Виникнення електричного струму. Що таке електричний струм? Природа електрики. Основні величини електричного струму

Електричний струм є одним з основних процесів, що протікають в будь-якій електронній схемі (в електричному ланцюзі). Вивчення цього процесу дозволить надалі набагато простіше розуміти інші процеси, властиві електричним ланцюгам.

Для більш глибокого розуміння сутності електричного струму рекомендую насамперед ознайомитися з природою виникнення . Раніше ми дізналися, що при натиранні об шерсть пластмасової палички за рахунок сил тертя кілька електронів залишають поверхневий шарстрижня, який стає позитивно зарядженим. При натиранні скляної палички об шовк вона заряджається негативно, оскільки електрони залишають атоми з верхніх шарів шовку і осідають на склі.

Таким чином ми маємо одну паличку з надлишком електронів, тому кажуть, що вона негативно заряджена, а другу паличку – з нестачею електронів, тому в ній переважає позитивний заряд.

Оскільки все явленя в природі прагне рівноваги, то з'єднавши провідником обидві різноіменно заряджених стрижня, вільні електрони миттєво перейдуть зі скляного стрижня до пластмасового, із зони їх надлишку в зону нестачі. В результаті обидва стрижні стануть нейтрально зарядженими і позбавлені вільних електронів, які могли б легко переміщатися. Процес переміщення електронів по провіднику між паличками і є електричний струм .

Електричний струм може виконувати корисну роботу, наприклад, засвітити світлодіод, распокладені з його шляху.

Корисну роботу зарядів можна на прикладі автобуса. Якщо з міста А до міста Б пройшов автобус без пасажирів, то автобус не виконав жодної корисної роботи і даремно витратив паливо. Автобус, який перевіз пасажирів, виконав корисну роботу. Аналогічно працює і електричний струм, тому на його шляху мають навантаження, на якому відбувається виконання корисної роботи.

Сполучений проводами з натертими паличками світлодіод світиться дуже короткий проміжок часу, оскільки вільні негативні заряди миттєво перемістяться з їхньої надлишку в область нестачі і настане рівновага.

Генератор

Для того щоб світлодіод міг світитися тривалий час необхідно підтримувати електричний струм шляхом поповнення зарядів на паличках, тобто постійно натирати їх вовну і шовк відповідно. Але такий спосіб важко реалізуємо практично і малоефективний. Тому застосовується набагато практичніший спосіб підтримки необхідної кількостіносіїв енергії.

Пристрій, який постійно створює або генерує заряди різних знаків, називають генератором або узагальнено джерелом живлення. Найпростішим генератором є батарейка, яку правильніше називати гальванічний елемент. На відміну від паличок, у яких утворюються заряди за рахунок сил тертя, в гальванічному елементі різноіменні заряди утворюються в результаті протікання хімічних реакцій.

Електричний струм та умови його протікання

Тепер ми можемо зробити перші найважливіші попередні висновки та визначити умови протікання електричного струму.

1. Перше. Для утворення електричного струму шлях руху зарядів має бути замкнутим.
2. Друге. Для підтримки електричного струму необхідно, щоб спочатку шляху поповнювався запас зарядів, а в кінці шлях вони відбиралися, звільняючи місця для зарядів, що знову прийшли.
3. Третє. Щоб заряди виконували корисну роботу, слід на їхньому шляху розташувати, наприклад, нитку лампи розжарювання, світлодіод або обмотку двигуна, які в загальному випадку прийнято називати навантаженням або споживачем.

Загалом, найпростіший електричний ланцюг складається з генератора, навантаження та проводів, що з'єднують генератор із навантаженням.

Електрорушійна сила ЕРС

Головним завданням будь-якого джерела живлення є освіта та підтримка на висновках, які називаються електродами, постійне значення різноіменних зарядів. Чим більше зарядів, тим сильніше вони прагнуть притягнутися один до одного і тому інтенсивніше переміщаються електричним ланцюгом. А сила, яка змушує рухати електрони ланцюгом, називається електрорушійна сила або скорочено ЕРС . Електрорушійна сила вимірюється в вольтах [В]. ЕРС нової (не розрядженої) батареї трохи більше 1,5 В, а крони - трохи більше 9 В.

Кількісно оцінити значення електричного струму наочно з прикладу водопровідної труби. Подумки представимо воду у вигляді набору маленьких крапельок, що мають однакові розміри. Тепер візьмемо і розріжемо там трубу і встановимо лічильник крапельок води. Далі відкриємо кран і засічемо час, наприклад одну хвилину. Після відліку часу знімемо показання лічильника. Припустимо, за одну хвилину лічильник зафіксував 1 мільйон крапель. Звідси ми робимо висновок, що витрата води становить мільйон крапель на хвилину. Якщо ми збільшимо напір води – змусимо насос качати її швидше, то зросте тиск води, при цьому крапельки почнуть переміщатися інтенсивніше і відповідно зросте витрата води.

Сила електричного струму

Аналогічно визначається сила електричного струму. Якщо подумки розрізати провід, що з'єднує генератор із навантаженням і встановити лічильник, то ми отримаємо витрату електронів за одиницю часу — це сила струму.

Зі зростанням електрорушійної сили генератора електрони інтенсивніше проходять ланцюгом, а сила струму зростає.

Оскільки відомий заряд електрона та їх сумарна кількість, що пройшла через поперечний переріз провідника за одиницю часу, можна кількісно визначити силу струму.

Заряд одного електрона має дуже малу величину, а електричному струмі їх бере участь величезне число. Тому за одиницю електричного заряду прийняли 628∙10 16 , тобто 62,8 трлн зарядів електрона. Така величина електричного заряду отримала назву кулон , скорочено [Кл].

Одиниця виміру сили струму називається ампер [А]. Сила струму дорівнює одному амперу, коли через поперечний переріз провідника за секунду проходить сумарний електричний заряд, величиною один кулон.

1 А = 1 Кл/1 сек

I = Q/t

Якщо за одну секунду по провіднику проходить вдвічі більше електронів, то I дорівнює 2 ампери.

У провіднику, виконаному з металу, наприклад міді або алюмінію, утворюються безліч вільних еле-нов. Вони легко залишають атоми кристалічних ґрат металу і вільно переміщаються в міжатомному просторі. Однак гуляють вони не довго, оскільки миттєво притягується іншим позитивно зарядженим атомом, який втратив аналогічний еле-н. Тому за умовчанням струм через провідник не протікає. З іншого боку вільні ел-ны немає упорядкованого руху, а хаотично переміщаються у межатомном просторі. Таке, що не має чіткого напрямку, рух називають Броунівським рухом. Зі зростанням температури інтенсивність руху збільшується.

Щоб протікав I Необхідно одному кінці провідника створити нестачу ел-нов, але в другому їх надлишок, тобто підключити різноіменні полюси джерела питания. Тоді електричне поледжерела живлення створить таку електрорушійну силу, яка змусить ел-ни в провіднику переміщатися в одному напрямку. Тому електричним струмом називають упорядкований рух зарядів під дією зовнішнього електричного поля

Електричний струм є упорядкованим рухом заряджених частинок. У твердих тілах це рух електронів (негативно заряджених частинок) у рідких та газоподібних тілах це рух іонів (позитивно заряджених частинок). Більше того струм буває незмінним і змінним, і вони зовсім різне рух електричних зарядів. Щоб добре зрозуміти і засвоїти тему рух струму в провідниках, мабуть, спочатку потрібно докладніше розібратися з основами електрофізики. Саме з цього я й почну.

Отже, як взагалі відбувається рух електричного струму? Відомо, що речовини складаються з атомів. Це елементарні частинки речовини. Будова атома нагадує нашу сонячну систему, де у центрі розташоване ядро ​​атома. Воно складається з щільно притиснутих один до одного протонів (позитивних електричних частинок) та нейтронів (електрично нейтральних частинок). Навколо цього ядра з величезною швидкістю по своїх орбітах обертаються електрони (дрібніші частинки, що мають негативний заряд). У різних речовин кількість електронів і орбіт, якими вони обертаються, може бути різним. Атоми твердих речовин мають так звану кристалічну решітку. Це структура речовини, за якою у певному порядку розташовуються атоми щодо один одного.

А де тут може виникнути електричний струм? Виявляється, що деякі речовини (провідників струму) електрони, що найбільш віддалені від свого ядра, можуть відриватися від атома і переходити на сусідній атом. Цей рух електронів називається вільним. Просто електрони переміщуються усередині речовини від одного атома до іншого. Але якщо до цієї речовини (електричного провідника) підключити зовнішнє електромагнітне поле, тим самим створивши електричний ланцюг, то всі вільні електрони почнуть рухатися в одному напрямку. Саме це є рух електричного струму всередині провідника.

Тепер давайте розберемося з тим, що являє собою постійний і змінний струм. Отже, постійний струм завжди рухається лише в одному напрямку. Як говорилося на початку - у твердих тілах рухаються електрони, а в рідких і газоподібних рухаються іони. Електрони це негативно заряджені частинки. Отже, у твердих тілах електричний струм тече від мінусу до плюсу джерела живлення (переміщуються електрони електричним ланцюгом). У рідинах і газах струм рухається відразу у двох напрямках, а точніше, одночасно, електрони течуть до плюсу, а іони (окремі атоми, що не пов'язані між собою кристалічною решіткою, вони кожен сам собою) течуть до мінусу джерела живлення.

Вченими ж було прийнято офіційно вважати, що рух походить від плюса до мінуса (навпаки, чим це відбувається насправді). Так що, з наукової точки зору правильно говорити, що електричний струм рухається від плюса до мінуса, а з реальної точки зору (електрофізична природа) правильніше вважати, що струм тече від мінуса до плюсу (в твердих тілах). Напевно, це зроблено для якоїсь зручності.

Тепер щодо змінного електричного струму. Тут уже трохи все складніше. Якщо у разі постійного струму рух заряджених частинок має лише один напрямок (фізично електрони зі знаком мінус течуть до плюсу), то при змінному струмі напрямок руху періодично змінюється на протилежний. Ви напевно чули, що у звичайній міській електромережі змінна напругавеличиною 220 вольт та стандартною частотою 50 герц. Так ці 50 герц говорять про те, що електричний струм за одну секунду встигає 50 разів пройти повний цикл, що має синусоїдальну форму. Фактично за одну секунду напрямок струму змінюється аж 100 разів (за один цикл змінюється двічі).

P.S. Напрямок струму в електричних схемах має важливе значення. У багатьох випадках якщо схема розрахована на один напрямок струму, а ви випадково його поміняєте на протилежний або замість постійного струму підключіть змінний, швидше за все пристрій просто вийде з ладу. Багато напівпровідників, що працюють у схемах, при зворотному напрямку струму можуть пробиватися та згоряти. Так що при підключенні електричного живлення напрям струму повинен бути вами суворо дотримуватися.

У цій статті показано, що у сучасній фізиці уявлення про електричний струм міфологізовано і не має доказів його сучасної інтерпретації.

З позицій ефіродинаміки обґрунтовується представлення електричного струму як потоку фотонного газу та умови його існування.

Вступ.У історії науки ХІХ століття назвали століттям електрики. Дивне XIX століття, що заклало основи науково-технічної революції, яка так змінила світ, почалося з гальванічного елемента — першої батарейки, хімічного джерела струму (вольтова стовпа) та відкриття електричного струму. Дослідження електричного струму, що проводилися у великому масштабі у перші роки ХІХ ст. дали поштовх проникненню електрики у всі сфери життєдіяльності людини. Сучасне життя немислиме без радіо та телебачення, телефону, смартфона та комп'ютера, всіляких освітлювальних та нагрівальних приладів, машин та пристроїв, в основі яких лежить можливість використання електричного струму.

Однак, широке використання електрики з перших днів відкриття електричного струму перебуває у глибокому протиріччі його теоретичному обґрунтуванню. Ні фізика ХІХ ст., ні сучасна не можуть відповісти на запитання: що таке електричний струм? Наприклад, у наведеному нижче затвердженні з “Британської енциклопедії”:

“Питання: “Що таке електрика?”, як і питання: “Що таке матерія?”, лежить поза сфери фізики і належить сфері метафізики”.

Перші, які здобули широку популярність, досліди з електричним струмом були проведені італійським фізиком Гальвані наприкінці XVIII ст. Інший італійський фізик Вольта створив перший пристрій, здатний давати тривалий електричний струм – гальванічний елемент. Вольта показав, що зіткнення різнорідних металів приводить їх у електричний стан і що від приєднання до них рідини, що проводить електрику, утворюється безпосередній перебіг електрики. Струм, що виходить у названому випадку, називається гальванічним струмом і саме явище гальванізмом. При цьому струм у поданні Вольта це рух електричних рідин - флюїдів.

Істотний зрушення у розумінні сутності електричного струму було зроблено

М. Фарадеєм. Їм було доведено тотожність окремих видів електрики, що походять від різних джерел. Найбільш важливими роботами стали експерименти з електролізу. Відкриття було сприйнято як один із доказів того, що електрика, що рухається, фактично ідентична електриці, обумовленої тертям, тобто. статичної електрики. Його серія дотепних експериментів з електролізу послужила переконливим підтвердженням ідеї, суть якої зводиться до наступного: якщо речовина за своєю природою має атомну структуру, то в процесі електролізу кожен атом отримує певну кількість електрики.

У 1874 році ірландський фізик Дж. Стоней (Стоні) виступив у Белфасті з доповіддю, в якій використав закони електролізу Фарадея як основу для атомарної теорії електрики. За величиною повного заряду, що пройшов через електроліт, і досить грубої оцінки числа атомів водню, що виділилися на катоді, Стонів отримав для елементарного заряду число порядку 10 -20 Кл (у сучасних одиницях). Ця доповідь не була повністю опублікована аж до 1881 року, коли німецький вчений

Г. Гельмгольц в одній із лекцій у Лондоні зазначив, що якщо прийняти гіпотезу атомної структури елементів, не можна не дійти висновку, що електрика також поділяється на елементарні порції чи «атоми електрики». Цей висновок Гельмгольца, по суті, випливав із результатів Фарадея з електролізу та нагадував висловлювання самого Фарадея. Фарадіївські дослідження електролізу відіграли важливу роль у становленні електронної теорії.

У 1891 Стонею, який підтримував ідею, що закони електролізу Фарадея означають існування природної одиниці заряду, ввів термін - "електрон".

Однак, невдовзі термін електрон, введений Стонеєм, втрачає свою первинну сутність. У 1892 роціХ. Лоренц формує власну теорію електронів. За його твердженням, електрика виникає при русі крихітних заряджених частинок - позитивних і негативних електронів.

Наприкінці ХІХ ст. почала розвиватися електронна теорія провідності. Початки теорії дав 1900 р. німецький фізик Пауль Друде. Теорія Друде увійшла до навчальних курсів фізики під ім'ям класичної теорії електропровідності металів. У цій теорії електрони уподібнюються до атомів. ідеального газу, Що заповнює кристалічну решітку металу, а електричний струм представляється як потік цього електронного газу.

Після представлення моделі атома Резерфорда серії вимірювань величини елементарного заряду в 20-х роках ХХ ст. у фізиці остаточно сформувалося уявлення про електричний струм, як потік вільних електронів, структурних елементів атома речовини.

Однак модель вільних електронів виявилася неспроможною при поясненні сутності електричного струму в рідких електролітах, газах та напівпровідниках. Для підтримки існуючої теорії електричного струму було введено нові носії електричного заряду – іони та дірки.

На підставі вище викладеного, у сучасній фізиці сформувалося остаточне за сучасними мірками поняття: електричний струм - це спрямований рух носіїв електричних зарядів (електронів, іонів, дірок тощо).

За напрямок електричного струму приймають напрямок руху позитивних зарядів; якщо струм створюється негативно зарядженими частинками (напр., електронами), то напрям струму вважають протилежним руху частинок.

Електричний струм називають постійним, якщо сила струму та його напрямок не змінюються з часом. Для виникнення та підтримки струму в будь-якому середовищі необхідне виконання двох умов: - Наявність у середовищі вільних електричних зарядів; - Створення в середовищі електричного поля.

Однак, дане уявлення електричного струму виявилося неспроможним при описі явища надпровідності. Крім того, як з'ясувалося, існує багато протиріч у зазначеному поданні електричного струму при описі функціонування практично всіх типів електронних приладів. Необхідність інтерпретації поняття електричний струм у різних умовах та у різних типах електронних приладівз одного боку, а також нерозуміння сутності електричного струму з іншого, змусило сучасну фізику зробити з електрона - носія електричного заряду, "фігаро" ("вільний", "швидкий", "вибитий", "випущений", "гальмівний", "релятивістський") ”, “фото”, “термо” тощо), що остаточно порушило питання “ що таке електричний струм?у глухий кут.

Значимість теоретичного уявлення електричного струму в сучасних умовах значно зросла не тільки через широке застосування електрики в життєдіяльності людини, а й через високу вартість і технічну доцільність, наприклад, наукових мегапроектів, що реалізуються всіма розвиненими країнами світу, в яких грає поняття електричного струму. істотну роль.

Ефіродинамічна концепція представлення електричного струму.З наведеного вище визначення випливає, що електричний струм це спрямований рух носіїв електричних зарядів. Очевидно, що розтин фізичної сутності електричного струму знаходиться у вирішенні проблеми фізичної сутності електричного заряду і того, що є носієм цього заряду.

Проблема фізичної сутності електричного заряду це вирішена проблема, як класичної фізикою, і сучасної квантової протягом усієї історії розвитку електрики. Вирішення цієї проблеми виявилося можливим лише з використанням методології ефіродинаміки, нової концепції фізики XXI ст.

Відповідно до ефіродинамічного визначення : електричний заряд це міра руху потоку ефіру… .Електричний заряд це властивість властиве всім елементарним частинкам і лише. Електричний заряд це величина знаковизначена, тобто завжди позитивна.

З зазначеної фізичної сутності електричного заряду випливає некоректність вище представленого визначення електричного струму в частині того, що іони, дірки тощо.не можуть бути причиною електричного струму у зв'язку з тим, що не є носіями електричного заряду, оскільки не є елементами організаційного рівня фізичної матерії – елементарні частки (відповідно до визначення).

Електрони, як елементарні частинки мають електричний заряд, однак, згідно з визначенням: є однією з основних структурних одиниць речовини, що утворюютьелектронні оболонки атомів , будова яких визначає більшість оптичних, електричних, магнітних, механічних тахімічних властивостей речовини,не можуть бути рухомими (вільними) носіями електричного заряду. Вільний електрон – це міф, створений сучасною фізикою для інтерпретації поняття електричний струм, який не має жодного практичного чи теоретичного доказу. Очевидно, що, як тільки "вільний" електрон залишить атом речовини, утворюючи електричний струм, неодмінно мають відбутися зміни фізико-хімічних властивостейцієї речовини (згідно з визначенням), чого в природі не спостерігається. Це припущення було підтверджено дослідами німецького фізика Карла Віктора Едуарда Рікке: "проходження струму через метали (провідники першого роду) не супроводжується хімічною зміною їх". В даний час, залежність фізико-хімічних властивостей речовини від наявності того чи іншого електрона в атомі речовини добре вивчена та підтверджена експериментально, наприклад, у роботі.

Також існує посилання на досліди, виконані вперше в 1912 р. Л. І. Мандельштамом та Н. Д. Папалексі, але не опубліковані ними. Чотири роки (1916 р.) Р. Ч. Толмен і Т. Д. Стюарт опублікували результати своїх дослідів, що виявилися аналогічними дослідам Мандельштама і Папалексі. У сучасній фізиці ці досліди є безпосереднім підтвердженням того, що переносниками електрики в металі слід вважати вільні електрони.

Для того, щоб зрозуміти некоректність цих дослідів, достатньо розглянути схему та методику досліду, в якому як провідник використовувалася котушка індуктивності, яка розкручувалась навколо своєї осі та різко зупинялася. Котушка за допомогою ковзних контактів була підключена до гальванометра, який реєстрував виникнення інерційної ЕРС. Фактично можна сказати, що в даному досвіді роль сторонніх сил, що створюють ЕРС, грала сила інерції, тобто якщо в металі є вільні носії заряду, які мають масу, то вони повинні підкорятисязакону інерції . Твердження “ вони повинні підкорятисязакону інерції ” помилково у тому плані, що відповідно до рівневому підходу у створенні фізичної матерії , електрони, як елементи рівня “елементарні частки” підпорядковуються лише законам електро- і газодинаміки, т. е. закони механіки (Ньютона) до них не застосовні.

Для переконливості цього припущення розглянемо відоме завдання 3.1: обчислити відношення електростатичної (Fе) та гравітаційної (Fгр) сил взаємодії між двома електронами між двома протонами.

Рішення: для електронів Fе / Fгр = 4 · 10 42, для протонів Fе / Fгр = 1,24 · 10 36, тобто. вплив гравітаційних сил настільки мало, що брати їх до уваги не доводиться. Це твердження справедливе і сил інерції.

Це означає, що вираз для ЕРС (запропонований Р. Ч. Толменом та Т. Д. Стюартом), виходячи з її визначення через сторонні сили Fстор, що діють на заряди всередині провідника, що зазнав гальмування:

ε = 1/e ∫F стор∙dl,

некоректно у своїй постановці, тому що Fстор → 0.

Тим не менш, в результаті досвіду спостерігалося короткочасне відхилення стрілки гальванометра, яке потребує пояснення. Для розуміння цього процесу слід звернути увагу на сам гальванометр, як який був використаний так званий балістичний гальванометр. Його інструкція щодо використання має такий варіант.

Балістичний гальванометр може використовуватися як веберметр (тобто вимірювати магнітний потік через замкнутий провідник, наприклад котушку), для цього до контактів балістичного гальванометра підключають індуктивну котушку, яку поміщають в магнітне поле. Якщо після цього різко прибрати котушку з магнітного поля або повернути так щоб вісь котушки була перпендикулярна силовим лініям поля, можна виміряти заряд пройшов через котушку, внаслідок електромагнітної індукції , т.к. зміна магнітного потоку пропорційно минулому заряду, проградуюючи відповідним чином гальванометр, можна визначати зміну потоку в веберах.

З вище викладеного очевидно, що використання балістичного гальванометра як веберметр відповідає методиці досвіду Р. Ч. Толмена і Т. Д. Стюарта по спостереженню інерційного струму в металах. Відкритим залишається питання про джерело магнітного поля, яким, наприклад, могло бути магнітне поле Землі. Вплив зовнішнього магнітного поля Р. Ч. Толменом і Т. Д. Стюартом до уваги не бралося і не досліджувалося, що призвело до міфологізації результатів досвіду.

Сутність електричного струму.З вище викладеного випливає, що відповіддю питанням, що таке електричний струм? також є вирішення проблеми носія електричного заряду. На підставі існуючих уявлень цієї проблеми можна сформулювати низку вимог, яким має задовольняти носій електричного заряду. А саме: носій електричного заряду має бути елементарною частинкою; носій електричного заряду повинен бути вільним та довгоживучим елементом; носій електричного заряду не повинен руйнувати структуру атома речовини.

Не складний аналіз існуючих фактів дозволяє дійти невтішного висновку, що вище зазначеним вимогам задовольняє лише одне елемент рівня “елементарні частинки” фізичної матерії: елементарна частка – фотон .

Сукупність фотонів разом із середовищем (ефіром), в якому вони існують, утворюють фотонний газ.

Зважаючи на фізичну сутність фотона і вище наведені відомості можна дати таке визначення:

Електричний струм це потік фотонного газу, призначений для перенесення енергії.

Для розуміння механізму руху електричного струму розглянемо відому модель транспортування газу метану. Спрощено вона включає магістральний трубопровід, який доставляє газ метан від газового родовища до місця споживання. Для переміщення газу метану магістральним трубопроводом необхідно виконання умови – тиск газу метану на початку трубопроводу має бути більшим за тиск газу метану в його кінці.

За аналогією з транспортуванням газу метану розглянемо схему руху електричного струму, що складається з батареї (джерела електричного струму), що має два контакти "+" і "-" та провідника. Якщо до контактів батареї приєднати металевий провідник, то отримаємо модель руху електричного струму, подібну до транспортування газу метану.

Умовою існування електричного струму в провіднику за аналогією з моделлю транспортування газу метану є: джерела (газу) підвищеного тиску, тобто джерела високої концентрації носіїв електричного заряду; трубопроводу – провідника; споживача газу, тобто елемента, що забезпечує зниження тиску газу, тобто елемента (стік), що забезпечує зменшення концентрації носіїв електричного заряду.

Відмінністю електричних схем від газо-, гідро- та ін є те, що конструктивно джерело і стік виконуються в одному вузлі (хімічному джерелі струму-батареї, електрогенераторі тощо). Механізм протікання електричного струму полягає в наступному: після приєднання провідника до батареї, наприклад, хімічного джерела струму , в зоні контакту "+" (анод) відбувається хімічна реакція відновлення, в результаті якої здійснюється генерація фотонів, тобто утворюється зона підвищеної концентрації носіїв електричного заряду. У цей час, у зоні контакту “-“ (катода) під впливом фотонів, що опинилися у цій зоні внаслідок перетікання по провіднику, відбувається реакція окислення (споживання фотонів), т. е. утворюється зона зниженої концентрації носіїв електричного заряду. Носії електричного заряду (фотони) із зони високої концентрації (джерела) рухаються провідником у зону низької концентрації (стоку). Таким чином, сторонньою силою або електрорушійною силою (ЕРС), що забезпечує електричний струм у ланцюзі, є різниця концентрації (тиску) носіїв електричного заряду (фотонів), що утворюється в результаті роботи хімічного джерела струму.

Ця обставина ще раз наголошує на справедливості основного виведення енергодинаміки , згідно з яким силові поля (і в тому числі електричне поле) утворюються не масами, зарядами та струмами самими по собі, а їх нерівномірним розподілом у просторі.

З розглянутої сутності електричного струму очевидна абсурдність досвіду Р. Ч. Толмена і Т. Д. Стюарта по спостереженню інерційного струму в металах. Спосіб генерації фотонів за рахунок зміни швидкості механічного руху будь-якого макроскопічного тіла в природі в даний час не існує.

Цікавим аспектом вище викладеного уявлення електричного струму є його порівняння з уявленням поняття "світло", розглянутого в роботі: світло це потік фотонного газу… .Зазначене порівняння дозволяє зробити висновок: світло це електричний струм. Відмінність у цих поняттях полягає лише у спектральному складі фотонів, що утворюють світло чи електричний струм, наприклад, у металевих провідниках. Для більш переконливого розуміння цієї обставини розглянемо схему генерації електричного струму за допомогою сонячної батареї. Потік сонячного світла(Фотон видимого діапазону) від джерела (сонце) досягає сонячної батареї, яка перетворює падаючий потік світла в електричний струм (потік фотонів), який по металевому провіднику надходить споживачу (стік). В даному випадку сонячна батареявиконує роль перетворювача спектру потоку фотонів, випромінюваного сонцем спектр фотонів електричного струму в металевому провіднику.

Висновки. У сучасній фізиці немає доказів, що електричний струм це спрямоване рух електронів чи інших частинок. Навпаки, сучасні уявлення про електрон, електричний заряд і досліди Рікке вказують на помилковість даного поняття електричного струму.

Обґрунтування сукупності вимог до носія електричного заряду, з урахуванням його ефіродинамічної сутності, дозволили встановити, що електричний струм це потік фотонного газу, призначений для перенесення енергії.

Рух електричного струму здійснюється із зони високої концентрації фотонів (витік) до зони низької концентрації (стік).

Для виникнення та підтримки струму в будь-якому середовищі необхідно виконання трьох умов: підтримка (генерація) високої концентрації фотонів у зоні витоку, наявність провідника, що забезпечує перетікання фотонів та створення зони споживання фотонів в області стоку.

Електрон.

Лямін В.С. , Лямін Д. В. м. Львів

Насамперед, варто з'ясувати, що є електричним струмом. Електричний струм – це впорядкований рух заряджених частинок у провіднику. Щоб він виник, слід попередньо створити електричне поле, під дією якого вищезгадані заряджені частинки почнуть рухатися.

Перші відомості про електрику, що з'явилися багато століть тому, належали до електричних зарядів, отриманих за допомогою тертя. Вже в давнину люди знали, що бурштин, потертий об шерсть, набуває здатності притягувати легкі предмети. Але тільки наприкінці XVI століття англійський лікар Джильберт докладно досліджував це явище і з'ясував, що такі самі властивості мають і багато інших речовин. Тіла, здатні, подібно до бурштину, після натирання притягувати легкі предмети, він назвав наелектризованими. Це слово утворене від грецького електрон – «бурштин». Нині говоримо, що у тілах у такому стані є електричні заряди, а самі тіла називаються «зарядженими».

Електричні заряди завжди виникають при тісному контакті різних речовин. Якщо тіла тверді, їх тісному зіткненню перешкоджають мікроскопічні виступи і нерівності, що є з їхньої поверхні. Здавлюючи такі тіла і притираючи їх одне до одного, ми зближуємо їх поверхні, які без натиску торкалися б лише кількох точках. У деяких тілах електричні заряди можуть вільно переміщатися між різними частинами, а в інших це неможливо. У першому випадку тіла називають «провідники», а у другому – «діелектрики, або ізолятори». Провідниками є всі метали, водні розчини солей і кислот та ін. Прикладами ізоляторів можуть бути бурштин, кварц, ебоніт і всі гази, що знаходяться в нормальних умовах.

Проте слід зазначити, що поділ тіл на провідники та діелектрики дуже умовний. Усі речовини більшою чи меншою мірою проводять електрику. Електричні заряди бувають позитивними та негативними. Такого роду струм проіснує недовго, бо в наелектризованому тілі скінчиться заряд. Для тривалого існування електричного струму у провіднику необхідно підтримувати електричне поле. Для цього використовуються джерела електроструму. Найпростіший випадок виникнення електричного струму - коли один кінець дроту з'єднаний з наэлектризованным тілом, а інший - із землею.

Електричні ланцюги, що підводять струм до освітлювальних ламп і електромоторів, з'явилися лише після винаходу батарей, що датується приблизно 1800 роком. Після цього розвиток вчення про електрику пішов так швидко, що менш ніж за сторіччя воно стало не просто частиною фізики, а лягло в основу нової електричної цивілізації.

Основні величини електричного струму

Кількість електрики та сила струму. Дії електричного струму можуть бути сильними чи слабкими. Сила дії електричного струму залежить від величини заряду, що протікає ланцюгом за певну одиницю часу. Що більше електронів перемістилося від одного полюса джерела до іншого, то більше вписувалося загальний заряд, перенесений електронами. Такий загальний заряд називається кількість електрики, що проходить крізь провідник.

Від кількості електрики залежить, зокрема, хімічна дія електричного струму, тобто чим більший заряд пройшов через розчин електроліту, тим більше речовини осяде на катоді та аноді. У зв'язку з цим кількість електрики можна підрахувати, зваживши масу речовини, що відклалася на електроді, і знаючи масу і заряд одного іона цієї речовини.

Силою струму називається величина, що дорівнює відношенню електричного заряду, що пройшов через поперечний переріз провідника, до часу його протікання. Одиницею виміру заряду є кулон (Кл), час вимірюється в секундах (с). І тут одиниця сили струму виявляється у Кл/с. Таку одиницю називають ампером (А). Для того, щоб виміряти силу струму в ланцюгу, застосовують електровимірювальний прилад, званий амперметром. Для включення в коло амперметр забезпечений двома клемами. У його ланцюг включають послідовно.

Електрична напруга. Ми вже знаємо, що електричний струм є впорядкованим рухом заряджених частинок - електронів. Цей рух створюється за допомогою електричного поля, яке здійснює при цьому певну роботу. Це називається роботою електричного струму. Для того, щоб перемістити більший заряд електричним ланцюгом за 1 с, електричне поле повинно виконати велику роботу. Виходячи з цього, з'ясовується, що робота електричного струму має залежати від сили струму. Але існує ще одне значення, від якого залежить робота струму. Цю величину називають напругою.

Напруга - це відношення роботи струму на певній ділянці електричного ланцюга до заряду, що протікає по цій же ділянці ланцюга. Робота струму вимірюється у джоулях (Дж), заряд – у кулонах (Кл). У зв'язку з цим одиницею виміру напруги стане 1 Дж/Кл. Цю одиницю назвали вольтом (В).

Для того щоб в електричному ланцюзі виникла напруга, потрібне джерело струму. При розімкнутому ланцюгу напруга є тільки на клемах джерела струму. Якщо це джерело струму включити в ланцюг, напруга виникне і окремих ділянках ланцюга. У зв'язку з цим з'явиться струм у ланцюгу. Тобто коротко можна сказати таке: якщо в ланцюзі немає напруги, немає і струму. Для того щоб виміряти напругу застосовують електровимірювальний прилад, званий вольтметром. Своїм зовнішнім виглядомвін нагадує амперметр, що раніше згадувався, з тією лише різницею, що на шкалі вольтметра стоїть буква V (замість А на амперметрі). Вольтметр має дві клеми, за допомогою яких він паралельно вмикається в електричний ланцюг.

Електричний опір. Після підключення в електричний ланцюг усіляких провідників та амперметра можна помітити, що при використанні різних провідників амперметр видає різні показання, тобто в цьому випадку сила струму, що є в електричному ланцюзі, різна. Це можна пояснити тим, що різні провідники мають різний електричний опір, що є фізичну величину. На честь німецького фізика її назвали Омом. Як правило, у фізиці застосовуються більші одиниці: кілоом, мегаом та ін. Опір провідника зазвичай позначається буквою R, довжина провідника - L, площа поперечного перерізу - S.

R = р * L/S

де коефіцієнт р називається питомим опором. Цей коефіцієнт виражає опір провідника довжиною в 1 м при площі поперечного перерізу, що дорівнює 1 м2. Питомий опір виражається в Ом х м. Оскільки дроти, як правило, мають досить малий переріз, зазвичай їх площі виражають у квадратних міліметрах. І тут одиницею питомого опору стане Ом x мм2/м. У наведеній нижче табл. 1 показані питомі опори деяких матеріалів.

За даними табл. 1 стає зрозуміло, що найменший питомий електричний опір має мідь, найбільше - метал металів. Крім цього, великий питомий опір мають діелектрики (ізолятори).

Електрична ємність. Ми вже знаємо, що два ізольовані один від одного провідники можуть накопичувати електричні заряди. Це характеризується фізичної величиною, яку назвали електричної ємністю. Електрична ємність двох провідників - не що інше, як відношення заряду одного з них до різниці потенціалів між цим провідником та сусіднім. Чим менше буде напруга при отриманні заряду провідниками, тим більша їхня ємність. За одиницю електричної ємностіприймають Фарад (Ф). Насправді застосовуються частки цієї одиниці: микрофарад (мкФ) і пикофарад (пФ).

Якщо взяти два ізольованих один від одного провідника, розмістити їх на невеликій відстані один від одного, то вийде конденсатор. Місткість конденсатора залежить від товщини його пластин і товщини діелектрика та його проникності. Зменшуючи товщину діелектрика між пластинами конденсатора можна набагато збільшити ємність останнього. На всіх конденсаторах, окрім їхньої ємності, обов'язково вказується напруга, на яку розраховані ці пристрої.

Робота та потужність електричного струму. Зі сказаного вище відомо, що електричний струм здійснює певну роботу. При підключенні електродвигунів електрострум змушує працювати всіляке обладнання, рухає рейками поїзда, освітлює вулиці, обігріває житло, а також справляє хімічний вплив, тобто дозволяє виконувати електроліз і т. д. Можна сказати, що робота струму на певній ділянці ланцюга дорівнює добутку сили струму, напруги та часу, протягом якого здійснювалася робота. Робота вимірюється в джоулях, напруга – у вольтах, сила струму – амперах, час – у секундах. У зв'язку з цим 1 Дж = 1В х 1А х 1с. З цього виходить, щоб виміряти роботу електричного струму, слід задіяти відразу три прилади: амперметр, вольтметр і годинник. Але це громіздко та малоефективно. Тому, як правило, роботу електричного струму заміряють електричними лічильниками. У пристрої даного приладу є всі вищеназвані прилади.

Потужність електричного струму дорівнює відношенню роботи струму до часу, протягом якого вона відбувалася. Потужність позначається літерою «Р» і виявляється у ватах (Вт). На практиці використовують кіловати, мегавати, гектовати та ін. Для того щоб заміряти потужність ланцюга, потрібно взяти ватметр. Електротехніки роботу струму виражають у кіловат-годинах (кВтч).

Основні закони електричного струму

Закон Ома. Напруга та струм вважаються найбільш зручними характеристиками електричних кіл. Однією з головних особливостей застосування електрики є швидке транспортування енергії з одного місця до іншого та передача її споживачеві у потрібній формі. Добуток різниці потенціалів на силу струму дає потужність, тобто кількість енергії, що віддається в ланцюзі на одиницю часу. Як було сказано вище, щоб виміряти потужність в електричному ланцюзі, знадобилося б 3 прилади. А чи не можна обійтися одним і обчислити потужність за його показаннями та якоюсь характеристикою ланцюга, на кшталт його опору? Багатьом ця ідея сподобалася, вони вважали її плідною.

Отже, що ж таке опір дроту чи ланцюга загалом? Чи має дріт, подібно водопровідним трубамчи трубам вакуумної системи, постійною властивістю, яку можна було б назвати опором? Наприклад, у трубах відношення різниці тиску, що створює потік, поділений на витрату, зазвичай є постійною характеристикою труби. Так само тепловий потік у дроті підпорядковується простому співвідношенню, в яке входить різниця температур, площа поперечного перерізу дроту та його довжина. Відкриття такого співвідношення для електричних кіл стало результатом успішних пошуків.

У 1820-х роках німецький шкільний вчитель Георг Ом першим розпочав пошуки вищезгаданого співвідношення. Насамперед, він прагнув слави та популярності, які б дозволили йому викладати в університеті. Тільки тому він вибрав таку сферу досліджень, яка обіцяла особливі переваги.

Він був сином слюсаря, тому знав, як витягувати металевий дріт різної товщини, потрібний йому для дослідів. Оскільки на той час не можна було купити придатний дріт, Ом виготовляв його власноруч. Під час дослідів він пробував різні довжини, різні товщини, різні метали та навіть різні температури. Усі ці чинники він варіював по черзі. За часів Ома батареї були ще слабкі, давали струм непостійної величини. У зв'язку з цим дослідник як генератор застосував термопару, гарячий спай якої був поміщений в полум'я. Крім цього, він використовував грубий магнітний амперметр, а різниці потенціалів (Ом називав їх «напруженнями») заміряв шляхом зміни температури або числа термоспаїв.

Вчення про електричні ланцюги тільки-но отримало свій розвиток. Після того, як приблизно в 1800 році винайшли батареї, воно стало розвиватися набагато швидше. Проектувалися і виготовлялися (досить часто вручну) різні прилади, відкривалися нові закони, з'являлися поняття та терміни і т. д. Усе це призвело до глибшого розуміння електричних явищ та факторів.

Оновлення знань про електрику, з одного боку, стало причиною появи нової галузі фізики, з іншого боку, стало основою для бурхливого розвитку електротехніки, тобто були винайдені батареї, генератори, системи електропостачання для освітлення та електричного приводу, електропечі, електромотори та інше , інше.

Відкриття Ома мали велике значення як у розвитку вчення про електрику, так розвитку прикладної електротехніки. Вони дозволили легко пророкувати властивості електричних кіл для постійного струму, а згодом - для змінного. У 1826 році Ом опублікував книгу, в якій виклав теоретичні висновки та експериментальні результати. Але його надії не виправдалися, книгу зустріли глумом. Це сталося тому, що метод грубого експериментування здавався мало привабливим у епоху, коли багато хто захоплювався філософією.

Йому не залишалося нічого іншого, як залишити посаду викладача. Призначення в університет він не домігся з цієї причини. Протягом 6 років вчений жив у злиднях, без впевненості в майбутньому, відчуваючи гірке розчарування.

Але поступово його праці здобули популярність спочатку за межами Німеччини. Ома поважали за кордоном, користувалися його дослідженнями. У зв'язку із цим співвітчизники змушені були визнати його на батьківщині. 1849 року він отримав посаду професора Мюнхенського університету.

Ом відкрив простий закон, що встановлює зв'язок між силою струму та напругою для відрізка дроту (для частини ланцюга, для всього ланцюга). Крім цього, він склав правила, які дозволяють визначити, що зміниться, якщо взяти дріт іншого розміру. Закон Ома формулюється наступним чином: сила струму на ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі на цій ділянці і обернено пропорційна опору ділянки.

Закон Джоуля-Ленца. Електричний струм у будь-якій ділянці ланцюга виконує певну роботу. Наприклад візьмемо якусь ділянку ланцюга, між кінцями якого є напруга (U). За визначенням електричної напруги робота, що здійснюється при переміщенні одиниці заряду між двома точками, дорівнює U. Якщо сила струму на даній ділянці ланцюга дорівнює i, то за час t пройде заряд it, і тому робота електричного струму в цій ділянці буде:

А = Uit

Це вираз справедливо для постійного струму в будь-якому випадку, для будь-якої ділянки ланцюга, який може містити провідники, електромотори та ін. Потужність струму, тобто робота в одиницю часу, дорівнює:

Р = A/t = Ui

Цю формулу застосовують у системі СІ визначення одиниці напруги.

Припустимо, що ділянка ланцюга є нерухомим провідником. У цьому випадку вся робота перетвориться на тепло, яке виділиться у цьому провіднику. Якщо провідник однорідний і підпорядковується закону Ома (сюди відносяться всі метали та електроліти), то:

U = ir

де r – опір провідника. В такому випадку:

А = rt2i

Цей закон уперше досвідченим шляхом вивів Е. Ленц і, незалежно від нього, Джоуль.

Слід зазначити, що нагрівання провідників знаходить численне застосування у техніці. Найпоширеніше і найважливіше серед них – освітлювальні лампи розжарювання.

Закон електромагнітної індукції. У першій половині ХІХ століття англійський фізик М. Фарадей відкрив явище магнітної індукції. Цей факт, став надбанням багатьох дослідників, дав потужний поштовх розвитку електро-і радіотехніки.

У ході дослідів Фарадей з'ясував, що при зміні числа ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену замкнутим контуром, у ньому виникає електричний струм. Це і є основою, мабуть, найважливішого закону фізики – закону електромагнітної індукції. Струм, який виникає у контурі, назвали індукційним. У зв'язку з тим, що електрострум виникає в ланцюгу тільки у разі впливу на вільні заряди сторонніх сил, то при змінному магнітному потоці, що проходить по поверхні замкнутого контуру, в ньому з'являються ці сторонні сили. Дія сторонніх сил у фізиці називається електрорушійною силою або ЕРС індукції.

Електромагнітна індукція з'являється також у незамкнутих провідниках. У тому випадку, коли провідник перетинає магнітні силові лінії, на його кінцях виникає напруга. Причиною появи такої напруги стає ЕРС індукції. Якщо магнітний потік, що проходить крізь замкнутий контур, не змінюється, то індукційний струм не з'являється.

За допомогою поняття «ЕРС індукції» можна розповісти про закон електромагнітної індукції, тобто ЕРС індукції в замкнутому контурі дорівнює модулю швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром.

Правило Ленца. Як ми знаємо, у провіднику виникає індукційний струм. Залежно та умовами своєї появи він має різний напрямок. З цього приводу російський фізик Ленц сформулював таке правило: індукційний струм, що виникає в замкнутому контурі, завжди має такий напрям, що створюване ним магнітне поле не дає магнітному потоку змінюватися. Усе це викликає виникнення індукційного струму.

Індукційний струм, як і будь-який інший, має енергію. Отже, у разі індукційного струму з'являється електрична енергія. Згідно із законом збереження та перетворення енергії, вищеназвана енергія може виникнути тільки за рахунок кількості енергії будь-якого іншого виду енергії. Таким чином, правило Ленца повністю відповідає закону збереження та перетворення енергії.

Крім індукції, у котушці може з'являтися так звана самоіндукція. Її суть полягає у наступному. Якщо в котушці виникає струм або його сила змінюється, то з'являється магнітне поле, що змінюється. А якщо змінюється магнітний потік, що проходить через котушку, то в ній виникає електрорушійна сила, яка називається ЕРС самоіндукції.

Згідно з правилом Ленца, ЕРС самоіндукції при замиканні ланцюга створює перешкоди силі струму і не дає їй зростати. При вимиканні ланцюга ЕРС самоіндукції знижує силу струму. У тому випадку, коли сила струму в котушці досягає певного значення, магнітне поле перестає змінюватися і ЕРС самоіндукції набуває нульового значення.

Що називають силою струму? Таке питання не раз і не два виникало у нас у процесі обговорення різних питань. Тому ми вирішили розібратися з ним докладніше, і спробуємо зробити це максимально доступною мовою без величезної кількості формул та незрозумілих термінів.

Отже, що називається електричним струмом? Це спрямований потік заряджених частинок. Але що це за частинки, з чого це раптом вони рухаються і куди? Це не дуже зрозуміло. Тому давайте розберемося у цьому питанні докладніше.

• Почнемо з питання про заряджені частинки, які є носіями електричного струму.. У різних речовин вони різні. Наприклад, що є електричний струм у металах? Це електрони. У газах - електрони та іони; у напівпровідниках – дірки; а в електролітах - це катіони та аніони.

• Ці частки мають певний заряд.Він може бути позитивним чи негативним. Визначення позитивного та негативного заряду дано умовно. Частинки, що мають однаковий заряд, відштовхуються, а різноіменний притягуються.

• Виходячи з цього, виходить логічним, що рух відбуватиметься від позитивного полюса до негативного. І чим більша кількість заряджених частинок є на одному зарядженому полюсі, тим більша їх кількість переміщатиметься до полюса з іншим знаком.
• Але все це глибока теорія, тому візьмемо конкретний приклад.Допустимо, у нас є розетка, до якої не підключено жодного приладу. Чи є там струм?
• Для відповіді на це питання нам необхідно знати, що таке напруга та струм.Щоб це було зрозуміліше, розберемо це на прикладі труби з водою. Якщо говорити спрощено, то труба – це наш провід. Перетин цієї труби - це напруга електричної мережі, а швидкість потоку - це наш електричний струм.
• Повертаємось до нашої розетки.Якщо проводити аналогію з трубою, розетка без підключених до неї електроприладів, це труба, закрита вентилем. Тобто електричного струму там немає.

• Але там є напруга.І якщо в трубі, щоб з'явився потік, потрібно відкрити вентиль, то щоб створити електричний струм у провіднику, треба підключити навантаження. Зробити це можна шляхом увімкнення вилки в розетку.
• Звичайно, це вельми спрощене уявлення питання, і деякі професіонали мене хаятимуть і вказуватимуть на неточності. Але воно дає уявлення про те, що називають електричним струмом.

Постійний та змінний струм

Наступним питанням, у якому ми пропонуємо розібратися – це: що таке змінний струм та постійний струм. Адже багато хто не зовсім правильно розуміє ці поняття.

Постійним називається струм, який протягом часу не змінює своєї величини та напрямку. Досить часто до постійного відносять пульсуючий струм, але давайте про все по порядку.

• Постійний струм характеризується тим, що однакова кількість електричних набоїв постійно змінює один одного в одному напрямку.Напрямок - це від одного полюса, до іншого.
• Виходить, що провідник завжди має або позитивний або негативний заряд.І впродовж часу це незмінно.

Зверніть увагу! При визначенні напрямку постійного струму можуть бути незгоди. Якщо струм утворюється рухом позитивно заряджених частинок, його напрямок відповідає руху частинок. Якщо ж струм утворений рухом негативно заряджених частинок, його напрям прийнято вважати протилежним руху частинок.

• Але під поняття, що таке постійний струм, досить часто відносять і так званий пульсуючий струм.Від постійного він відрізняється тим, що його значення протягом часу змінюється, але при цьому він не змінює свого знака.
• Припустимо, ми маємо струм 5А.Для постійного струму ця величина буде незмінною протягом усього періоду часу. Для пульсуючого струму в один відрізок часу вона буде 5, в інший 4, а в третій 4,5. Але при цьому він у жодному разі не знижується нижче за нуль, і не змінює свого знака.

• Такий пульсуючий струм дуже поширений при перетворенні змінного струму на постійний.Саме такий пульсуючий струм видає ваш інвертор чи діодний міст в електроніці.
• Однією з головних переваг постійного струму є те, що його можна накопичувати.Зробити це можна своїми руками за допомогою акумуляторних батарей або конденсаторів.

Змінний струм

Щоб зрозуміти, що таке змінний струм, нам необхідно уявити синусоїду. Саме ця плоска крива найкраще характеризує зміну постійного струму і є стандартом.

Зверніть увагу! Наочно побачити, що таке змінний та постійний струм, можна на прикладі звичайної лампочки. Особливо добре це видно на неякісних діодних лампах, але, придивившись, можна побачити і на звичайній лампі розжарювання. При роботі на постійному струмі вони горять рівним світлом, а при роботі на змінному струмі ледь помітно мерехтять.

Що таке потужність та щільність струму?

Ну ось, ми з'ясували, що таке постійний струм, а що таке змінний. Але у вас, напевно, залишилося ще безліч питань. Їх ми і постараємося розглянути в цьому розділі нашої статті.

З цього відео Ви докладніше зможете дізнатися про те, що таке потужність.

• І першим із цих питань буде: що таке напруга електричного струму? Напругою називається різниця потенціалів між двома точками.

• Відразу постає питання, а що таке потенціал? Зараз мене знову хаятимуть професіонали, але скажемо так: це надлишок заряджених частинок. Тобто є одна точка, в якій надлишок заряджених частинок — і є друга точка, де цих заряджених частинок або більше, або менше. Ось ця різниця і називається напругою. Вимірюється вона у вольтах (В).

• Як приклад візьмемо звичайну розетку. Всі ви, напевно, знаєте, що її напруга становить 220В. У розетці у нас є два дроти, і напруга в 220В позначає, що потенціал одного дроту більше ніж потенціал другого дроту якраз на ці 220В.
• Розуміння поняття напруги необхідно для того, щоб зрозуміти, що таке потужність електричного струму. Хоча з професійної точки зору, цей вислів не зовсім вірний. Електричний струм не має потужності, але є її похідною.

• Щоб зрозуміти цей момент, знову повернемося до нашої аналогії з водяною трубою. Як ви пам'ятаєте перетин цієї труби – це напруга, а швидкість потоку в трубі – це струм. Так ось: потужність - це та кількість води, яка протікає через цю трубу.
• Логічно припустити, що при рівних перерізах, тобто напругах, чим сильніший потік, тобто електричний струм, тим більший потік води переміститься через трубу. Відповідно, тим більша потужність передасться споживачеві.
• Але якщо в аналогії з водою ми через трубу певного перерізу можемо передати певну кількість води, так як вода не стискається, то з електричним струмом все не так. Через будь-який провідник ми теоретично можемо передати будь-який струм. Але практично провідник невеликого перерізу при високій щільності струму просто перегорить.

• У зв'язку з цим нам необхідно розібратися з тим, що таке щільність струму. Грубо кажучи - це та кількість електронів, яка переміщається через певний перетин провідника за одиницю часу.
• Це число має бути оптимальним. Адже якщо ми візьмемо провідник великого перерізу, і передаватимемо через нього невеликий струм, то ціна такої електроустановки буде великою. У той же час, якщо ми візьмемо провідник невеликого перерізу, то через високу щільність струму він перегріватиметься і швидко перегорить.
• У зв'язку з цим у ПУЕ є відповідний розділ, який дозволяє вибрати провідники, виходячи з економічної щільності струму.

• Але чи повернемося до поняття, що таке потужність струму? Як ми зрозуміли за нашою аналогією, при однаковому перерізі труби потужність, що передається, залежить тільки від сили струму. Але якщо перетин нашої труби збільшити, тобто збільшити напругу, у цьому випадку, при однакових значеннях швидкості потоку, будуть передаватися різні обсяги води. Те саме і в електриці.

• Чим вище напруга, тим менший струм необхідний передачі однакової потужності. Саме тому для передачі на великі відстані великих потужностей використовують високовольтні лінії електропередач.

Адже лінія перетином дроту 120 мм 2 на напругу 330кВ, здатна передати в рази більшу потужність у порівнянні з лінією такого ж перерізу, але напругою 35кВ. Хоча те, що називається силою струму, у них буде однаковою.

Способи передачі електричного струму

Що таке струм та напруга ми розібралися. Настав час розібратися зі способами розподілу електричного струму. Це дозволить надалі впевненіше почуватися у спілкуванні з електроприладами.

Як ми вже говорили, струм може бути змінним та постійним. У промисловості, і у вас у розетках використовується змінний струм. Він найпоширеніший, оскільки його легше передавати проводами. Справа в тому, що змінювати напругу постійного струму досить складно і дорого, а змінювати напругу змінного струму можна за допомогою звичайних трансформаторів.

Зверніть увагу! Жоден трансформатор змінного струму не працюватиме на постійному струмі. Оскільки властивості, які він використовує, притаманні лише змінному струму.

• Але це зовсім не означає, що постійний струм ніде не використовується. Він володіє іншим корисною властивістю, яке властиве змінному. Його можна накопичувати та зберігати.
• У зв'язку з цим постійний струм використовують у всіх портативних електроприладах, у залізничному транспорті, а також на деяких промислових об'єктах, де необхідно зберегти працездатність навіть після повного припинення електропостачання.

• Найпоширенішим способом зберігання електричної енергіїє акумуляторні батареї. Вони мають спеціальні хімічними властивостями, що дозволяють накопичувати, а потім при необхідності віддавати постійний струм.
• Кожен акумулятор має строго обмежений обсяг накопиченої енергії. Її називають ємністю батареї, і частково вона визначається пусковим струмом акумулятора.
• Що таке пусковий струм акумулятора? Це кількість енергії, яку акумулятор здатний віддати в самий початковий момент підключення навантаження. Справа в тому, що в залежності від фізико-хімічних властивостей акумулятори відрізняються за способом віддачі накопиченої енергії.

• Одні можуть віддати відразу багато. Через це вони, ясна річ, швидко розрядяться. А другі віддають довго, але потроху. Крім того, важливим аспектом акумулятора є можливість підтримання напруги.
• Справа в тому, що, як каже інструкція, в одних акумуляторів у міру віддачі ємності, плавно знижується і їхня напруга. Інші акумулятори здатні віддати практично всю ємність з однаковою напругою. Виходячи з цих основних властивостей і вибирають ці сховища для електроенергії.
• Для передачі постійного струму, у всіх випадках використовується два дроти. Це позитивна та негативна жила. Червоний та синій кольори.

Змінний струм

А ось зі змінним струмом все набагато складніше. Він може передаватися по одному, двом, трьом або чотирма проводами. Щоб пояснити це, нам потрібно розібратися з питанням: що таке трифазний струм?

• Змінний струм у нас виробляється генератором. Зазвичай майже всі їх мають трифазну структуру. Це означає, що генератор має три висновки і кожен з цих висновків видається електричний струм, який відрізняється від попередніх на кут в 120⁰.

• Щоб це зрозуміти, давайте згадаємо нашу синусоїду, яка є взірцем для опису змінного струму, і згідно із законами якої він змінюється. Візьмемо три фази - "А", "В" і "С", і візьмемо певну точку в часі. У цій точці синусоїда фази "А" знаходиться в нульовій точці, синусоїда фази "В" знаходиться в крайній позитивній точці, а синусоїда фази "С" - у крайній негативній точці.
• Кожну наступну одиницю часу змінний струм цих фазах буде змінюватися, але синхронно. Тобто через певний час у фазі «А» буде негативний максимум. У фазі "В" буде нуль, а у фазі "С" - позитивний максимум. А ще через деякий час вони знову зміняться.

• У результаті виходить, кожна з цих фаз має власний потенціал, відмінний від потенціалу сусідньої фази. Тому між ними обов'язково має бути щось, що не проводить електричного струму.
• Така різниця потенціалів між двома фазами називається лінійною напругою. Крім того, вони мають різницю потенціалів щодо землі – ця напруга називається фазною.
• І ось, якщо лінійна напруга між цими фазами становить 380В, то фазна напруга дорівнює 220В. Воно відрізняється на значення √3. Це правило діє завжди і для будь-яких напруг.

• Виходячи з цього, якщо нам потрібна напруга в 220В, то можна взяти один фазний провід, і провід, жорстко підключений до землі. І в нас вийде однофазна мережа 220В. Якщо нам необхідна мережа 380В, то ми можемо взяти лише 2 будь-які фази, та підключити якийсь нагрівальний прилад як на відео.

Але в більшості випадків використовуються всі три фази. Усі потужні споживачі підключаються саме до трифазної мережі.

Висновок

Що таке індукційний струм, ємнісний струм, пусковий струм, струм холостого ходу, струми зворотної послідовності, блукаючі струми та багато іншого, ми просто не можемо розглянути в рамках однієї статті.

Адже питання електричного струму є досить об'ємним, і для його розгляду створена ціла наука електротехніка. Але ми дуже сподіваємося, що змогли пояснити доступною мовою основні аспекти цього питання, і тепер електричний струм не буде для вас чимось страшним і незрозумілим.