємо незначну величину (0,1мм/с).
Відмінність сили струму від напруги
У фізиці розрізняють такі поняття, як «сила струму» та «напруга». Між ними існують деякі відмінності, розгляд яких має важливе значення для розуміння принципу дії сили струму.
Під "силою струму" розуміється деяка кількість електрики, "напругою", водночас вважається міра потенційної енергії. У цьому дані поняття досить сильно взаємозалежні. Найважливішими факторами, що впливають на них, є:
- матеріал провідника;
- температура;
- зовнішні умови.
Відмінності можна спостерігати також у способі їх отримання. Якщо у разі на електричні заряди створюється напруга, струм виникне з допомогою дії напруги між точками схеми. Також існує відмінність і в порівнянні з таким поняттям, як енергоспоживання. Воно полягатиме саме у потужності. Так, якщо напруга потрібна для характеристики потенційної енергії, то струм уже характеризуватиме кінетичну енергію.
Способи визначення сили струму
Обчислюється сила струму практично із залученням спеціальних вимірювальних приладів чи з допомогою окремих формул (за умови наявності вихідних даних). Основною формулою, згідно з якою розраховується сила струму, виглядає так:
Існування електрики може бути постійним (наприклад, струм, що міститься в батарейці), а також змінним (струм у розетці). Висвітлення приміщень та робота всіх приладів електричного типу відбувається саме за допомогою дії змінної електрики. Основною відмінністю змінного струму від постійного виступає його сильніша схильність до трансформації.
Наочним прикладом дії змінного струму може також стати ефект включення люмінесцентних ламп. Так у процесі включення такої лампи починає здійснюватися рух заряджених частинок то вперед, то назад, що пояснює дію змінного струму. Саме цей вид електрики вважається найбільш поширеним у побуті. Відповідно до закону Ома, силу струму розраховують за формулою (для ділянки електроланцюга):
Сила струму, таким чином, виявляється прямо пропорційна напрузі $U$, що вимірюється у Вольтах, до ділянки ланцюга і обернено пропорційної $R$- опору провідника зазначеної ділянки, що виражається в Омах. Розрахунок сили електрики в повному ланцюзі розрахований таким чином:
$I=\frac(E)(R+r)$, де:
- $Е$ - електрорушійна сила, ЕРС, Вольт;
- $R$ - зовнішній опір, Ом;
- $r$ - внутрішній опір, Ом.
Основними способами визначення сили струму за допомогою систем приладів на практиці є:
- Магнітоелектричний вимірювальний метод. Його перевагами є висока чутливість і точність показань при незначному енергоспоживання. Зазначений спосіб застосовується виключно при визначенні величини сили постійного струму.
- Електромагнітний спосіб полягає у знаходженні сили струмів змінного та постійного типів шляхом процесу трансформації з електромагнітного поля сигнал магнітного модульного датчика.
- Непрямий метод спрямований визначення за рахунок вольтметра напруги при певному опорі.
Примітка 2
З метою знаходження сили струму, на практиці найчастіше застосовується спеціальний прилад амперметр. Такий пристрій включається в розриви електроланцюга в точці вимірювання сили електрозаряду, що пройшов за деякий час через переріз проводу.
При визначенні величини сили малої електрики застосовують міліамперметри, мікроамперметри, а також гальванометри, які також підключаються до певного місця в ланцюзі, де необхідно знайти силу струму. Підключення може бути виконане двома способами:
- послідовним;
- паралельним.
Визначення сили струму, що споживається, вважається не так часто затребуваним, як вимірювання напруги чи опору. У той самий час, без обчислення фізичної величини сили струму стає неможливим розрахунок споживаної потужності.
16. Електричний струм. Сила струму. Щільність струму
Електричний струм - спрямований рух електрично заряджених частинок під впливом електричного поля.
Сила струму (I) - скалярна величина, що дорівнює відношенню заряду (q), що пройшов через поперечний переріз провідника, до проміжку часу (t), протягом якого йшов струм.
I=q/t, де I-сила струму, q-заряд, t-час.
Одиниця виміру сили струму в системі СІ: [I]=1A (ампер)
17. Джерела струму. ЕДС джерела
Джерело струму - це пристрій, у якому відбувається перетворення будь-якого виду енергії на електричну енергію.
ЕРС – енергетична характеристика джерела. Це фізична величина, що дорівнює відношенню роботи, виконаної сторонніми силами при переміщенні електричного заряду по замкнутому ланцюзі, до цього заряду:
Вимірюється у вольтах (В).
Джерело ЕРС - двополюсник, напруга на затискачах якого не залежить від струму, що протікає через джерело і дорівнює його ЕРС. ЕРС джерела може бути задана або постійним, або як функція часу, або як функція від зовнішнього впливу, що управляє.
18. Закон Ома : сила струму, що тече по однорідній ділянці провідника, прямо пропорційна падінню напруги на провіднику:
-закон Ома в інтегральній формі R – електричний опір провідника
Величина, зворотна опору, називається провідністю. Величина, обернена питомим опором, називається питомою провідністю: Одиниця, обернена Ом, називається Сіменсом [См].
- закон Ома у диференційній формі.
19. Узагальнений закон Ома
Узагальнений закон Омавизначає зв'язок між основними електричними величинами на ділянці ланцюга постійного струму, що містить резистор та ідеальне джерело ЕРС (рис.1.2):
Формула справедлива для зазначених на рис.1.2 позитивних напрямів падіння напруги дільниці ланцюга ( Uab), ідеального джерела ЕРС ( Е) та позитивного напрямку струму ( I).
Закон Джоуля-Ленца
Вираз закону Джоуля – Ленца
Інтегральна форма закону
Якщо прийняти, що сила струму та опір провідника не змінюється протягом часу, то закон Джоуля – Ленца можна записати у спрощеному вигляді:
Застосувавши закон Ома та алгебраїчні перетворення, отримуємо наведені нижче еквівалентні формули:
Еквівалентні вирази теплоти згідно із законом Ома
Словове визначення закону Джоуля - Ленца
Якщо прийняти, що сила струму та опір провідника не змінюється протягом часу, то закон Джоуля – Ленца можна записати у спрощеному вигляді:
20. Магнітне поле - силове поле, що діє на рухомі електричні заряди і на тіла, що володіють магнітним моментом, незалежно від стану їх руху; магнітна складова електромагнітного поля
Магнітне поле може створюватися струмом заряджених частинок та/або магнітними моментами електроноватомах (і магнітними моментами інших частинок, що зазвичай проявляється значно меншою мірою) (постійні магніти).
Крім цього, воно виникає внаслідок зміни у часі електричного поля.
Основною силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції (Вектор індукції магнітного поля). З математичної точки зору- векторне поле, що визначає та конкретизує фізичне поняття магнітного поля. Нерідко вектор магнітної індукції називається для стислості просто магнітним полем (хоча, напевно, це не найсуворіше вживання терміна).
Ще однією фундаментальною характеристикою магнітного поля (альтернативної магнітної індукції та тісно з нею взаємопов'язаної, практично рівної їй за фізичним значенням) є векторний потенціал .
Разом, магнітне таелектричнеполя утворюютьелектромагнітне поле, проявами якого є, зокремасвітлота всі іншіелектромагнітні хвилі.
Магнітне поле створюється (породжується)струмом заряджених частинокабо таким, що змінюється в часіелектричним полем, або власнимимагнітними моментамичастинок (останні для однаковості картини можуть бути формально зведені до електричних струмів)
Графічне зображення магнітних полів
Для графічного зображення магнітних полів використовують лінії магнітної індукції. Лінія магнітної індукції – це лінія, у кожній точці якої вектор магнітної індукції спрямований щодо до неї.
| " |
Електричний струм є спрямоване рух електричних зарядів. Величина струму визначається кількістю електрики, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу.
Однією кількістю електрики, що проходить провідником, ми ще не можемо повністю охарактеризувати електричний струм. Дійсно, кількість електрики, що дорівнює одному кулону, може проходити по провіднику протягом однієї години, і також кількість електрики може бути пропущена по ньому протягом однієї секунди.
Інтенсивність електричного струму до другого випадку буде значно більшою, ніж у першому, так як та сама кількість електрики проходить у значно менший проміжок часу. Для характеристики інтенсивності електричного струму кількість електрики, що проходить провідником, прийнято відносити до одиниці часу (секунді). Кількість електрики, що проходить провідником в одну секунду, називається силою струму. Як одиниця сили струму в системі прийнятий ампер (а).
Сила струму - кількість електрики, що проходить через поперечний переріз провідника за одну секунду.
Сила струму позначається англійською літерою I.
Ампер - одиниця сили електричного струму (одна з ), позначається А. 1 А дорівнює силі струму, що не змінюється, який при проходженні по двох паралельним прямолінійним провідникам нескінченної довжини і мізерно малої площі кругового перерізу, розташованим на відстані 1 м один від одного у вакуумі, викликав на ділянці провідника довжиною 1 м силу взаємодії, рівну 2 10 -7 Н за кожен метр довжини.
Сила струму в провіднику дорівнює одному амперу, якщо щомиті через поперечний переріз його проходить один кулон електрики.
Ампер - сила електричного струму, у якому через поперечний переріз провідника кожну секунду проходить кількість електрики, що дорівнює одному кулону: 1 ампер = 1 кулон/1 секунду.
Часто застосовують допоміжні одиниці: 1 міліампер (ма) = 1/1000 ампер = 10-3 ампер, 1 мікроампер (мка) = 1/1000000 ампер = 10-6 ампер.
Якщо відома кількість електрики, що пройшла через переріз провідника за деякий проміжок часу, силу струму можна знайти за формулою: I=q/t
Якщо в замкнутому ланцюзі не має розгалужень, проходить електричний струм, то через будь-який поперечний переріз (у будь-якому місці ланцюга) проходить в секунду одну і ту ж кількість електрики, незалежно від товщини провідників. Це тим, що заряди що неспроможні накопичуватися у якомусь місці провідника. Отже, сила струму будь-де електричного ланцюга однакова.
У складних електричних ланцюгах з різними відгалуженнями це правило (постійність струму у всіх точках замкнутого ланцюга) залишається, звичайно, справедливим, але воно відноситься лише до окремих ділянок загального ланцюга, які можуть розглядатися як прості.
Вимірювання сили струму
Для вимірювання сили струму слугує прилад, який називається амперметром. Для вимірювання дуже малих сил струму застосовуються міліамперметри та мікроамперметри, або гальванометри. На рис. 1. показано умовне графічне зображення амперметра та міліамперметра на електричних схемах.
Мал. 1. Умовні позначення амперметра та міліамперметра
Мал. 2. Амперметр
Для того, щоб виміряти силу струму, потрібно включити амперметр у розрив ланцюга (див. рис. 3). Вимірюваний струм проходить від джерела через амперметр і приймач. Стрілка амперметр показує силу струму в ланцюзі. Де саме включити амперметр, тобто до споживача (вважаючи) або після нього, абсолютно байдуже, тому що сила струму в простому замкнутому ланцюгу (без розгалужень) буде однакова у всіх точках ланцюга.
Мал. 3. Увімкнення амперметра
Іноді помилково вважають, що амперметр, включений до споживача, буде показувати більшу силу струму, ніж після споживача. І тут вважають, що «частина струму» витрачається у споживачі приведення їх у дію. Це, звичайно, не так, і ось чому.
Електричний струм у металевому провіднику є електромагнітним процесом, що супроводжується впорядкованим рухом електронів по провіднику. Однак енергія переноситься не електронами, а електромагнітним полем, що оточує провідник.
Через будь-який поперечний переріз провідників простого електричного ланцюга проходить в точності те саме кількість електронів. Яка кількість електронів вийшла від одного полюса джерела електричної енергії, така сама кількість їх пройде через споживач і, звичайно, надійде до іншого полюса, джерела, бо електрони як матеріальні частинки витратитися при своєму русі не можуть.
Мал. 4. Вимірювання сили струму за допомогою мультиметра
У техніці зустрічаються дуже великі сили струму (тисячі ампер) та дуже маленькі (мільйонні частки ампера). Наприклад, сила струму електричної плитки приблизно 4 – 5 ампер, лампи розжарювання – від 0,3 до 4 ампер (і більше). Струм, що проходить через фотоелементи, становить лише кілька мікроампер. У головних дротах підстанцій, що дають електроенергію для трамвайної мережі, сила струму сягає тисяч ампер.
« Фізика – 10 клас»
Електричний струм- Спрямований рух заряджених частинок. Завдяки електричному струму висвітлюються квартири, рухаються верстати, нагріваються конфорки на електроплитах, працює радіоприймач і т.д.
Розглянемо найпростіший випадок спрямованого руху заряджених частинок – постійний струм.
Який електричний заряд називається елементарним?
Чому дорівнює елементарний електричний заряд?
Чим відрізняються заряди у провіднику та діелектриці?
Під час руху заряджених частинок у провіднику відбувається перенесення електричного заряду з однієї точки до іншої. Однак якщо заряджені частинки здійснюють безладне теплове рух, як, наприклад, вільні електрони в металі, то перенесення заряду не відбувається (рис. 15.1, а). Поперечний переріз провідника в середньому перетинає однакову кількість електронів у двох протилежних напрямках. Електричний заряд переноситься через поперечний переріз провідника лише тому випадку, якщо поруч із безладним рухом електрони беруть участь у спрямованому русі (рис. 15.1, б). У цьому випадку кажуть, що провідником йде електричний струм.
Електричним струмом називають упорядкований (спрямований) рух заряджених частинок.
Електричний струм має певний напрямок.
За напрямок струму приймають напрямок руху позитивно заряджених частинок.
Якщо переміщати нейтральне загалом тіло, то, незважаючи на впорядкований рух величезної кількості електронів та атомних ядер, електричний струм не виникне. Повний заряд, що переноситься через будь-який переріз, буде рівним нулю, так як заряди різних знаків переміщаються з однаковою середньою швидкістю.
Напрямок струму збігається з напрямом вектора напруги електричного поля. Якщо струм утворений рухом негативно заряджених частинок, напрям струму вважають протилежним напрямку руху частинок.
Вибір напряму струму дуже вдалий, оскільки найчастіше струм є упорядкований рух електронів - негативно заряджених частинок. Вибір напряму струму було зроблено у той час, коли про вільні електрони в металах ще нічого не знали.
Дія струму.
Рух частинок у провіднику ми безпосередньо не бачимо. Про наявність електричного струму доводиться судити з тих дій чи явищ, що його супроводжують.
По-перше, провідник, яким йде струм, нагрівається.
По-друге, електричний струм може змінювати хімічний склад провідника: наприклад, виділяти його хімічні складові (мідь з розчину мідного купоросу і т. д.).
По-третє, струм надає силовий вплив на сусідні струми та намагнічені тіла. Ця дія струму називається магнітним.
Так, магнітна стрілка поблизу провідника зі струмом повертається. Магнітна дія струму на відміну від хімічного та теплового є основною, тому що проявляється у всіх без винятку провідників. Хімічна дія струму спостерігається лише у розчинів та розплавів електролітів, а нагрівання відсутнє у надпровідників.
У лампочці розжарювання внаслідок проходження електричного струму випромінюється видиме світло, а електродвигун здійснює механічну роботу.
Сила струму.
Якщо в ланцюзі йде електричний струм, це означає, що через поперечний переріз провідника весь час переноситься електричний заряд.
Заряд, перенесений в одиницю часу, є основною кількісною характеристикою струму, званої силою струму.
Якщо через поперечний переріз провідника за час Δt переноситься заряд Δq, то середнє значення сили струму дорівнює
Середня сила струму дорівнює відношенню заряду Δq провідника, що пройшов через поперечний переріз, за проміжок часу Δt, до цього проміжку часу.
Якщо сила струму згодом змінюється, то струм називають постійним.
Сила змінного струму в даний момент часу визначається також за формулою (15.1), але проміжок часу Δt у такому разі має бути дуже малим.
Сила струму, подібно до заряду, - величина скалярна. Вона може бути як позитивною, так і негативною. Знак сили струму залежить від того, який із напрямків обходу контуру прийняти за позитивний. Сила струму I > 0, якщо напрям струму збігається з умовно обраним позитивним напрямком вздовж провідника. В іншому випадку I< 0.
Зв'язок сили струму із швидкістю спрямованого руху частинок.
Нехай циліндричний провідник (рис. 15.2) має поперечний переріз площею S.
За позитивний напрямок струму у провіднику приймемо напрямок зліва направо. Заряд кожної частки вважатимемо рівним q 0 . В об'ємі провідника, обмеженому поперечними перерізами 1 і 2 з відстанню Δl між ними, міститься nSΔl частинок, де n - концентрація частинок (носіїв струму). Їхній загальний заряд у вибраному обсязі q = q 0 nSΔl. Якщо частинки рухаються зліва направо із середньою швидкістю υ, то за час усі частинки, укладені в обсязі, що розглядається, пройдуть через поперечний переріз 2. Тому сила струму дорівнює:
У СІ одиницею сили струму є ампер (А).
Ця одиниця встановлена на основі магнітної взаємодії струмів.
Вимірюють силу струму амперметрами. Принцип влаштування цих приладів заснований на магнітній дії струму.
Швидкість упорядкованого руху електронів у провіднику.
Знайдемо швидкість упорядкованого переміщення електронів у металевому провіднику. Відповідно до формули (15.2) де е - модуль заряду електрона.
Нехай, наприклад, сила струму I = 1 А, а площа поперечного перерізу провідника S = 106 м 2 . Модуль заряду електрона е = 1,6 10-19 Кл. Число електронів в 1 м 3 міді дорівнює числу атомів у цьому обсязі, оскільки один із валентних електронів кожного атома міді є вільним. Це число є n ≈ 8,5 10 28 м -3 (це число можна визначити, якщо розв'язати задачу 6 § 54). Отже,
Як бачите, швидкість упорядкованого руху електронів дуже мала. Вона набагато менше швидкості теплового руху електронів у металі.
Умови, необхідні існування електричного струму.
Для виникнення та існування постійного електричного струму в речовині потрібна наявність вільнихзаряджених частинок.
Однак цього ще недостатньо для виникнення струму.
Для створення та підтримки впорядкованого руху заряджених частинок необхідна сила, що діє на них у певному напрямку.
Якщо ця сила перестане діяти, то впорядкований рух заряджених частинок припиниться через зіткнення з іонами кристалічних ґрат металів або нейтральними молекулами електролітів і електрони рухатимуться безладно.
На заряджені частинки, як ми знаємо, діє електричне поле із силою:
Зазвичай саме електричне поле всередині провідника є причиною, що викликає і підтримує впорядкований рух заряджених частинок.
Тільки в статичному випадку, коли заряди спочивають, електричне поле всередині провідника дорівнює нулю.
Якщо всередині провідника є електричне поле, то між кінцями провідника відповідно до формули (14.21) існує різниця потенціалів. Як показав експеримент, коли різниця потенціалів не змінюється у часі, у провіднику встановлюється постійний електричний струм. Уздовж провідника потенціал зменшується від максимального значення одному кінці провідника до мінімального іншому, оскільки позитивний заряд під впливом сил поля переміщається убік убування потенціалу.