חַשְׁמַל

מהו זרם חשמלי

חשמל - תנועה מכוונת של חלקיקים טעונים חשמלית תחת פגיעה שדה חשמלי... חלקיקים כאלה יכולים להיות: במוליכים - אלקטרונים, באלקטרוליטים - יונים (קטיונים ואניונים), במוליכים למחצה - אלקטרונים ומה שנקרא "חורים" ("מוליכות של חורי אלקטרונים"). יש גם "זרם הטיה", שזרימתו נובעת מתהליך טעינת הקיבול, כלומר משינוי בהפרש הפוטנציאל בין הלוחות. לא מתרחשת תנועת חלקיקים בין הלוחות, אך זרם זורם דרך הקבל.

בתיאוריה של מעגלים חשמליים, זרם נחשב לתנועה מכוונת של נושאי מטען בתווך מוליך תחת פעולת שדה חשמלי.

זרם הולכה (רק זרם) בתורת המעגלים החשמליים הוא כמות החשמל הזורמת ליחידת זמן בחתך הרוחב של חוט: i = q /T, כאשר i - זרם. א; q = 1.6·109 - מטען אלקטרונים, С; ט - זמן, ש.

ביטוי זה תקף עבור מעגלי DC. עבור מעגלי זרם חילופין, מה שנקרא ערך זרם מיידי שווה לקצב שינוי המטען לאורך זמן: i (t) = dq /dt.

התנאי הראשון לקיומו ארוך טווח של זרם חשמלי מהסוג הנחשב הוא הימצאות מקור או גנרטור השומר על הפרש הפוטנציאלים בין נושאי מטען. התנאי השני הוא סגירת הכביש. בפרט, כדי שיתקיים זרם ישר, יש צורך בנתיב סגור שלאורכו יכולים לנוע מטענים במעגל מבלי לשנות את ערכם.

כידוע, בהתאם לחוק שימור מטענים חשמליים, לא ניתן ליצור או להרוס אותם. לכן, אם נפח כלשהו של חלל שבו זורמים זרמים חשמליים מוקף במשטח סגור, הזרם הזורם בנפח זה חייב להיות שווה לזרם היוצא ממנו.

עוד על זה: תנאים לקיומו של זרם חשמלי

הנתיב הסגור שדרכו זורם זרם חשמלי נקרא מעגל חשמלי או מעגל חשמלי. מעגל חשמלי - מחולק לשני חלקים: החלק הפנימי, שבו חלקיקים טעונים חשמלית נעים נגד כיוון הכוחות האלקטרוסטטיים, והחלק החיצוני, שבו חלקיקים אלה נעים בכיוון של כוחות אלקטרוסטטיים. קצוות האלקטרודות שאליהן מחובר המעגל החיצוני נקראים מהדקים.

אז, זרם חשמלי מתרחש כאשר שדה חשמלי מופיע על קטע של מעגל חשמלי, או הפרש פוטנציאל בין שתי נקודות על חוט. הבדל פוטנציאלי בין שתי נקודות מעגל חשמלי נקראים המתח או נפילת המתח באותו קטע של המעגל.

במקום המונח "זרם" ("כמות נוכחית"), משתמשים לעתים קרובות במונח "כוח נוכחי".עם זאת, לא ניתן לכנות את האחרון מוצלח, מכיוון שעוצמת הזרם אינה כוח כלשהו במובן המילולי של המילה, אלא רק עוצמת התנועה של מטענים חשמליים במוליך, כמות החשמל העוברת ליחידת זמן דרך הצלב- שטח חתך של המוליך.
הזרם מאופיין אמפר, שבמערכת SI נמדדת באמפר (A), וצפיפות זרם, שבמערכת SI נמדדת באמפר למ"ר.

אמפר אחד מתאים לתנועה דרך חתך החוט בשנייה אחת (שניות) של מטען חשמל בכמות של קולומב אחד (C):

1A = 1C/s.

במקרה הכללי, המציין את הזרם באות i והמטען q, נקבל:

i = dq / dt.

יחידת הזרם נקראת אמפר (A).

אמפר (A) - עוצמתו של זרם ישר אשר, כאשר הוא עובר דרך שני מוליכים ישרים מקבילים באורך אינסופי וחתך רוחב זניח, הממוקמים בוואקום במרחק של 1 מ' אחד מהשני, יוצר בין מוליכים אלה 2·10 -7 H לכל מטר אורך.

הזרם בחוט הוא 1 A אם מטען חשמלי השווה ל-1 קולומב עובר בחתך הרוחב של החוט תוך 1 שניות.

אורז. 1. תנועה כיוונית של אלקטרונים במוליך

אם מתח פועל על החוט, אזי נוצר שדה חשמלי בתוך החוט. עם עוצמת שדה E, כוח f = Ee פועל על אלקטרונים של מטען e. הכמויות e ו-E הן כמויות וקטוריות. במהלך הנתיב החופשי, האלקטרונים רוכשים תנועה מכוונת יחד עם תנועה כאוטית. לכל אלקטרון יש מטען שלילי והוא מקבל את רכיב המהירות המנוגד לווקטור E (איור 1). התנועה המסודרת, המאופיינת במהירות ממוצעת מסוימת של האלקטרונים vcp, קובעת את זרימת הזרם החשמלי.

לאלקטרונים יכולים להיות תנועה מכוונת בגזים נדירים. באלקטרוליטים ובגזים מיוננים, הזרם נובע בעיקר מתנועת יונים. בהתאם לעובדה שיונים טעונים חיוביים נעים מהקוטב החיובי אל הקוטב השלילי באלקטרוליטים, היסטורית ההנחה הייתה שכיוון הזרם מנוגד לכיוון זרימת האלקטרונים.

כיוון הזרם נלקח ככיוון שאליו נעים החלקיקים הטעונים חיובית, כלומר. כיוון מנוגד לתנועת האלקטרונים.
בתורת המעגלים החשמליים, כיוון הזרם במעגל פסיבי (מחוץ למקורות האנרגיה) נלקח ככיוון התנועה של חלקיקים בעלי מטען חיובי מפוטנציאל גבוה יותר לנמוך יותר. כיוון זה נלקח ממש בתחילת התפתחות הנדסת החשמל וסותר את כיוון התנועה האמיתי של נושאי מטען - אלקטרונים הנעים במדיה מוליכה ממינוס לפלוס.

כיוון הזרם החשמלי באלקטרוליט והאלקטרונים החופשיים במוליך

הכמות השווה ליחס בין הזרם לשטח החתך S נקראת צפיפות הזרם: I/S

במקרה זה, ההנחה היא כי הזרם מופץ באופן אחיד על פני החתך של החוט. צפיפות זרם בחוטים נמדדת בדרך כלל ב-A/mm2.

לפי סוג נושאי המטענים החשמליים ותווך תנועתם, הם מחולקים לזרמים מוליכים וזרמי עקירה... מוליכות מחולקת לאלקטרונית ויונית. עבור מצבים נייחים, שני סוגים של זרמים נבדלים: ישירים ומתחלפים.

העברת הלם חשמלי נקראת תופעת העברת מטענים חשמליים מחלקיקים טעונים או גופים הנעים בחלל פנוי.הסוג העיקרי של העברת זרם חשמלי הוא תנועה בחלל של חלקיקים טעונים אלמנטריים (תנועת אלקטרונים חופשיים בצינורות אלקטרונים), תנועה של יונים חופשיים במכשירי פריקת גז.

זרם תזוזה (זרם קיטוב) נקרא תנועה מסודרת של נושאי מטענים חשמליים קשורים. ניתן לראות סוג זה של זרם בדיאלקטרי.

זרם חשמלי כולל - ערך סקלרי השווה לסכום של זרם ההולכה החשמלית, זרם ההעברה החשמלי וזרם התזוזה החשמלי דרך המשטח הנדון.

הקבוע נקרא זרם שיכול להשתנות בגודלו, אך אינו משנה את הסימן שלו במשך זמן רב באופן שרירותי. קרא עוד על זה כאן: זֶרֶם יָשָׁר

זרם מגנט - זרם מיקרוסקופי (אמפר) קבוע, שהוא הסיבה לקיומו של שדה מגנטי פנימי של חומרים ממוגנטים.

משתנים הנקראים זרם המשתנים מעת לעת הן בגודל והן בסימן. הכמות המאפיינת את זרם החילופין היא התדר (במערכת SI הוא נמדד בהרץ), למקרה שעוצמתו משתנה מעת לעת.

זרם חילופין בתדר גבוה מוזז על פני החוט. זרמים בתדר גבוה משמשים בהנדסת מכונות לטיפול בחום של משטחי חלקים וריתוך, במטלורגיה להמסת מתכות. זרמים מתחלפים מחולקים לסינוסואידיים ולא-סינוסואידים... זרם סינוסואידי הוא זרם המשתנה לפי חוק הרמוני:

i = חטא wt,

איפה אני, - שיא (הגבוה ביותר) ערך הנוכחי, אה,

קצב השינוי של זרם חילופין מאופיין בה תדירות, מוגדר כמספר התנודות החוזרות והשלמות ליחידת זמן.התדר מסומן באות f ונמדד בהרץ (Hz). אז תדר זרם רשת של 50 הרץ מתאים ל-50 תנודות שלמות בשנייה. התדר הזוויתי w הוא קצב השינוי של הזרם ברדיאנים לשנייה וקשור לתדר בקשר פשוט:

w = 2pi f

ערכים נייחים (קבועים) של זרמים ישירים ומתחלפים מתכוונים באות גדולה I לערכים לא נייחים (מיידיים) - עם האות i. בדרך כלל הכיוון החיובי של הזרם הוא כיוון התנועה של מטענים חיוביים.

זרם חליפין זהו זרם המשתנה בהתאם לחוק הסינוסואידאלי לאורך זמן.

זרם חילופין פירושו גם זרם ברשתות חד פאזי ותלת פאזי קונבנציונליות. במקרה זה, הפרמטרים של זרם החילופין משתנים בהתאם לחוק ההרמוני.

מכיוון שזרם AC משתנה עם הזמן, פתרונות פשוטים המתאימים למעגלי DC אינם ישימים כאן ישירות. בתדרים גבוהים מאוד, מטענים יכולים להתנודד - לזרום ממקום אחד במעגל למקום אחר וחוזר חלילה. במקרה זה, בניגוד למעגלי DC, הזרמים בחוטים המחוברים בסדרה יכולים להיות לא שווים.

קיבולים הקיימים במעגלי AC משפרים את האפקט הזה. בנוסף, כאשר הזרם משתנה, מורגשות אפקטים של אינדוקציה עצמית, אשר הופכות למשמעותיות גם בתדרים נמוכים אם משתמשים בסלילים בעלי השראות גבוהה.

בתדרים נמוכים יחסית, עדיין ניתן לחשב את מעגל AC באמצעות הכללים של קירכהוףעם זאת, יש לתקן בהתאם.

ניתן לחשוב על מעגל המכיל נגדים, משרנים וקבלים שונים כנגד כללי, קבל ומשרן המחוברים בסדרה.

שקול את המאפיינים של מעגל כזה המחובר למחולל זרם חילופין סינוסואידי. כדי לנסח את הכללים לחישוב מעגלים מתחלפים, עליך למצוא את הקשר בין מפל המתח לזרם עבור כל אחד מהמרכיבים של מעגל כזה.

מַעֲבֶה ממלא תפקידים שונים לחלוטין במעגלי AC ו-DC. אם, למשל, תא אלקטרוכימי מחובר למעגל, אז הקבל יתחיל להיטעןעד שהמתח בו ישתווה ל-emf של האלמנט. אז הטעינה תיפסק והזרם יירד לאפס.

אם המעגל מחובר לאלטרנטור, אז בחצי מחזור אחד, אלקטרונים יזרמו מהלוח השמאלי של הקבל ויצטברו בצד ימין, ובשני - להיפך.

אלקטרונים נעים אלו מהווים זרם חילופין שעוצמתו שווה משני צידי הקבל. כל עוד תדר ה-AC אינו גבוה במיוחד, גם הזרם דרך הנגד והמשרן זהה.

במכשירים הצורכים זרם חילופין, זרם החילופין מתוקן לעתים קרובות מיישרים להשיג זרם ישר.

מוליכים לזרם חשמלי

זרם חשמלי על כל צורותיו הוא תופעה קינטית, המקבילה לזרימת נוזלים במערכות הידראוליות סגורות. באנלוגיה, תהליך התנועה הנוכחית נקרא "זרימה" (זרימות שוטפות).

החומר שבו זורם הזרם נקרא מנצח… חומרים מסוימים נכנסים למוליכות-על בטמפרטורות נמוכות. במצב זה, הם כמעט לא מראים התנגדות לזרם, ההתנגדות שלהם שואפת לאפס.

בכל שאר המקרים, המוליך מתנגד לזרימת הזרם, וכתוצאה מכך חלק מהאנרגיה של החלקיקים החשמליים מומרת לחום.ניתן לחשב את האמפר לפי חוק אוהם עבור החתך של המעגל וחוק אוהם עבור המעגל כולו.

מהירות התנועה של חלקיקים בחוטים תלויה בחומר החוט, במסה ובמטען של החלקיק, בטמפרטורת הסביבה, בהפרש הפוטנציאל המופעל והיא קטנה בהרבה ממהירות האור. עם זאת, מהירות ההתפשטות של הזרם החשמלי עצמו שווה למהירות האור בתווך נתון, כלומר מהירות ההתפשטות של חזיתו של גל אלקטרומגנטי.

כיצד חשמל משפיע על גוף האדם

זרם העובר בגוף האדם או החיה עלול לגרום לכוויות חשמליות, פרפור או מוות. מצד שני, זרם חשמלי משמש בטיפול נמרץ, לטיפול במחלות נפש, בעיקר דיכאון, גירוי חשמלי של אזורים מסוימים במוח משמש לטיפול במחלות כמו מחלת פרקינסון ואפילפסיה, קוצב לב הממריץ את שריר הלב עם פעימות. זרם משמש לברדיקרדיה. בבני אדם ובבעלי חיים משתמשים בזרם להעברת דחפים עצביים.

מטעמי בטיחות, הזרם הקליטה המינימלי לאדם הוא 1 mA. הזרם הופך מסוכן לחייו של אדם החל מעוצמה של כ-0.01 A. הזרם הופך קטלני לאדם החל מעוצמה של כ-0.1 A. מתח של פחות מ-42 V נחשב בטוח.