Elektrizität

Was ist elektrischer Strom?

Elektrizität – gerichtete Bewegung elektrisch geladener Teilchen unter Aufprall elektrisches Feld... Solche Teilchen können sein: in Leitern - Elektronen, in Elektrolyten - Ionen (Kationen und Anionen), in Halbleitern - Elektronen und sogenannten „Löchern“ („Leitfähigkeit von Elektronenlöchern“). Es gibt auch einen „Vorstrom“, dessen Fluss auf den Ladevorgang der Kapazität zurückzuführen ist, also auf eine Änderung der Potentialdifferenz zwischen den Platten. Zwischen den Platten findet keine Teilchenbewegung statt, sondern es fließt Strom durch den Kondensator.

In der Theorie elektrischer Schaltkreise versteht man unter Strom die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern in einem leitfähigen Medium unter Einwirkung eines elektrischen Feldes.

Der Leitungsstrom (nur Strom) ist in der Theorie elektrischer Schaltkreise die Strommenge, die pro Zeiteinheit durch den Querschnitt eines Drahtes fließt: i = q /T, wobei i – Strom. A; q = 1,6·109 – Elektronenladung, С; t – Zeit, s.

Dieser Ausdruck gilt für Gleichstromkreise. Bei Wechselstromkreisen handelt es sich um die sogenannten Momentaner Stromwert gleich der Ladungsänderungsrate über die Zeit: i (t) = dq /dt.

Die erste Voraussetzung für die langfristige Existenz eines elektrischen Stroms der betrachteten Art ist das Vorhandensein einer Quelle oder eines Generators, der die Potentialdifferenz zwischen Ladungsträgern aufrechterhält. Die zweite Bedingung ist die Sperrung der Straße. Damit ein Gleichstrom existiert, ist insbesondere ein geschlossener Pfad erforderlich, auf dem sich Ladungen im Stromkreis bewegen können, ohne ihren Wert zu ändern.

Wie Sie wissen, können elektrische Ladungen gemäß dem Gesetz zur Erhaltung elektrischer Ladungen weder erzeugt noch zerstört werden. Wenn also ein Raumvolumen, in dem elektrische Ströme fließen, von einer geschlossenen Oberfläche umgeben ist, muss der in diesem Volumen fließende Strom gleich dem aus ihm herausfließenden Strom sein.

Mehr dazu: Bedingungen für die Existenz von elektrischem Strom

Der geschlossene Pfad, durch den ein elektrischer Strom fließt, wird Stromkreis oder Stromkreis genannt. Stromkreis – unterteilt in zwei Teile: den inneren Teil, in dem sich elektrisch geladene Teilchen entgegen der Richtung der elektrostatischen Kräfte bewegen, und den äußeren Teil, in dem sich diese Teilchen in die Richtung der elektrostatischen Kräfte bewegen. Die Enden der Elektroden, an die der externe Stromkreis angeschlossen ist, werden Klemmen genannt.

Ein elektrischer Strom entsteht also, wenn in einem Abschnitt eines Stromkreises ein elektrisches Feld oder eine Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten auf einem Draht auftritt. Möglicher Unterschied zwischen zwei Punkten Stromkreis werden als Spannung oder Spannungsabfall in diesem Abschnitt des Stromkreises bezeichnet.

Anstelle des Begriffs „aktuell“ („aktuelle Menge“) wird häufig auch der Begriff „aktuelle Stärke“ verwendet.Letzteres kann jedoch nicht als erfolgreich bezeichnet werden, da die Stromstärke keine Kraft im wörtlichen Sinne des Wortes ist, sondern lediglich die Intensität der Bewegung elektrischer Ladungen im Leiter, die pro Zeiteinheit durch den Leiter fließende Strommenge. Querschnittsfläche des Leiters.
Der Strom wird charakterisiert Stromstärke, die im SI-System in Ampere (A) gemessen wird, und Stromdichte, die im SI-System in Ampere pro Quadratmeter gemessen wird.

Ein Ampere entspricht der Bewegung einer Elektrizitätsladung in Höhe von einem Coulomb (C) in einer Sekunde (s) durch den Drahtquerschnitt:

1A = 1C/s.

Im allgemeinen Fall, wenn wir den Strom mit dem Buchstaben i und der Ladung q bezeichnen, erhalten wir:

i = dq / dt.

Die Einheit der Stromstärke wird Ampere (A) genannt.

Ampere (A) – die Stärke eines Gleichstroms, der, wenn er durch zwei parallele gerade Leiter unendlicher Länge und vernachlässigbarem Querschnitt fließt, die sich im Vakuum in einem Abstand von 1 m voneinander befinden, zwischen diesen Leitern 2·10 erzeugt -7 H für jeden Meter Länge.

Der Strom im Draht beträgt 1 A, wenn in 1 s eine elektrische Ladung von 1 Coulomb durch den Drahtquerschnitt fließt.

Reis. 1. Richtungsbewegung von Elektronen in einem Leiter

Wirkt auf den Draht eine Spannung, so entsteht im Inneren des Drahtes ein elektrisches Feld. Bei einer Feldstärke E wirkt auf Elektronen der Ladung e eine Kraft f = Ee. Die Größen e und E sind Vektorgrößen. Während der freien Bahn erhalten die Elektronen neben einer chaotischen auch eine gerichtete Bewegung. Jedes Elektron ist negativ geladen und erhält die dem Vektor E entgegengesetzte Geschwindigkeitskomponente (Abb. 1). Die geordnete Bewegung, die durch eine bestimmte Durchschnittsgeschwindigkeit der Elektronen vcp gekennzeichnet ist, bestimmt den Fluss des elektrischen Stroms.

Elektronen können sich in verdünnten Gasen gerichtet bewegen. In Elektrolyten und ionisierten Gasen entsteht Strom hauptsächlich durch die Bewegung von Ionen. In Übereinstimmung mit der Tatsache, dass sich positiv geladene Ionen in Elektrolyten vom Pluspol zum Minuspol bewegen, wurde in der Vergangenheit angenommen, dass die Stromrichtung entgegengesetzt zur Richtung des Elektronenflusses ist.

Unter der Stromrichtung versteht man die Richtung, in der sich die positiv geladenen Teilchen bewegen, also Richtung entgegengesetzt zur Elektronenbewegung.
In der Theorie der Stromkreise wird die Richtung des Stroms in einem passiven Stromkreis (außerhalb der Energiequellen) als Bewegungsrichtung positiv geladener Teilchen von einem höheren zu einem niedrigeren Potential angesehen. Diese Richtung wurde ganz am Anfang der Entwicklung der Elektrotechnik eingeschlagen und widerspricht der wahren Bewegungsrichtung von Ladungsträgern – Elektronen, die sich in leitfähigen Medien von Minus nach Plus bewegen.

Die Richtung des elektrischen Stroms im Elektrolyten und der freien Elektronen im Leiter

Die Größe, die dem Verhältnis des Stroms zur Querschnittsfläche S entspricht, wird Stromdichte genannt: I / S

Dabei wird davon ausgegangen, dass der Strom gleichmäßig über den Drahtquerschnitt verteilt ist. Die Stromdichte in Drähten wird normalerweise in A / mm2 gemessen.

Je nach Art der Träger elektrischer Ladung und dem Medium ihrer Bewegung werden sie in leitende Ströme und Verschiebungsströme unterteilt. Die Leitfähigkeit wird in elektronische und ionische Leitfähigkeit unterteilt. Für den stationären Betrieb werden zwei Arten von Strömen unterschieden: Gleichstrom und Wechselstrom.

Unter Stromschlagübertragung versteht man das Phänomen der Übertragung elektrischer Ladungen von geladenen Teilchen oder Körpern, die sich im freien Raum bewegen.Die Hauptart der elektrischen Stromübertragung ist die Bewegung elementar geladener Teilchen im Hohlraum (die Bewegung freier Elektronen in Elektronenröhren), die Bewegung freier Ionen in Gasentladungsvorrichtungen.

Verschiebungsstrom (Polarisationsstrom) bezeichnet die geordnete Bewegung der zugehörigen elektrischen Ladungsträger. Diese Art von Strom kann in Dielektrika beobachtet werden.

Gesamter elektrischer Strom – ein Skalarwert, der der Summe des elektrischen Leitungsstroms, des elektrischen Übertragungsstroms und des elektrischen Verschiebungsstroms durch die betrachtete Oberfläche entspricht.

Als Konstante bezeichnet man einen Strom, der sich in seiner Größe ändern kann, aber sein Vorzeichen über einen beliebig langen Zeitraum nicht ändert. Lesen Sie hier mehr darüber: Gleichstrom

Magnetisierungsstrom — ein konstanter mikroskopischer Strom (Ampere), der die Ursache für das Vorhandensein eines intrinsischen Magnetfelds magnetisierter Substanzen ist.

Als Strom bezeichnete Variablen, deren Größe und Vorzeichen sich periodisch ändern. Die den Wechselstrom charakterisierende Größe ist die Frequenz (im SI-System wird sie in Hertz gemessen), sofern sich ihre Stärke periodisch ändert.

Über die Oberfläche des Drahtes wird ein hochfrequenter Wechselstrom verschoben. Hochfrequenzströme werden im Maschinenbau zur Wärmebehandlung von Teileoberflächen und zum Schweißen sowie in der Metallurgie zum Schmelzen von Metallen eingesetzt. Wechselströme werden in sinusförmige und nicht sinusförmige Ströme unterteilt. Ein sinusförmiger Strom ist ein Strom, der sich gemäß einem harmonischen Gesetz ändert:

i = Sünde wt,

wo bin ich, - Spitzenstromwert (höchster Wert)., Ah,

Die Änderungsgeschwindigkeit des Wechselstroms wird durch seine charakterisiert Frequenz, definiert als die Anzahl vollständiger sich wiederholender Schwingungen pro Zeiteinheit.Die Frequenz wird mit dem Buchstaben f bezeichnet und in Hertz (Hz) gemessen. Eine Netzstromfrequenz von 50 Hz entspricht also 50 vollständigen Schwingungen pro Sekunde. Die Winkelfrequenz w ist die Änderungsrate des Stroms im Bogenmaß pro Sekunde und hängt durch eine einfache Beziehung mit der Frequenz zusammen:

w = 2pi f

Stationäre (feste) Werte von Gleich- und Wechselströmen bedeuten mit dem Großbuchstaben I instationäre (momentane) Werte – mit dem Buchstaben i. Normalerweise ist die positive Stromrichtung die Bewegungsrichtung positiver Ladungen.

Wechselstrom Es handelt sich um einen Strom, der sich im Laufe der Zeit nach dem Sinusgesetz ändert.

Unter Wechselstrom versteht man auch Strom in herkömmlichen Ein- und Dreiphasennetzen. In diesem Fall ändern sich die Parameter des Wechselstroms nach dem harmonischen Gesetz.

Da sich der Wechselstrom mit der Zeit ändert, sind einfache, für Gleichstromkreise geeignete Lösungen hier nicht direkt anwendbar. Bei sehr hohen Frequenzen können Ladungen oszillieren – von einer Stelle im Stromkreis zur anderen und wieder zurück fließen. In diesem Fall können im Gegensatz zu Gleichstromkreisen die Ströme in in Reihe geschalteten Drähten ungleich sein.

In Wechselstromkreisen vorhandene Kapazitäten verstärken diesen Effekt. Darüber hinaus treten bei Stromänderungen Selbstinduktionseffekte auf, die bei Verwendung hochinduktiver Spulen bereits bei niedrigen Frequenzen deutlich zum Tragen kommen.

Bei relativ niedrigen Frequenzen kann der Wechselstromkreis noch mit berechnet werden Kirchhoffs Regelndie jedoch entsprechend geändert werden muss.

Eine Schaltung, die verschiedene Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren enthält, kann man sich als einen verallgemeinerten Widerstand, einen Kondensator und eine Induktivität vorstellen, die in Reihe geschaltet sind.

Betrachten Sie die Eigenschaften eines solchen Stromkreises, der an einen Sinus-Wechselstromgenerator angeschlossen ist. Um die Regeln für die Berechnung von Wechselstromkreisen zu formulieren, müssen Sie die Beziehung zwischen dem Spannungsabfall und dem Strom für jede der Komponenten eines solchen Stromkreises ermitteln.

Kondensator spielt in Wechsel- und Gleichstromkreisen völlig unterschiedliche Rollen. Wenn beispielsweise eine elektrochemische Zelle an den Stromkreis angeschlossen ist, dann Der Kondensator beginnt sich aufzuladenbis die Spannung darin gleich der EMK des Elements wird. Dann stoppt der Ladevorgang und der Strom sinkt auf Null.

Wenn der Stromkreis an eine Lichtmaschine angeschlossen ist, fließen in einer Halbwelle Elektronen von der linken Platte des Kondensators und sammeln sich auf der rechten an, und in der anderen Halbwelle umgekehrt.

Diese bewegten Elektronen bilden einen Wechselstrom, dessen Stärke auf beiden Seiten des Kondensators gleich ist. Solange die Wechselstromfrequenz nicht sehr hoch ist, ist auch der Strom durch den Widerstand und die Induktivität gleich.

Bei Geräten, die Wechselstrom verbrauchen, wird der Wechselstrom häufig gleichgerichtet Gleichrichter Gleichstrom zu erhalten.

Leiter für elektrischen Strom

Elektrischer Strom in all seinen Formen ist ein kinetisches Phänomen, analog zum Fluss von Flüssigkeiten in geschlossenen hydraulischen Systemen. Analog dazu wird der Prozess der Strombewegung als „Flow“ (Strom fließt) bezeichnet.

Das Material, in dem der Strom fließt, wird genannt Dirigent… Einige Materialien werden bei niedrigen Temperaturen supraleitend. In diesem Zustand zeigen sie dem Strom nahezu keinen Widerstand, ihr Widerstand geht gegen Null.

In allen anderen Fällen widersetzt sich der Leiter dem Stromfluss und dadurch wird ein Teil der Energie der elektrischen Teilchen in Wärme umgewandelt.Die Stromstärke kann berechnet werden durch Ohm'sches Gesetz für den Querschnitt des Stromkreises und das Ohmsche Gesetz für den gesamten Stromkreis.

Die Bewegungsgeschwindigkeit von Partikeln in Drähten hängt vom Material des Drahtes, der Masse und Ladung des Partikels, der Umgebungstemperatur und der angelegten Potentialdifferenz ab und ist viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Stroms selbst ist jedoch gleich der Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium, also der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Front einer elektromagnetischen Welle.

Wie Elektrizität den menschlichen Körper beeinflusst

Strom, der durch den menschlichen oder tierischen Körper fließt, kann zu elektrischen Verbrennungen, Flimmern oder zum Tod führen. Andererseits wird elektrischer Strom auf der Intensivstation zur Behandlung von psychischen Erkrankungen, insbesondere Depressionen, eingesetzt, die elektrische Stimulation bestimmter Gehirnbereiche wird zur Behandlung von Krankheiten wie der Parkinson-Krankheit und Epilepsie eingesetzt, ein Herzschrittmacher, der einen Herzmuskel mit Impulsen stimuliert Strom wird bei Bradykardie eingesetzt. Bei Menschen und Tieren dient Strom zur Übertragung von Nervenimpulsen.

Aus Sicherheitsgründen beträgt der minimale Aufnahmestrom für eine Person 1 mA. Ab einer Stärke von etwa 0,01 A wird der Strom lebensgefährlich. Ab einer Stärke von etwa 0,1 A wird der Strom für den Menschen tödlich. Eine Spannung von weniger als 42 V gilt als ungefährlich.