Електричний струм

Електричний струм - упорядкований нескомпенсованих рух вільних електрично заряджених частинок, наприклад, під впливом електричного поля. Такими частинками можуть бути: в провідниках - електрони, в електролітах - іони ( катіони і аніони), в газах - іони і електрони, в вакуумі при певних умовах - електрони, в напівпровідниках - електрони і дірки (електронно-діркова провідність).

Електричний струм широко використовується в енергетиці для передачі енергії на відстані.

В медицині електричний струм використовують в реанімації, електростимуляції певних областей головного мозку. Електричні розряди застосовуються для лікування таких захворювань, як хвороба Паркінсона і епілепсія, також для електрофорезу. Водій ритму, стимулюючий серцевий м'яз імпульсним струмом, використовують при брадикардії.

1. Характеристики

Історично прийнято, що напрямок струму збігається з напрямком руху позитивних зарядів в провіднику. При цьому, якщо єдиними носіями струму є негативно заряджені частинки (наприклад, електрони в металі), то напрям струму протилежно напрямку руху електронів.

Швидкість спрямованого руху часток у провідниках залежить від матеріалу провідника, маси і заряду частинок, навколишнього температури, яка додається різниці потенціалів і становить величину, набагато меншу швидкості світла. Незважаючи на це, швидкість поширення власне електричного струму дорівнює швидкості світла, тобто швидкості розповсюдження фронту електромагнітної хвилі.

Розрізняють постійна ( англ. direct current , DC) і змінний ( англ. alternating current , AC) струм.

• Постійний струм - струм, напрям і величина якого слабо змінюється у часі.

• Змінний струм - це струм, напрям і величина якого змінюється у часі. Серед змінних струмів основним є струм, величина якого змінюється по синусоидальному закону. У цьому випадку потенціал кожного кінця провідника змінюється по відношенню до потенціалу іншого кінця провідника поперемінно з позитивного на негативний і навпаки, проходячи при цьому через всі проміжні потенціали (включаючи і нульовий потенціал). В результаті виникає струм, безперервно змінює напрямок: при русі в одному напрямку він зростає, досягаючи максимуму, іменованого амплітудним значенням, потім спадає, на якийсь момент стає рівним нулю, потім знову зростає, але вже в іншому напрямку і також досягає максимального значення , спадає, щоб потім знову пройти через нуль, після чого цикл всіх змін поновлюється.
  Час, за який відбувається один такий цикл (час, що включає зміну струму в обидві сторони), називається періодом змінного струму. Кількість періодів, що здійснюється струмом за одиницю часу, носить назву частота. Частота вимірюється в герцах, один герц відповідає одному періоду в секунду.

Змінний струм високої частоти витісняється на поверхню провідника, цей ефект називається скін-ефектом.

1.1. Сила і густина струму

Силою струму називається фізична величина, що дорівнює відношенню кількості заряду, що пройшов за деякий час через поперечний переріз провідника, до величини цього проміжку часу.

Сила струму в системі СІ вимірюється в Амперах.

За закону Ома сила струму I для ділянки кола прямо пропорційна прикладеному напрузі U до ділянки кола і обернено пропорційна опору R провідника цієї ділянки ланцюга:

Щільністю струму називається вектор, модуль якого дорівнює відношенню сили струму, що протікає через деяку площадку, перпендикулярну напрямку струму, до величини цього майданчика, а напрям вектора співпадає з напрямком руху позитивного заряду в струмі.

Відповідно до закону Ома щільність струму в середовищі пропорційна напруженості електричного поля і провідності середовища :

Щільність струму в системі СІ вимірюється в амперах на квадратний метр.

1.2. Потужність

При наявності струму в провіднику відбувається робота проти сил опору. Ця робота виділяється у вигляді тепла. Потужністю теплових втрат називається величина, що дорівнює кількості виділився тепла в одиницю часу. Відповідно до закону Джоуля - Ленца потужність теплових втрат у провіднику пропорційна силі протікаючого струму і прикладеній напрузі:

Потужність вимірюється в ватах

В суцільному середовищі об'ємна потужність втрат p визначається скалярним добутком вектора щільності струму і вектора напруженості електричного поля в даній точці:

Об'ємна потужність вимірюється у ватах на кубічний метр.

2. Струм зміщення

Іноді для зручності вводять поняття струму зсуву. За визначенням, щільність струму зміщення - Це векторна величина, що дорівнює швидкості зміни електричного поля у часі:

Справа в тому, що при зміні електричного поля, також як і при протіканні струму, відбувається генерація магнітного поля, що робить ці два процеси схожими один на одного. Крім того, зміна електричного поля зазвичай супроводжується перенесенням енергії. Наприклад, при зарядці і розрядці конденсатора, незважаючи на те, що між його обкладками не відбувається руху заряджених частинок, кажуть про протікання через нього струму зміщення, що переносить деяку енергію і своєрідним чином замикаючого електричний ланцюг. Струм зміщення I _D в конденсаторі визначається за формулою:

,

де Q - Заряд на обкладинках конденсатора, U - різниця потенціалів між обкладками, C - ємність конденсатора.

Струм зміщення не є електричним струмом, оскільки не пов'язаний з переміщенням електричного заряду.

3. Електробезпека

Тіло людини є провідником електричного струму. Опір людини при сухій і непошкодженій шкірі коливається від 3 до 100 кОм.

Струм, пропущений через організм людини або тварини, виробляє наступні дії:

• термічне (опіки, нагрівання і пошкодження кровоносних судин);
• електролітичне (розкладання крові, порушення фізико-хімічного складу);
• біологічне (подразнення і збудження тканин організму, судоми)

Основним чинником, що обумовлює результат поразки струмом, є величина проходить через тіло струму. За техніці безпеки ток класифікується наступним чином:

• безпечним вважається струм, тривалий проходження якого через організм людини не заподіює йому шкоди і не викликає ніяких відчуттів, його величина не перевищує 50 мкА;
• мінімально відчутний людиною змінний струм складає близько 1 мА;
• неотпускающим називається струм такої сили, при якій людина вже нездатний зусиллям волі відірвати руки від токоведущей частини. Для змінного струму це приблизно 10-15 мА (0,01-0,015 А), для постійного - 50 мА (0,05 А);
• фібрілляціонние порогом називається сила змінного струму близько 100 мА (0,1 А), вплив якої понад 0.5 с з великою ймовірністю викликає фібриляцію серцевих м'язів. Цей поріг одночасно вважається умовно смертельним для людини.