Elektrický proud: Co to je?

Electrical4u

Pole: Základní elektrotechnika

China

Co je elektrický proud?

Elektrický proud je definován jako proud nabitéch částic – jako jsou elektrony nebo ionty – pohybujících se skrz elektrický vodič nebo prostor. Je to tok elektrického náboje skrz vodivý prostředek vzhledem k času. Elektrický proud se matematicky (např. ve vzorcích) vyjadřuje symbolem „I“ nebo „i“. Jednotkou pro proud je amper. Toto se značí A.

Matematicky lze tok náboje vzhledem k času vyjádřit jako,

$\begin{align*} I = \frac {dQ} {dt} \end{align*}$

Jinak řečeno, proud nabitéch částic pohybujících se skrz elektrický vodič nebo prostor se nazývá elektrický proud. Pohybující se nabité částice se nazývají nosiči náboje a mohou být elektrony, díry, ionty atd.

Tok proudu závisí na vodivém prostředku. Například:

V vodiči je tok proudu způsoben elektrony.
V polovodičích je tok proudu způsoben elektrony nebo díry.
V elektrolytu je tok proudu způsoben ionty a
V plazmě – ionizovaném plynu, je tok proudu způsoben ionty a elektrony.

Když je mezi dvěma body v vodivém prostředku uplatněn elektrický potenciální rozdíl, začne proudit elektrický proud od vyššího potenciálu k nižšímu. Čím větší je napětí nebo potenciální rozdíl, tím více proudu proudí mezi dvěma body.

Pokud jsou dva body v obvodu ve stejném potenciálu, pak proud nemůže proudit. Velikost proudu závisí na napětí nebo potenciálním rozdílu mezi dvěma body. Proto můžeme říci, že proud je efektem napětí.

Elektrický proud může vytvářet elektromagnetická pole, která se používají v cívech, transformátorech, generátorech a motorech. V elektrických vodičích způsobuje proud odporové zahřívání nebo Jouleovo zahřívání, které vytváří světlo v žárovce.

Periodicky se měnící elektrický proud vytváří elektromagnetické vlny, které se v telekomunikacích používají k rozesílání dat.

CA vs Proud CA

Na základě toku náboje je elektrický proud rozdělen do dvou typů, totiž střídavý proud (CA) a stejnosměrný proud (Proud CA).

Střídavý proud (CA)

Tok elektrického náboje v periodicky se měnícím směru se nazývá střídavý proud (CA). Střídavý proud se také označuje jako "CA Proud". I když to technicky říká totéž dvakrát "CA Proud Proud".

Střídavý proud mění svůj směr v pravidelných intervalech.

Střídavý proud začíná u nuly, stoupá na maximum, klesá na nulu, poté se obrátí a dosáhne maxima v opačném směru, pak se opět vrátí k původní hodnotě a tento cyklus nekonečně opakuje.

Typ vlnové formy střídavého proudu může být sinusoidální, trojúhelníková, čtvercová, pilovitá atd.

Specifika vlnové formy není důležitá - stačí, aby byla opakující se vlnová forma.

Nicméně v nejvíce elektrických obvodech je typickou vlnovou formou střídavého proudu sinusová vlna. Typická sinusová vlna, kterou můžete vidět jako střídavý proud, je znázorněna na níže uvedeném obrázku.

Alternátoralternátor může vygenerovat střídavý proud. Alternátor je speciální typ elektrického generátoru navržený k generování střídavého proudu.

Elektrická energie střídavého proudu se široce používá v průmyslových a bytových aplikacích.

Proud přímý

Proud elektrického náboje pouze v jednom směru se nazývá proud přímý (DC). DC je také označován jako "DC Current". Ačkoli to technicky znamená říct totéž dvakrát "Direct Current Current".

Jelikož DC proudí pouze v jednom směru, označuje se také jako unidirekční proud. Vlnový tvar přímého proudu je znázorněn na obrázku níže.

Proud přímý lze vygenerovat pomocí baterií, solárních článků, palivových článků, termopárů, komutátorových elektrických generátorů atd. Střídavý proud lze převést na proud přímý pomocí obvodů.

Elektrická energie přímého proudu se obvykle používá v nízkonapěťových aplikacích. Většina elektronických obvodů potřebuje zdroj přímého proudu.

V jakých jednotkách se měří elektrický proud?

Základní jednotkou SI pro proud je amper nebo ampér. Toto je reprezentováno písmenem A. Ampér, nebo amp, je základní jednotkou SI pro elektrický proud. Jednotka ampér je pojmenována po vynikajícím fyzikovi André Marii Amperovi.

V systému SI je 1 ampér tok elektrického náboje mezi dvěma body v rychlosti 1 coulomb za sekundu. Tedy,

$\begin{align*} 1 \,\, Ampere = \frac {1\,\,Coulomb} {1\,\,Second} = \frac {C} {S} \end{align*}$

Proto je proud měřen také v coulombech za sekundu nebo C/S.

Vzorec pro elektrický proud

Základní vzorce pro proud jsou:

Vztah mezi proudem, napětím a odpor (Ohmův zákon)
Vztah mezi proudem, výkonem a napětím
Vztah mezi proudem, výkonem a odporem

Tyto vztahy jsou shrnuty na níže uvedeném obrázku.

Vzorec pro proud 1 (Ohmův zákon)

Podle Ohmova zákona,

$\begin{align*} V = I*R \end{align*}$

Tedy,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R}\,\,A \end{align*}$

Příklad

Jak je znázorněno v níže uvedené obvodové schématu, je napětí zdroje $24\,\,V$ aplikováno na odpor o velikosti $12\,\,\Omega$ . Určete proud protékající odporovým prvkem.

Řešení:

Zadaná data: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

Podle Ohmovyho zákona,

$\begin{align*} & I = \frac{V}{R} \\ & = \frac{24}{12} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Tedy pomocí rovnice získáme proud proudující rezistorem $2\,\,A$ .

Formule pro proud 2 (výkon a napětí)

Přenášený výkon je součin dodávacího napětí a elektrického proudu.

$\begin{align*} P = V*I \end{align*}$

Tedy získáváme, že proud se rovná výkonu děleno napětím. Matematicky,

$\begin{align*} I = \frac{P}{V}\,\,A \end{align*}$

Kde $A$ znamená ampery nebo ampéry (jednotky pro elektrický proud).

Příklad

Jak je znázorněno v následujícím obvodu, je na $48\,\,W$ lampu připojeno napětí $24\,\,V$ . Určete proud, který bere $48\,\,W$ lampa.Řešení:

Zadaná data: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

Podle vzorce,

$\begin{align*} & I = \frac{P}{V} \\ & = \frac{48}{24} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Tedy, pomocí uvedeného rovnice získáme, že proud, který bere $48\,\,W$ lampa, je roven $2\,\,A$ .

Vzorec pro proud 3 (Výkon a odpor, ohmické ztráty, tepelné ztráty)

Víme, že $P = V * I$

Nyní dosadíme zákon Ohmův $V = I * R$ do výše uvedené rovnice a dostaneme,

$\begin{align*} P = I^2*R \end{align*}$

Tedy proud je druhou odmocninou podílu výkonu a odporu. Matematicky lze to vyjádřit následovně:

$\begin{align*} I = \sqrt{\frac{P}{R}}\,\,A \end{align*}$

Příklad

Jak je znázorněno na níže uvedeném obvodě, určete proud procházející $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ lampou

Řešení:

Zadaná data: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

Podle vztahu mezi proudem, výkonem a odporováním uvedeného výše:

$\begin{align*} & I = \sqrt{\frac{P}{R}} \\ & = \sqrt{\frac{100}{20}} \\ & = \sqrt{5} \\ & I = 2.24\,\,A \end{align*}$

Tedy, použitím rovnice, získáme proud spotřebovaný $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ lampou je $2.24\,\,A$ .

Rozměry proudu

Rozměry proudu v termínech hmotnosti (M), délky (L), času (T) a amperu (A) jsou dány vztahem $M^0L^0T^-^1Q$ .

Proud (I) je reprezentací coulombů za sekundu. Tedy,

$\begin{align*} I = \frac{Q}{t} = \frac{[Q]}{[T]} = QT^-^1 = M^0L^0T^-^1Q \end{align*}$

Konvenční proud vs proud elektronů

Existuje mírné nedorozumění ohledně konvenčního proudu a proudu elektronů. Pojďme se pokusit pochopit rozdíl mezi těmito dvěma.

Částice, které nesou elektrický náboj skrz vodiče, jsou mobilní nebo volné elektrony. Směr elektrického pole uvnitř obvodu je podle definice zákon, který pohání pozitivní zkoušecí náboje. Tedy tyto částice s negativním nábojem, tj. elektrony, proudí opačným směrem než elektrické pole.

Podle teorie elektronů, když je napětí nebo potenciální rozdíl aplikován na vodič, nabitá částice proudí skrz obvod, což tvoří elektrický proud.

Tyto nabitá částice proudí od vyššího potenciálu k nižšímu potenciálu, tj. od kladného terminálu baterie k bateriovému zápornému terminálu přes externí obvod.

Ale v kovovém vodiči jsou pozitivně nabitá částice držena v pevné poloze a negativně nabitá částice, tj. elektrony, jsou volné k pohybu. V polovodičích může proud nabitých částic být pozitivní nebo negativní.

Proud pozitivně nabitých nosičů a negativně nabitých nosičů opačným směrem má stejný efekt v elektrickém obvodu. Protože proud je způsoben buď pozitivními, nebo negativními náboji, nebo oběma, je potřeba konvence pro směr proudu, který je nezávislý na typech nosičů nábojů.

Směr konvenčního proudu je považován za směr, ve kterém proudí pozitivně nabití nosiče, tj. od vyššího potenciálu k nižšímu potenciálu. Proto proudí negativně nabití nosiče, tj. elektrony, opačným směrem než konvenční proud, tj. od nižšího potenciálu k vyššímu potenciálu. Z toho důvodu konvenční proud a proud elektronů proudí opačnými směry, což je znázorněno na níže uvedeném obrázku.

směr konvenčního proudu a proudu elektronů — Směr konvenčního proudu a proudu elektronů

Konvenční proud: Proud kladných nosičů náboje od kladného terminálu k zápornému terminálu baterie se nazývá konvenční proud.
Elektronový proud: Proud elektronů se nazývá elektronový proud. Proud záporných nosičů náboje – tj. elektronů – od záporného terminálu k kladnému terminálu baterie se nazývá elektronový proud. Elektronový proud je opakem směru konvenčního proudu.

Směr konvenčního proudu a elektronového proudu je znázorněn na níže uvedeném obrázku.

Konvenční proud vs. vedení proudu

Konvekční proud

Konvekční proud se týká proudu, který prochází izolačním prostředím, jako je kapalina, plyn nebo vakuum.

Konvekční proud nepotřebuje vedoucí materiál k průtoku; proto nesplňuje Ohmovův zákon. Příkladem konvekčního proudu je vakuová trubice, ve které elektrony emitované katodou proudí k anodě v vacuolu.

Vedení proudu

Proud, který prochází jakýmkoli vodičem, se nazývá vedení proudu. Vedení proudu vyžaduje vodič k průtoku; proto splňuje Ohmovův zákon.

Proud posunu

Uvažujme rezistor a kapacitor připojené paralelně s napěťovým zdrojem V, jak je znázorněno na níže uvedeném obrázku. Příroda proudu procházejícího kapacitorem se liší od proudu procházejícího rezistorem.

Napětí nebo potenciální rozdíl přes rezistor vytváří spojitý proud, který je dáno rovnicí,

$\begin{align*} I_1 = \frac{V}{R} \end{align*}$

Tento proud se nazývá „provodný proud“.

Nyní proud prochází kondenzátorem pouze tehdy, když se napětí na kondenzátoru mění, což je dáno rovnicí,

$\begin{align*} I_2 = \frac{dQ}{dt} = C \frac{dV}{dt} \end{align*}$

Tento proud se nazývá „posunutý proud“.

Fyzicky posunutý proud není proud, protože neexistuje tok fyzického objektu jako je tok nábojů.

Jak měřit proud

V elektrických a elektronických obvodech je měření proudu zásadním parametrem, který je třeba změřit.

Přístrojem, který může měřit elektrický proud, je ammeter. Pro měření proudu musí být ampermetr připojen v sérii s obvodem, jehož proud se má měřit.

Měření proudu přes odpor pomocí ampermetru je znázorněno na níže uvedeném obrázku.

Elektrický proud lze také změřit pomocí galvanometru. Galvanometr poskytuje jak směr, tak velikost elektrického proudu.

Proud lze změřit detekcí magnetického pole spojeného s proudem bez nutnosti přerušení obvodu. Existuje mnoho přístrojů, které slouží k měření proudu bez přerušení obvodu.

Převodníky s čidlem Halla
Transformátor proudu (CT) (měří pouze střídavý proud)
Šroubové měřiče
Paralelní odporové prvky
Senzory magnetického pole s magnetočucivostí

Běžné otázky týkající se elektrického proudu

Podívejme se na některé běžné otázky týkající se elektrického proudu.

Co používá elektromagnet k měření elektrického proudu?

Galvanometr je měřicí přístroj, který používá elektromagnet k měření elektrického proudu.

Galvanometr je absolutní přístroj; měří elektrický proud v termínech tangensu úhlu odchylky.

Galvanometr může měřit elektrický proud přímo, ale to znamená přerušení obvodu; proto někdy není praktické.

Jak elektrický proud vyvolá magnetickou sílu?

Vodič, kterým protéká proud, umístěný v magnetickém poli, zažije sílu, protože proud je nic jiného než pohyb nábojů.

Uvažujme o vodiči, kterým protéká proud, jak je znázorněno na níže uvedeném obrázku (a). Podle Flemingova pravidla pravé ruky tento proud vyvolá magnetické pole ve směru hodinových ručiček.

企业微信截图_17098660781451.png 企业微信截图_17098660847078.png

Magnetická síla vyvolaná elektrickým proudem

Výsledkem magnetického pole vodiče je, že zesílí magnetické pole nad vodičem a oslabí ho pod ním.

Linie magnetického pole jsou podobné natáhlým gumovým páskům; proto budou vodič tlačit dolů, tj. síla je směrem dolů, jak je znázorněno na obrázku (b).

Tento příklad říká, že vodič nesoucí proud v magnetickém poli zažívá sílu. Následující rovnice určuje velikost magnetické síly působící na vodič nesoucí proud.

$\begin{align*} F_B = BIL\,\,Sin\theta \end{align*}$

Aby elektrický proud mohl pramenit je třeba mít

Aby elektrický proud mohl pramenit, je třeba mít následující:

Potenciální rozdíl, který existuje mezi dvěma body. Pokud jsou dva body v obvodu ve stejném potenciálu, proud nemůže pramenit.
Zdroj napětí nebo zdroj proudu, jako je baterie nebo článek, který donutí volné elektrony, které tvoří elektrický proud.
Vodič nebo drát, který nese elektrické náboje.
Obvod musí být uzavřený nebo kompletní. Pokud jsou obvody otevřené, proud nemůže pramenit.

Tyto jsou podmínky, které jsou nezbytné pro pramenění elektrického proudu. Obrázek níže ukazuje proud pramenící v uzavřeném obvodu.

Co nejlépe popisuje rozdíl mezi elektrickým proudem a statickou elektřinou

Hlavním rozdílem mezi elektrickým proudem a statickou elektřinou je, že elektrony nebo náboje pramení skrz vodič v elektrickém proudu.

Zatímco u statické elektřiny jsou náboje v klidu a akumulovány na povrchu látky.

Elektrický proud je způsoben prameněním elektronů, zatímco statická elektřina je způsobena negativními náboji přenášenými od jednoho objektu k jinému.

Elektrický proud se generuje pouze v vodičích, zatímco statická elektřina se generuje jak v vodičích, tak v izolátorech.

Jak elektrický proud ovlivňuje magnetický pól?

Víme, že když elektrický proud pramení, tedy když elektrický náboj je v pohybu, vytváří magnetické pole. Pokud umístíme magnet do magnetického pole, zažívá sílu.

Pro elektrické náboje, tedy elektrický proud, platí, že stejné magnetické póly se přitahují a opačné se odpuzují. Můžeme tedy říci, že elektrický proud ovlivňuje magnetický pól prostřednictvím magnetického pole.

Jaký přístroj se používá k měření elektrického proudu

Přístrojem, který může měřit elektrický proud, je ampermetr. Ampermetr musí být připojen v sérii s obvodem, jehož proud se má měřit.

Existuje také mnoho dalších různých přístrojů používaných k měření elektrického proudu.

Čidlo efektu Halla
Proudový transformátor (CT) (měří pouze střídavý proud)
Šroubovací měřiče
Shuntové odporové členy
Magnetoresistivní senzory pole

Zdroj: Electrical4u

Poznámka: Respektujte originál, dobré články stojí za sdílení, pokud dojde k porušení autorských práv, obraťte se na nás pro odstranění.