Електричний струм: що це?

Electrical4u

Поле: Основи електротехніки

China

Що таке електричний струм?

Електричний струм визначається як потік заряджених частинок, таких як електрони або іони, що рухаються через електричний провідник або простір. Це швидкість потоку електричного заряду через провідну середовище залежно від часу. Електричний струм математично (наприклад, у формулах) позначається символом «I» або «i». Одиниця струму — ампер, який позначається A.

Математично, швидкість потоку заряду залежно від часу можна висловити як,

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

Іншими словами, потік заряджених частинок, що рухаються через електричний провідник або простір, називається електричним струмом. Рухомі заряджені частинки називаються носіями заряду, якими можуть бути електрони, діри, іони тощо.

Потік струму залежить від провідної середовища. Наприклад:

У провіднику, потік струму спричинений електронами.
У півпровідниках, потік струму спричинений електронами або дірами.
У електроліті, потік струму спричинений іонами і
У плазмі — іонізованому газі, потік струму спричинений іонами і електронами.

Коли між двома точками в провідному середовищі прикладається електрична потенційна різниця, електричний струм починає течи від точки з більшою потенцією до точки з меншою потенцією. Чим більша напруга або потенційна різниця, тим більше струм тече між двома точками.

Якщо дві точки в колі знаходяться на однаковому потенціалі, то струм не може течи. Величина струму залежить від напруги або потенційної різниці між двома точками. Тому можна сказати, що струм — це ефект напруги.

Електричний струм може виробляти електромагнітні поля, які використовуються у індукторах, трансформаторах, генераторах та електродвигуні. У провідниках електричний струм викликає опорне зігрівання або зігрівання за законом Джоуля, що створює світло в лампі накалу.

Змінний електричний струм виробляє електромагнітні хвилі, які використовуються в телекомунікаціях для передачі даних.

АК проти СТ струму

На основі напряму руху заряду, електричний струм поділяється на два типи, а саме, змінний струм (АК) та постійний струм (СТ).

Змінний струм (АК)

Рух електричного заряду, що періодично змінює напрям, називається змінним струмом (АК). Змінний струм також називають "АК струм". Хоча це технічно означає одне й те ж "АК струм струм".

Змінний струм змінює свій напрям через певні інтервали часу.

Змінний струм починається з нуля, досягає максимуму, зменшується до нуля, потім змінює напрям і досягає максимуму в протилежному напрямку, а потім знову повертається до початкового значення і повторює цей цикл нескінченно.

Форма хвилі змінного струму може бути синусоїдальною, трикутною, квадратною, пилоподібною тощо.

Особливість форми хвилі не має значення, якщо вона повторюється.

Проте в більшості електричних схем типовою формою хвилі змінного струму є синусоїда. Типова синусоїдальна форма хвилі, яку ви можете побачити як змінний струм, показана на зображенні нижче.

Альтернаторальтернатор може генерувати змінний струм. Альтернатор — це спеціальний тип електричного генератора, призначений для генерації змінного струму.

Електрична енергія змінного струму широко використовується в промислових та житлових застосуваннях.

Постійний струм

Перетік електричного заряду лише в одному напрямку називається постійним струмом (DC). Постійний струм також називають "постійний струм". Хоча технічно це означає те саме двічі "постійний струм струм".

Оскільки постійний струм перетікає лише в одному напрямку, його також називають односпрямованим струмом. Форма хвилі постійного струму показана на нижньому зображенні.

Постійний струм можна отримати від батарей, сонячних батарей, паливних елементів, термоелементів, комутаторних електричних генераторів тощо. Змінний струм можна перетворити на постійний за допомогою выпрямляча.

Електрична енергія постійного струму загалом використовується в низьковольтових застосуваннях. Більшість електронних схем потребують джерела живлення постійного струму.

В чому вимірюється електричний струм (одиниці струму)?

Одиницею виміру струму в СІ є ампер або ампер. Це позначається як A. Ампер — це базова одиниця виміру електричного струму в системі СІ. Одиниця ампер названа на честь великого фізика Андре Марі Ампера.

У системі СІ, 1 ампер — це потік електричного заряду між двома точками з швидкістю 1 кулон за секунду. Таким чином,

$\begin{align*} 1 \,\, Ампер = \frac {1\,\,Кулон} {1\,\,Секунда} = \frac {C} {S} \end{align*}$

Отже, струм також вимірюється в кулонах на секунду або C/S.

Формула електричного струму

Основні формули для струму:

Зв'язок між струмом, напругою та опором (Закон Ома)
Зв'язок між струмом, потужністю та напругою
Зв'язок між струмом, потужністю та опором

Ці зв'язки підсумовані на зображення нижче.

Формула струму 1 (Закон Ома)

За законом Ома,

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

Тому,

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

Приклад

Як показано на нижньому схемі, напруга живлення $24\,\,V$ застосовується до опору $12\,\,\Omega$ . Визначте струм, що проходить через резистор.

Рішення:

Задані дані: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

За законом Ома,

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

Таким чином, використовуючи рівняння, ми отримуємо струм, що проходить через резистор, $2\,\,A$ .

Формула струму 2 (потужність та напруга)

Переданий потік є добутком підсилюючої напруги та електричного струму.

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

Отже, ми отримуємо, що струм дорівнює потужності, поділеній на напругу. Математично,

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

Де $A$ означає ампери або ампер (одиниці для електричного струму).

Приклад

Як показано на схемі нижче, до лампи прикладено напругу $24\,\,V$ . Визначте струм, який споживає лампа $48\,\,W$ .Рішення:

Задані дані: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

Відповідно до формули,

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

Таким чином, використовуючи формулу вище, ми отримуємо, що струм, споживаний лампою $48\,\,W$ , дорівнює $2\,\,A$ .

Формула струму 3 (Потужність і опір, Омічні втрати, Опірне нагрівання)

Знаємо, $P = V * I$

Тепер, підставляючи закон Ома $V = I * R$ у вищенаведене рівняння, отримуємо,

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

Отже, струм є квадратним коренем від співвідношення потужності до опору. Математично, формула для цього дорівнює:

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

Приклад

Як показано на нижньому схемі, визначте струм, який проходить через $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ лампу

Розв'язок:

Задані дані: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

Відповідно до зв'язку між струмом, потужністю та опором, показаного вище:

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

Таким чином, використовуючи це рівняння, ми отримуємо струм, який споживає $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ лампа, є $2.24\,\,A$ .

Розмірності струму

Розмірності струму в термінах маси (M), довжини (L), часу (T) та ампера (A) визначаються як $M^0L^0T^-^1Q$ .

Струм (I) є представленням кулона на секунду. Тому,

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

Традиційний струм проти потоку електронів

Існує невелика помилкова думка щодо традиційного потоку струму і потоку електронів. Спробуємо зрозуміти різницю між ними.

Частинки, які переносять електричний заряд через провідники, це мобільні або вільні електрони. Напрямок електричного поля у схемі за визначенням є законом, за яким позитивні тестові заряди тиснуться. Таким чином, ці частинки негативного заряду, тобто електрони, рухаються в протилежному напрямку до електричного поля.

Згідно з теорією електронів, коли на провідник застосовується напруга або різниця потенціалів, заряджені частинки рухаються через схему, що становить електричний струм.

Ці заряджені частинки рухаються від більшого потенціалу до меншого, тобто від позитивного терміналу до негативного терміналу джерела живлення через зовнішню схему.

Але, у металевому провіднику, частинки з позитивним зарядом знаходяться в фіксованому положенні, а частинки з негативним зарядом, тобто електрони, можуть вільно рухатися. У напівпровідниках потік заряджених частинок може бути позитивним або негативним.

Потік позитивних носіїв заряду і негативних носіїв заряду в протилежному напрямку має такий самий ефект в електричній схемі. Оскільки потік струму спричинений або позитивними, або негативними зарядами, або обоєма, необхідна конвенція для напрямку струму, яка не залежить від типу носіїв заряду.

Напрямок традиційного струму вважається напрямком, в якому рухаються позитивні носії заряду, тобто від більшого потенціалу до меншого. Тому, негативні носії заряду, тобто електрони, рухаються в протилежному напрямку до потоку традиційного струму, тобто від меншого потенціалу до більшого. Отже, традиційний струм і потік електронів рухаються в протилежних напрямках, що показано на нижньому зображенні.

напрямок традиційного струму і потоку електронів — Напрямок традиційного струму і потоку електронів

Традиційний струм: Потік додатних носіїв заряду від додатного контакту до від'ємного контакту акумулятора називається традиційним струмом.
Електронний потік: Потік електронів називається електронним струмом. Потік від'ємних носіїв заряду – тобто, електронів – від від'ємного контакту до додатного контакту акумулятора називається електронним потоком. Електронний потік є протилежним до потоку традиційного струму.

Напрямок традиційного струму та електронного потоку показано на нижньому зображенні.

Традиційний потік струму та електронний потік

Традиційний струм vs Провідний потік

Конвекційний струм

Конвекційний струм вказує на потік струму через ізоляційну середовище, таке як рідина, газ або вакуум.

Конвекційний струм не потребує провідників для потоку; отже, він не задовольняє закон Ома. Приклад конвекційного струму – це вакуумна лампа, в якій електрони, виділені катодом, потрапляють до анода в вакуумі.

Провідний струм

Струм, який проходить через будь-який провідник, називається провідним струмом. Провідний струм потребує провідника для потоку; отже, він задовольняє закон Ома.

Зміщений струм

Розглянемо випадок, коли резистор і конденсатор підключені паралельно до джерела напруги V, як показано на нижньому малюнку. Натура потоку струму через конденсатор відрізняється від потоку через резистор.

Напруга або різниця потенціалів на резисторі створює неперервний потік струму, який визначається за формулою,

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

Цей струм називається «струм провідності».

Зараз струм проходить через конденсатор лише тоді, коли напруга на конденсаторі змінюється, що визначається рівнянням,

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

Цей струм називається «переміщувальний струм».

Фізично переміщувальний струм не є струмом, оскільки немає потоку фізичної величини, такої як потік зарядів.

Як вимірювати струм

У електричних і електронних схемах вимірювання струму є важливим параметром, який потрібно виміряти.

Прилад, який може вимірювати електричний струм, називається амперметром. Для вимірювання струму амперметр повинен бути підключений послідовно до схеми, чий струм потрібно виміряти.

Вимірювання струму через резистор за допомогою амперметра показано на нижньому малюнку.

Вимірювання струму за допомогою амперметра

Електричний струм також можна виміряти за допомогою гальванометра. Гальванометр дає як напрямок, так і величину електричного струму.

Струм можна виміряти, виявляючи магнітне поле, пов'язане зі струмом, без переривання цепи. Існує багато приладів, які використовуються для вимірювання струму без переривання цепи.

Датчики току на основі ефекту Холла
Трансформатори струму (ТС) (вимірюють лише перемінний струм)
Клещеві амперметри
Шунт-резистори
Магнеторезистивні датчики магнітного поля

Загальні питання про струм

Розглянемо деякі загальні питання, пов'язані з електричним струмом.

Що використовує електромагніт для вимірювання електричного струму?

Гальванометр — це вимірювальний прилад, який використовує електромагніт для вимірювання електричного струму.

Гальванометр є абсолютним приладом; він вимірює електричний струм через тангенс кута відхилення.

Гальванометр може безпосередньо вимірювати електричний струм, але це потребує переривання контуру; тому іноді це не зручно.

Як електричний струм створює магнітну силу?

Провідник з електричним струмом, розташований у магнітному полі, буде діяти силою, оскільки струм є ніщо інше, як потік зарядів.

Розглянемо провідник з електричним струмом, як показано на нижньому малюнку (а). Згідно з правилом правої руки Флемінга; цей струм створить магнітне поле в годинниковому напрямку.

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

Магнітна сила, створена електричним струмом

Результат магнітного поля провідника полягає в тому, що воно змусить магнітне поле над провідником посилитися, а під провідником — послабитися.

Лінії магнітного поля подібні до розтягнутих резинок; тому вони будуть тиснути на провідник вниз, тобто сила буде направлено вниз, як показано на малюнку (б).

Цей приклад стверджує, що провідник з електричним струмом у магнітному полі діє на силу. Наступне рівняння визначає величину магнітної сили на провіднику з електричним струмом.

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

Щоб захопити електричний струм, необхідно мати

Щоб захопити електричний струм, необхідно мати наступне:

Потенційна різниця, яка існує між двома точками. Якщо дві точки в контурі знаходяться на одному потенціалі, струм не може пройти.
Джерело напруги або струму, таке як батарея чи елемент, що змушує вільні електрони, які становлять електричний струм.
Провідник або дріт, який переносить електричні заряди.
Контур має бути замкненим або повним. Якщо контури відкриті, струм не може пройти.

Це умови, необхідні для створення електричного струму. Зображення нижче показує струм, що проходить через замкнутий контур.

Яке найкраще описує різницю між електричним струмом та статичним електриством

Основна різниця між електричним струмом та статичним електриством полягає в тому, що електрони або заряди рухаються через провідник у електричному струмі.

Тоді як у статичному електристві заряди спокійні та накопичуються на поверхні речини.

Електричний струм виникає завдяки руху електронів, тоді як статичне електриство виникає завдяки негативним зарядам, які переходитять з одного об'єкта на інший.

Електричний струм генерується лише в провіднику, тоді як статичне електриство генерується як в провіднику, так і в ізоляторі.

Як електричний струм впливає на магнітний полюс?

Ми знаємо, що коли протікає електричний струм, тобто електричний заряд у русі, він створює магнітне поле. Якщо ми помістимо магніт у магнітне поле, він діє на силу.

Щодо електричних зарядів, тобто електричного струму, подібні магнітні полюси притягуються, а протилежні відштовхуються. Тому можна сказати, що електричний струм впливає на магнітний полюс через магнітне поле.

Який прилад використовується для вимірювання електричного струму

Прилад, який може вимірювати електричний струм, називається амперметр. Амперметр повинен бути підключений послідовно до кола, струм якого необхідно виміряти.

Інші різні прилади також використовуються для вимірювання електричного струму.

Трансдуктори з датчиками струму на основі ефекту Холла
Токовий перетворювач (CT) (Вимірює лише перемінний струм)
Кліщеві амперметри
Шунт-резистори
Сенсори магніторезистивного поля

Джерело: Electrical4u

Заява: Поважайте оригінал, добре написані статті варті поширення, якщо є порушення авторських прав зверніться з проханням видалити.