Prąd elektryczny: Co to jest?

Electrical4u

Pole: Podstawowe Elektryka

China

Co to jest prąd elektryczny?

Prąd elektryczny definiuje się jako strumień naładowanych cząstek, takich jak elektrony lub jony, przepływających przez przewodnik elektryczny lub przestrzeń. Jest to szybkość przepływu ładunku elektrycznego przez środek przewodzący w stosunku do czasu. Prąd elektryczny matematycznie (np. w formułach) wyraża się za pomocą symbolu „I” lub „i”. Jednostką prądu jest amper. Oznacza się go symbolem A.

Matematycznie, szybkość przepływu ładunku w stosunku do czasu można wyrazić jako,

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

Innymi słowy, strumień naładowanych cząstek przepływających przez przewodnik elektryczny lub przestrzeń nazywa się prądem elektrycznym. Ruchome naładowane cząstki nazywane są nośnikami ładunku, które mogą być elektronami, dziurami, jonami itp.

Przepływ prądu zależy od środka przewodzącego. Na przykład:

W przewodniku, przepływ prądu jest spowodowany elektronami.
W półprzewodnikach, przepływ prądu jest spowodowany elektronami lub dziurami.
W elektrolicie, przepływ prądu jest spowodowany jonami i
W plazmie — jonizowanym gazie, przepływ prądu jest spowodowany jonami i elektronami.

Gdy różnica potencjałów elektrycznych jest zastosowana między dwoma punktami w środku przewodzącym, prąd elektryczny zaczyna przepływać od wyższego potencjału do niższego. Im większa napięcie lub różnica potencjałów, tym większy przepływ prądu między dwoma punktami.

Jeśli dwa punkty w obwodzie są w tym samym potencjale, to prąd nie może przepływać. Wielkość prądu zależy od napięcia lub różnicy potencjałów między dwoma punktami. Zatem, możemy powiedzieć, że prąd jest efektem napięcia.

Prąd elektryczny może tworzyć pola elektromagnetyczne, które są wykorzystywane w cewkach, transformatorach, generatorach i silnikach. W przewodnikach elektrycznych prąd powoduje oporny ogrzewanie lub ogrzewanie Joule'a, które powoduje pojawienie się światła w żarówce.

Zmieniający się w czasie prąd elektryczny tworzy fale elektromagnetyczne, które są wykorzystywane w telekomunikacji do rozsyłania danych.

Prąd AC a DC

W zależności od kierunku przepływu ładunku, prąd elektryczny dzieli się na dwa rodzaje, tj. prąd przemienny (AC) i prąd stały (DC).

Prąd przemienny (AC)

Przepływ ładunku elektrycznego w okresowo zmieniającym się kierunku nazywany jest prądem przemiennym (AC). Prąd przemienny jest również nazywany „prądem AC”. Choć technicznie mówienie to samo dwa razy „prąd AC prądu”.

Prąd przemienny zmienia swój kierunek w regularnych odstępach czasu.

Prąd przemienny zaczyna się od zera, rośnie do maksimum, spada do zera, potem odwraca się i osiąga maksimum w przeciwnym kierunku, a następnie ponownie wraca do pierwotnej wartości i powtarza ten cykl nieskończenie.

Typ falowego przebiegu prądu przemiennego może być sinusoidalny, trójkątny, prostokątny, piłokształtny itp.

Szczególny kształt przebiegu nie ma znaczenia – ważne, aby był to powtarzający się przebieg.

Mimo to, w większości obwodów elektrycznych typowym przebiegiem prądu przemiennego jest sinusoida. Typowy przebieg sinusoidalny, który można zobaczyć jako prąd przemienny, przedstawiony jest na poniższym obrazie.

Alternatorprądotwór może generować prąd przemienny. Prądotwór to specjalny typ generatora elektrycznego zaprojektowany do generowania prądu przemiennego.

Prąd przemienny jest szeroko stosowany w przemyśle i w zastosowaniach mieszkalnych.

Prąd stały

Przepływ ładunku elektrycznego tylko w jednym kierunku nazywany jest prądem stałym (DC). Prąd stały jest również określany jako „prąd stały”. Mimo że technicznie mówienie to samo dwa razy „Prąd Stały Prąd”.

Ponieważ prąd stały płynie tylko w jednym kierunku, nazywany jest również prądem jednokierunkowym. Wykres prądu stałego przedstawiony jest na poniższym obrazie.

Prąd stały można wygenerować za pomocą baterii, komórek słonecznych, ogniw paliwowych, termopar, generatorów elektrycznych z komutatorem itp. Prąd przemienny można przekształcić w prąd stały za pomocą prostownika.

Prąd stały jest ogólnie używany w zastosowaniach niskiego napięcia. Większość obwodów elektronicznych wymaga zasilania prądem stałym.

Jak mierzy się prąd elektryczny (jednostki prądu)?

Jednostką SI dla prądu jest amper lub amp. Jest to reprezentowane przez A. Amper, lub amp, to podstawowa jednostka SI prądu elektrycznego. Jednostka amper została nazwana na cześć wielkiego fizyka Andrew Marie Ampere.

W systemie SI, 1 amper to przepływ ładunku elektrycznego między dwoma punktami z szybkością jednego kulomba na sekundę. Zatem,

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

Stąd prąd mierzony jest również w kulombach na sekundę lub C/S.

Wzór na prąd elektryczny

Podstawowe wzory na prąd to:

Związek między prądem, napięciem i oporem (Prawo Ohma)
Związek między prądem, mocą i napięciem
Związek między prądem, mocą i oporem

Te związki są podsumowane na poniższym obrazie.

Wzór na prąd 1 (Prawo Ohma)

Zgodnie z prawem Ohma

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

Zatem

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

Przykład

Jak pokazano w poniższym obwodzie zasilania, napięcie $24\,\,V$ jest podane do oporu o wartości $12\,\,\Omega$ . Oblicz prąd płynący przez rezystor.

Rozwiązanie:

Dane: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

Zgodnie z prawem Ohma,

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

W związku z tym, korzystając z równania, otrzymujemy prąd płynący przez opornik wynoszący $2\,\,A$ .

Formuła prądu 2 (Moc i napięcie)

Przekazywana moc jest iloczynem napięcia zasilającego i prądu elektrycznego.

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

W ten sposób otrzymujemy, że prąd jest równy mocy podzielonej przez napięcie. Matematycznie,

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

Gdzie $A$ oznacza ampery lub ampery (jednostki prądu elektrycznego).

Przykład

Jak pokazano w poniższym obwodzie, napięcie zasilające $24\,\,V$ jest podawane do żarówki o mocy $48\,\,W$ . Określ prąd pobierany przez żarówkę o mocy $48\,\,W$ .Rozwiązanie:

Dane: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

Zgodnie ze wzorem,

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

Tak więc, korzystając z powyższego równania, uzyskujemy, że prąd pobierany przez żarówkę o mocy $48\,\,W$ wynosi $2\,\,A$ .

Wzór na prąd 3 (Moc i opór, straty ohmiczne, grzanie oporowe)

Wiemy, że, $P = V * I$

Podstawiając teraz prawo Ohma $V = I * R$ do powyższego równania otrzymujemy,

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

Zatem, prąd jest pierwiastkiem kwadratowym z ilorazu mocy i oporu. Matematycznie, wzór na to wynosi:

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

Przykład

Jak pokazano w poniższym obwodzie, określ prąd pobierany przez $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ lampa

Rozwiązanie:

Dane: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

Zgodnie z powyższym związkiem między prądem, mocą i oporem:

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

Stosując powyższe równanie, otrzymujemy, że prąd pobierany przez $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ lampa wynosi $2.24\,\,A$ .

Wymiary prądu

Wymiary prądu wyrażone w jednostkach masy (M), długości (L), czasu (T) i ampera (A) są określone jako $M^0L^0T^-^1Q$ .

Prąd (I) jest reprezentowany przez coulomb na sekundę. Stąd,

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

Prąd konwencjonalny a przepływ elektronów

Istnieje pewne nieporozumienie dotyczące przepływu prądu konwencjonalnego i przepływu elektronów. Spróbujmy zrozumieć różnicę między tymi dwoma pojęciami.

Cząsteczkami, które przewożą ładunek elektryczny przez przewodniki, są mobilne lub wolne elektrony. Kierunek pola elektrycznego w obwodzie, z definicji, jest prawem, że dodatnie próbki ładunku są odepchnięte. Zatem te cząsteczki o ujemnym ładunku, czyli elektrony, przepływają w kierunku przeciwnym do pola elektrycznego.

Według teorii elektronowej, gdy napięcie lub różnica potencjałów jest zastosowane do przewodnika, naładowane cząsteczki przepływają przez obwód, co tworzy prąd elektryczny.

Te naładowane cząsteczki przepływają od wyższego potencjału do niższego, czyli od dodatniego bieguna do ujemnego bieguna baterii poprzez zewnętrzny obwód.

Jednak w metalowych przewodnikach, dodatnio naładowane cząsteczki są utrzymywane w stałym położeniu, a ujemnie naładowane cząsteczki, czyli elektrony, mogą swobodnie się poruszać. W półprzewodnikach, przepływ naładowanych cząsteczek może być dodatni lub ujemny.

Przepływ nośników ładunku dodatniego i ujemnego w przeciwnych kierunkach ma ten sam efekt w obwodzie elektrycznym. Ponieważ przepływ prądu jest wynikiem zarówno dodatnich, jak i ujemnych ładunków, potrzebna jest konwencja dotycząca kierunku prądu, która jest niezależna od typu nośników ładunku.

Kierunek prądu konwencjonalnego jest uważany za kierunek, w którym przepływają nośnicy ładunku dodatniego, czyli od wyższego potencjału do niższego. Zatem nośnicy ładunku ujemnego, czyli elektrony, przepływają w kierunku przeciwnym do przepływu prądu konwencjonalnego, czyli od niższego potencjału do wyższego. Stąd, prąd konwencjonalny i przepływ elektronów są w przeciwnych kierunkach, co jest pokazane na poniższym obrazie.

direction of coventional current and electron flow — Kierunek prądu konwencjonalnego i przepływu elektronów

Prąd konwencjonalny: Przepływ dodatnich nośników ładunku od dodatniego bieguna do ujemnego bieguna baterii nazywany jest prądem konwencjonalnym.
Przepływ elektronów: Przepływ elektronów nazywany jest prądem elektronowym. Przepływ ujemnych nośników ładunku – czyli elektronów – od ujemnego bieguna do dodatniego bieguna baterii nazywany jest przepływem elektronów. Przepływ elektronów ma kierunek przeciwny do przepływu prądu konwencjonalnego.

Kierunek prądu konwencjonalnego i przepływu elektronów pokazano na poniższym obrazku.

Prąd konwencjonalny i przepływ elektronów

Prąd konwekcyjny a przepływ przewodzenia

Prąd konwekcyjny

Prąd konwekcyjny odnosi się do przepływu prądu przez ośrodek izolacyjny, taki jak ciecz, gaz lub próżnia.

Prąd konwekcyjny nie wymaga przewodników do przepływu; dlatego nie spełnia prawa Ohma. Przykładem prądu konwekcyjnego jest lampa elektronowa, w której elektrony emitowane przez katodę przepływają do anody w warunkach próżni.

Prąd przewodzenia

Prąd przepływający przez dowolny przewodnik nazywany jest prądem przewodzenia. Prąd przewodzenia wymaga przewodnika do przepływu; dlatego spełnia prawo Ohma.

Prąd przesunięcia

Rozważmy rezystor i kondensator połączone równolegle z źródłem napięcia V, jak pokazano na poniższym rysunku. Charakter przepływu prądu przez kondensator różni się od tego przez rezystor.

Napięcie lub różnica potencjałów na rezystorze powoduje ciągły przepływ prądu, opisany równaniem,

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

Ten prąd nazywany jest „prądem przewodzenia”.

Teraz prąd przepływa przez kondensator tylko wtedy, gdy napięcie na kondensatorze się zmienia, co opisuje równanie,

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

Ten prąd nazywany jest „prądem przesunięcia”.

Fizycznie prąd przesunięcia nie jest prądem, ponieważ nie ma przepływu fizycznej ilości, takiej jak przepływ ładunków.

Jak mierzyć prąd

W obwodach elektrycznych i elektronicznych pomiar prądu jest kluczowym parametrem, który musi być zmierzony.

Instrument, który może mierzyć prąd elektryczny, nazywany jest ammeterem. Aby zmierzyć prąd, amperomierz musi być podłączony szeregowo do obwodu, którego prąd ma być zmierzony.

Pomiar prądu przez rezystor przy użyciu amperomierza przedstawiono na poniższym rysunku.

Prąd elektryczny można również zmierzyć za pomocą galwanometru. Galwanometr daje zarówno kierunek, jak i wartość prądu elektrycznego.

Prąd można zmierzyć, wykrywając pole magnetyczne związane z prądem, bez przerywania obwodu. Istnieje wiele instrumentów używanych do pomiaru prądu bez przerywania obwodu.

Czujniki prądowe efektu Halla
Przekształtnik prądowy (CT) (mierzy tylko prąd przemienny)
Amperometryczne szczęki
Rezystory szunty
Czujniki pola magnetooporne

Wspólne pytania dotyczące prądu

Przeanalizujmy niektóre wspólne pytania związane z prądem elektrycznym.

Co używa elektromagnesu do pomiaru prądu elektrycznego?

Galwanometr to urządzenie pomiarowe, które używa elektromagnesu do pomiaru prądu elektrycznego.

Galwanometr jest absolutnym instrumentem; mierzy prąd elektryczny w zależności od tangensa kąta odchylenia.

Galwanometr może bezpośrednio mierzyć prąd elektryczny, ale wymaga to przerwania obwodu; stąd czasami jest to niewygodne.

Jak prąd elektryczny tworzy siłę magnetyczną?

Przewodnik przenoszący prąd umieszczony w polu magnetycznym będzie doświadczał siły, ponieważ prąd to nic innego jak przepływ ładunków.

Rozważmy przewodnik przenoszący prąd, przez który płynie prąd, jak pokazano na poniższym rysunku (a). Zgodnie z prawem prawej ręki Flemminga; ten prąd wytworzy pole magnetyczne w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

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

Siła magnetyczna wytworzona przez prąd elektryczny

Wynikiem pola magnetycznego przewodnika jest to, że ono zwiększy pole magnetyczne nad przewodnikiem i osłabi je pod nim.

Linie pola są jak naciągnięte gumki; stąd będą one pchać przewodnik w dół, tj. siła skierowana jest w dół, jak pokazano na rysunku (b).

Ten przykład mówi, że przewodnik przenoszący prąd w polu magnetycznym doświadcza siły. Poniższe równanie określa wielkość siły magnetycznej działającej na przewodnik przenoszący prąd.

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

Aby powodować przepływ prądu elektrycznego, konieczne jest posiadanie

Aby powodować przepływ prądu elektrycznego, konieczne jest posiadanie następujących warunków:

Różnica potencjałów istniejąca między dwoma punktami. Jeśli dwa punkty w obwodzie są na tym samym poziomie potencjału, prąd nie może płynąć.
Źródło napięcia lub prądu, takie jak bateria lub ogniwko, które zmusza wolne elektrony do przepływu, tworząc prąd elektryczny.
Przewodnik lub drut, który przenosi ładunki elektryczne.
Obwód musi być zamknięty lub kompletny. Jeśli obwody są otwarte, prąd nie może płynąć.

Są to warunki konieczne do powodowania przepływu prądu elektrycznego. Poniższy obraz pokazuje prąd przepływający w zamkniętym obwodzie.

Które najlepiej opisuje różnicę między prądem elektrycznym a elektrycznością statyczną

Główna różnica między prądem elektrycznym a elektrycznością statyczną polega na tym, że elektrony lub ładunki przepływają przez przewodnik w przypadku prądu elektrycznego.

Z drugiej strony, w przypadku elektryczności statycznej, ładunki pozostają w spoczynku i gromadzą się na powierzchni substancji.

Prąd elektryczny jest wynikiem przepływu elektronów, podczas gdy elektryczność statyczna jest wynikiem ujemnych ładunków przechodzących z jednego obiektu na inny.

Prąd elektryczny generowany jest tylko w przewodnikach, podczas gdy elektryczność statyczna generowana jest zarówno w przewodnikach, jak i izolatorach.

Jak prąd elektryczny wpływa na biegun magnetyczny?

Wiemy, że gdy przepływa prąd elektryczny, czyli ładunek elektryczny jest w ruchu, powstaje pole magnetyczne. Jeżeli umieszczymy magnes w polu magnetycznym, on doświadcza siły.

Dla ładunków elektrycznych, tzn. prądu elektrycznego, podobne bieguny magnetyczne przyciągają się, a przeciwne odczytują się. Możemy więc stwierdzić, że prąd elektryczny wpływa na biegun magnetyczny poprzez pole magnetyczne.

Jaki przyrząd służy do pomiaru prądu elektrycznego

Przyrządem służącym do pomiaru prądu elektrycznego jest amperomierz. Amperomierz musi być połączony szeregowo z obwodem, którego prąd ma być zmierzony.

Inne różne przyrządy są również używane do pomiaru prądu elektrycznego.