Напрям струму в провіднику, як, звідки і куди тече електричний струм. Що таке електричний струм? Що таке електричний струм

Це упорядкований рух певних заряджених частинок. Для того, щоб грамотно використовувати весь потенціал електрики, необхідно чітко розуміти всі принципи пристрою та роботи електричного струму. Отже, давайте розберемося, що таке робота і потужність струму.

Звідки взагалі береться електричний струм?

Незважаючи на простоту питання, не всі здатні дати на нього зрозумілу відповідь. Звичайно, в наші дні, коли технології розвиваються з неймовірною швидкістю, людина особливо не замислюється про такі елементарні речі, як принцип дії електричного струму. Звідки береться електрика? Напевно багато хто дасть відповідь "Ну, з розетки, ясна річ" або ж просто знизають плечима. А тим часом дуже важливо розуміти, як відбувається робота струму. Це слід знати не тільки вченим, а й людям, які ніяк не пов'язані зі світом наук, для їхнього ж загального різнобічного розвитку. А ось вміти грамотно використати принцип роботи струму під силу не кожному.

Отже, для початку слід зрозуміти, що електрика не виникає нізвідки: її виробляють спеціальні генератори, що знаходяться на різних електростанціях. Завдяки роботі обертання лопат турбін парою, отриманою в результаті нагрівання води вугіллям або нафтою, виникає енергія, яка згодом за допомогою генератора перетворюється на електрику. Генератор влаштований дуже просто: у центрі пристрою знаходиться величезний і дуже сильний магніт, який змушує електричні заряди рухатися мідними проводами.

Як електричний струм доходить до наших будинків?

Після того, як за допомогою енергії (теплової або ядерної) було отримано певну кількість електричного струму, його можна подавати людям. Працює така подача електрики таким чином: щоб електрика успішно дійшла до всіх квартир та підприємств, її потрібно "підштовхнути". А для цього буде потрібно збільшити силу, яка і це робитиме. Вона називається напругою електричного струму. Принцип дії має такий вигляд: струм проходить через трансформатор, який збільшує його напругу. Далі електричний струм йде кабелями, встановленим глибоко під землею або на висоті (бо напруга часом досягає 10000 Вольт, що є смертельно небезпечним для людини). Коли струм дістається місця свого призначення, він знову повинен пройти через трансформатор, який тепер уже зменшить його напругу. Потім він проходить проводами до встановлених щитів у багатоквартирних будинках або інших будівлях.

Проведену через дроти електрику можна використовувати завдяки системі розеток, підключаючи до них побутові прилади. У стінах проводяться додаткові дроти, через які тече електричний струм, і завдяки саме йому працює освітлення і вся техніка в будинку.

Що таке робота струму?

Енергія, яку несе в собі електричний струм, з часом перетворюється на світлову або теплову. Наприклад, коли ми вмикаємо лампу, електричний вид енергії перетворюється на світлову.

Якщо говорити доступною мовою, то робота струму - це та дія, яка справила саму електрику. При цьому її можна легко підрахувати за формулою. Виходячи із закону про збереження енергії, можемо зробити висновок, що електрична енергія не зникла, вона повністю або частково перейшла в інший вид, віддавши при цьому певну кількість теплоти. Ця теплота є робота струму, коли він проходить по провіднику і нагріває його (відбувається теплообмін). Так виглядає формула Джоуля-Ленца: A = Q = U * I * t (робота дорівнює кількості теплоти або добутку потужності струму на час, за який він протікав по провіднику).

Що означає постійний струм?

Електричний струм буває двох видів: змінний та постійний. Вони різняться тим, що останній не змінює свого напрямку, він має два затискачі (позитивний "+" і негативний "-") і починає свій рух завжди з "+". А змінний струм має дві клеми – фазу та нуль. Саме через наявність однієї фази на кінці провідника його називають також однофазним.

Принципи пристрою однофазного змінного і постійного електричного струму абсолютно різні: на відміну від постійного, змінний змінює свій напрямок (утворюючи потік як з фази в напрямку до нуля, так з нуля у напрямку до фази), і свою величину. Приміром, змінний струм періодично змінює значення свого заряду. Виходить, що при частоті 50 Гц (50 коливань за секунду) електрони змінюють напрямок свого руху рівно 100 разів.

Де використовується постійний струм?

Постійний електричний струм має деякі особливості. Зважаючи на те, що він тече строго по одному напрямку, його складніше трансформувати. Джерелами постійного струму можна вважати такі елементи:

• акумулятори (як лужні, і кислотні);
• звичайні батареї, що використовуються у дрібних приладах;
• також різні пристрої типу перетворювачів.

Робота постійного струму

Які його основні показники? Це і потужність струму, причому обидва ці поняття дуже тісно пов'язані друг з одним. Потужність передбачає швидкість роботи в одиницю часу (за 1 с). За законом Джоуля-Ленца отримуємо, що робота постійного електричного струму дорівнює добутку сили самого струму, напруги та часу, протягом якого було виконано роботу електричного поля з перенесення зарядів вздовж провідника.

Так виглядає формула знаходження роботи струму з урахуванням закону Ома про опір у провідниках: A = I 2 *R*t (робота дорівнює квадрату сили струму помноженому значення опору провідника і ще раз помноженому значення часу, протягом якого здійснювалася робота).

Багато хто мав чути, що електричний струм буває різний (постійний, змінний). Ті, хто особливо не знайомий з темою електрики та електроніки, іноді можуть плутатися в типах струму, коли подають електричну енергію на те чи інше електрообладнання. Для одних пристроїв потрібна саме постійна напруга (струм), інші ж живляться тільки від змінного. Оскільки ці види струму принципово різні, то помилка при подачі живлення може призвести до не роботи (у кращому випадку), а в гіршому варіанті просто вивести електроустаткування з ладу.

Отже, нагадаю, що електричний струм є впорядкованим рухом електрично заряджених частинок (електронів) вздовж провідника. Тобто, це просте, односпрямоване переміщення дуже маленьких частинок (з величезною швидкістю) усередині електричних провідників (у більшості випадків металів - мідь, алюміній, срібло, золото та різних сплавів, що добре проводять струм).

Сам рух виникає внаслідок появи певної різниці електричних потенціалів, зване напругою. У електричного джерела є два полюси, позитивний (де зосереджується позитивний заряд певної величини) і негативний (де зосереджується негативний заряд). Якщо немає замкненого ланцюга між полюсами, то є лише напруга (прагнення зарядів перейти на протилежний полюс). Як тільки ланцюг замикається, з'являється шлях проходження зарядів як електричного провідника, то заряди стрімко починають свій рух, як і створюють їх СТРУМ в провіднику.

Основних видів електричного струму існує два - постійний та змінний (імпульсний, це частковий випадок змінного). Постійний струм - це не що інше як просте односпрямоване переміщення електричних зарядів в один бік. Від одного полюса до іншого без зміни напряму часу. Насправді у твердих речовинах (провідниках) електричний струм тече від мінусу до плюсу (відбувається переміщення негативних зарядів, електронів). У рідких та газоподібних середовищах постійний струм біжить, навпаки, від плюса до мінуса (рух іонів, позитивно заряджених частинок). У теоретичній області було прийнято вважати, що незмінний електричний струм завжди тече від плюсу до мінуса (при роботі з важливими електричними схемами).

Постійний струм має постійну величину своєї напруги (зазвичай найбільш використовуються величини 3, 5, 6, 9, 12, 24 вольт). При роботі його величина може змінюватися всього на кілька відсотків, внаслідок падіння напруги при динамічній роботі самого навантаження (наприклад, постійний електродвигун, який може мати плаваюче механічне навантаження на своєму валі, та й т.д.). Для постійної напруги (точніше електричних схем, що працюють на постійному типі струму) важливо залишатися незмінним. Якщо схема розрахована на постійну напругу 12 вольт, то і подаватися на неї має строго 12 вольт з невеликим відхиленням у кілька відсотків. Для забезпечення цього використовуються різні рішення починаючи від правильно підібраних електричних деталей, компонентів і закінчуючи всілякими електричними, електронними схемами різних стабілізаторів, фільтрів і т.д.

Постійний струм має як свої переваги, і свої недоліки. Інакше використовувався тільки цей тип електричного струму! Практично всі електронні схеми потребують живлення саме постійним струмом. Сам принцип дії та робота електронних елементів ґрунтується на цьому виді струму. Також електричні акумулятори можуть працювати тільки з постійним струмом, та й т.д. Основним недоліком цього виду електроструму є погана передача електроенергії на значні відстані (виникають великі втрати). Крім цього для його перетворення потрібні складніші електричні пристрої.

Змінний електричний струм є упорядкованим, плавно змінюється (синусоїдальний) рух електричних зарядів вздовж провідника, який періодично змінює свої полюси. Найбільш поширеною частотою змінного струму є 50 герц. Тобто, за одну секунду напрям струму в електричному ланцюзі змінюється з плюсу на мінус і навпаки аж 50 разів. Хоча це вважається ще й низькою частотою. Змінний струм може бути однофазним (використовуються 2 проводи і напруга між ними 220 вольт) або трифазним (використовуються 3 фазних проводи, напруга між двома будь-якими з них 380 вольт і один нульовий).

Змінний вид струму легко перетворюється і передається на великі відстані з мінімальними втратами на лінії електропередач. Найбільш використовуються величини змінної напруги, від яких живляться конкретні електроприлади, це 220 вольт (напруга для побутового використання населенням) та 380 вольт (для промислового використання, де важливі саме 3 фази). Для того щоб отримати з однієї величини струму або напруги іншу величину зазвичай застосовують всього один пристрій, який називається силовим трансформатором. На його вхід подають одні значення напруги або струму, а на виході набувають інші, вищі або нижчі.

P.S. Приватним випадком змінного електричного струму можна вважати імпульсний струм, який може мати різну форму, відмінну від звичайної синусоїдальної. Даний вид електричного струму зазвичай використовують у різній цифровій техніці, в галузі електроніки.

Без електрики неможливо уявити життя сучасної людини. Вольти, Ампери, Ватти – ці слова звучать у розмові про пристрої, які працюють від електрики. Але що це таке електричний струм та які умови його існування? Про це ми розповімо далі, надавши коротке пояснення для електриків-початківців.

Визначення

Електричним струмом є спрямований рух носіїв зарядів – це стандартне формулювання підручника фізики. У свою чергу, носіями заряду називаються певні частинки речовини. Ними можуть бути:

• Електрони – негативні носії заряду.
• Іони – позитивні носії заряду.

Але звідки беруться носії заряду? Для відповіді це питання слід згадати базові знання про будову речовини. Все що нас оточує – речовина, вона складається з молекул, найдрібніших частинок. Молекули складаються з атомів. Атом складається з ядра, довкола якого рухаються електрони на заданих орбітах. Молекули також хаотично рухаються. Рух і структура кожної з цих частинок залежать від самої речовини та впливу на неї навколишнього середовища, наприклад, температури, напруги та іншого.

Іоном називають атом, у якого змінилося співвідношення електронів та протонів. Якщо спочатку атом нейтральний, то іони у свою чергу ділять на:

• Аніони - позитивний іон атома, що втратив електрони.
• Катіони – це атом із «зайвими» електронами, що приєдналися до атома.

Одиниця вимірювання струму – Ампер, згідно з яким він обчислюється за формулою:

де U – напруга, [У], а R – опір, [Ом].

Або прямопропорційний кількості заряду, перенесеному за одиницю часу:

де Q - заряд, [Кл], t - час, [с].

Умови існування електричного струму

Що таке електричний струм ми розібралися, тепер поговоримо про те, як забезпечити його протікання. Для протікання електричного струму необхідно виконання двох умов:

1. Наявність вільних носіїв заряду.
2. Електричне поле.

Перша умова існування та протікання електрики залежить від речовини, в якій протікає (або не протікає) струм, а також його стан. Друга умова також здійсненна: для існування електричного поля обов'язково наявність різних потенціалів, між якими знаходиться середовище, в якому протікатимуть носії заряду.

Нагадаємо:Напруга, ЕРС – це різниця потенціалів. Звідси випливає, що для виконання умов існування струму – наявності електричного поля та електричного струму, потрібна напруга. Це можуть бути обкладки зарядженого конденсатора, гальванічний елемент, ЕРС, що виникло під дією магнітного поля (генератор).

Як він виникає, ми розібралися, поговоримо про те, куди він спрямований. Струм, в основному, у звичному для нас використанні, рухається у провідниках (електропроводка в квартирі, лампочки розжарювання) або напівпровідниках (світлодіоди, процесор вашого смартфона та інша електроніка), рідше в газах (люмінесцентні лампи).

Так ось основними носіями заряду в більшості випадків є електрони, вони рухаються від мінуса (крапки з негативним потенціалом) до плюсу (крапці з позитивним потенціалом, докладніше про це ви дізнаєтеся нижче).

Але цікавим є той факт, що за напрям руху струму було прийнято рух позитивних зарядів – від плюса до мінуса. Хоча фактично все відбувається навпаки. Справа в тому, що рішення про напрям струму було прийнято до вивчення його природи, а також до того, як було визначено за рахунок чого протікає та існує струм.

Електричний струм у різних середовищах

Ми вже згадували у тому, що у різних середовищах електричний струм може відрізнятися на кшталт носіїв заряду. Середовища можна розділити за характером провідності (за зменшенням провідності):

1. Провідник (метали).
2. Напівпровідник (кремній, германій, арсенід галію та ін).
3. Діелектрик (вакуум, повітря, дистильована вода).

У металах

У металах є вільні носії зарядів, їх іноді називають "електричним газом". Звідки беруться вільні носії зарядів? Справа в тому, що метал, як і будь-яка речовина, складається з атомів. Атоми так чи інакше рухаються або вагаються. Чим вище температура металу, тим сильніший цей рух. При цьому самі атоми загалом залишаються на своїх місцях, власне і формуючи структуру металу.

В електронних оболонках атома зазвичай є кілька електронів, у яких зв'язок із ядром досить слабкий. Під впливом температур, хімічних реакцій та взаємодії домішок, які у будь-якому випадку перебувають у металі, електрони відриваються від своїх атомів, утворюються позитивно заряджені іони. Електрони, що відірвалися, називаються вільними і рухаються хаотично.

Якщо на них впливатиме електричне поле, наприклад, якщо підключити до шматка металу батарейку, хаотичний рух електронів стане впорядкованим. Електрони від точки, до якої підключено негативний потенціал (катод гальванічного елемента, наприклад), почнуть рухатися до точки з позитивним потенціалом.

У напівпровідниках

Напівпровідниками є такі матеріали, у яких нормальному стані немає вільних носіїв заряду. Вони перебувають у так званій забороненій зоні. Але якщо докласти зовнішніх сил, таких як електричне поле, тепло, різні випромінювання (світлове, радіаційне тощо), вони долають заборонену зону і переходять у вільну зону або зону провідності. Електрони відриваються від атомів і стають вільними, утворюючи іони – позитивні носії зарядів.

Позитивні носії у напівпровідниках називаються дірками.

Якщо просто передати енергію напівпровіднику, наприклад, нагріти, почнеться хаотичний рух носіїв заряду. Але якщо йдеться про напівпровідникові елементи, типу діода або транзистора, то на протилежних кінцях кристала (ними нанесений металізований шар і припаяні висновки) виникне ЕРС, але це не стосується теми сьогоднішньої статті.

Якщо прикласти джерело ЕРС до напівпровідника, то носії заряду також перейдуть у зону провідності, а також почнеться їх спрямований рух – дірки підуть у бік із меншим електричним потенціалом, а електрони – у бік із більшим.

У вакуумі та газі

Вакуумом називають середовище з повною (ідеальний випадок) відсутністю газів або мінімізованою (насправді) його кількістю. Так як у вакуумі немає ніякої речовини, то й носіям заряду братися нема звідки. Однак протікання струму у вакуумі започаткувало електроніку і цілу епоху електронних елементів – електровакуумних ламп. Їх використовували в першій половині минулого століття, а в 50-х роках вони почали поступово поступатися місцем транзисторам (залежно від конкретної галузі електроніки).

Припустимо, що ми маємо посудину, з якої відкачали весь газ, тобто. у ньому повний вакуум. У посудину поміщено два електроди, назвемо їх анод та катод. Якщо ми підключимо до катода негативний потенціал джерела ЕРС, а до анода позитивний – нічого не станеться і не протікатиме струм. Але якщо ми почнемо нагрівати катод, то струм почне протікати. Цей процес називається термоелектронною емісією – випромінювання електронів із нагрітої поверхні електрона.

На малюнку зображено процес протікання струму у вакуумній лампі. У вакуумних лампах катод нагрівають розташованої поряд ниткою розжарення на рис (Н), типу такий, як у освітлювальній лампі.

При цьому, якщо змінити полярність харчування – на анод подати мінус, а на катод подати плюс – не протікатиме струм. Це доведе, що струм у вакуумі протікає з допомогою руху електронів від КАТОДА до АНОДУ.

Газ також як і будь-яка речовина складається з молекул і атомів, це означає, що якщо газ перебуватиме під впливом електричного поля, то за певної його сили (напруга іонізації) електрони відірвуться від атома, тоді будуть виконані обидві умови протікання електричного струму – поле та вільні носії.

Як було зазначено, цей процес називається іонізацією. Вона може походити не тільки від прикладеної напруги, але і при нагріванні газу, рентгенівському випромінюванні, під впливом ультрафіолету та іншого.

Струм через повітря потече, навіть якщо між електродами встановити пальник.

Протікання струму в інертних газах супроводжується люмінесценцією газу, це активно використовується в люмінесцентних лампах. Перебіг електричного струму в газовому середовищі називається газовим розрядом.

У рідині

Припустимо, що у нас є посудина з водою, в яку вміщено два електроди, до яких підключено джерело живлення. Якщо вода дистильована, тобто чиста і не містить домішок, вона є діелектриком. Але якщо ми додамо у воду трохи солі, сірчаної кислоти чи будь-якої іншої речовини, утвориться електроліт і через нього почне протікати струм.

Електроліт – речовина, що проводить електричний струм унаслідок дисоціації на іони.

Якщо у воду додати мідний купорос, то одному з електродів (катоді) осяде шар міді – це називається електроліз, що доводить що електричний струм рідини здійснюється з допомогою руху іонів – позитивних і негативних носіїв заряду.

Електроліз - фізико-хімічний процес, який полягає у виділенні на електродах компонентів складових електроліт.

Таким чином відбувається зміднення, золочення та покриття іншими металами.

Висновок

Підіб'ємо підсумки, для протікання електричного струму потрібні вільні носії зарядів:

• електрони у провідниках (метали) та вакуумі;
• електрони та дірки у напівпровідниках;
• іони (аніони та катіони) у рідині та газах.

Для того, щоб рух цих носіїв став упорядкованим, потрібне електричне поле. Простими словами - прикласти напругу на кінцях тіла або встановити два електроди в середовищі, де передбачається протікання електричного струму.

Також варто відзначити, що струм належним чином впливає на речовину, розрізняють три типи впливу:

• теплове;
• хімічна;
• фізичне.

Корисне

Теми кодифікатора ЄДІКабіна: постійний електричний струм, сила струму, напруга.

Електричний струм забезпечує комфортом життя сучасної людини. Технологічні досягнення цивілізації – енергетика, транспорт, радіо, телебачення, комп'ютери, мобільний зв'язок – засновані на використанні електричного струму.

Електричний струм - це спрямоване рух заряджених частинок, у якому відбувається перенесення заряду з одних областей простору до інших.

Електричний струм може виникати в різних середовищах: твердих тілах, рідинах, газах. Часом і середовища не потрібно - струм може існувати навіть у вакуумі! Ми поговоримо про це свого часу, а поки що наведемо лише деякі приклади.

Замкнемо полюс батареї металевим проводом. Вільні електрони дроту почнуть спрямований рух від мінусу батарейки до плюсу.
Це приклад струму в металах.

Кинемо в склянку води щіпку кухонної солі. Молекули солі дисоціюють на іони, отже, у розчині з'являться вільні заряди: позитивні іони і негативні іони . Тепер засунемо у воду два електроди, з'єднані з полюсами батарейки. Іони почнуть спрямований рух до негативного електрода, а іони - до позитивного.
Це приклад проходження струму через розчин електроліту.

Грозові хмари створюють настільки потужні електричні поля, що виявляється можливим пробою повітряного проміжку завдовжки кілька кілометрів. Через війну крізь повітря проходить гігантський розряд - блискавка.
Це приклад електричного струму в газі.

У всіх трьох розглянутих прикладах електричний струм обумовлений рухом заряджених частинок усередині тіла і називається струмом провідності.

Ось дещо інший приклад. Переміщатимемо в просторі заряджене тіло. Така ситуація узгоджується з визначенням струму! Спрямований рух зарядів – є, перенесення заряду у просторі – присутній. Струм, створений рухом макроскопічного зарядженого тіла, називається конвекційним.

Зауважимо, що не всяке рух заряджених частинок утворює струм. Наприклад, хаотичний тепловий рух зарядів провідника - не спрямований (воно відбувається в будь-яких напрямках), і тому струмом не є (при виникненні струму вільні заряди продовжують здійснювати тепловий рух! Просто в цьому випадку до хаотичних переміщень заряджених частинок додається їх упорядкований дрейф у певному
напрямі).
Не буде струмом і поступальний рух електрично нейтрального тіла: хоча заряджені частинки в його атомах і здійснюють спрямований рух, не відбувається перенесення заряду з одних ділянок простору до інших.

Напрямок електричного струму

Напрямок руху заряджених частинок, що утворюють струм, залежить від знака їхнього заряду. Позитивно заряджені частинки рухатимуться від «плюсу» до «мінуса», а негативно заряджені – навпаки, від «мінуса» до «плюсу». У електролітах і газах, наприклад, присутні як позитивні, і негативні вільні заряди, і струм створюється їх зустрічним рухом обох напрямах. Який із цих напрямків прийняти за напрям електричного струму?

Просто кажучи, за згодою струм тече від «плюсу» до «мінуса»(рис. 1; позитивна клема джерела струму зображена довгою рисою, негативна клема - короткою).

Ця угода входить у деяке протиріччя з найпоширенішим випадком металевих провідників. У металі носіями заряду є вільні електрони, і вони рухаються від «мінуса» до «плюсу». Але відповідно до угоди ми змушені вважати, що напрям струму в металевому провіднику протилежний руху вільних електронів. Це, звісно, ​​не дуже зручно.

Тут, однак, нічого не вдієш - доведеться прийняти цю ситуацію як даність. Так історично склалося. Вибір напрямку струму був запропонований Ампером (домовленість про напрям струму знадобилася Амперу для того, щоб дати чітке правило визначення напрямку сили, що діє на провідник зі струмом в магнітному полі. Сьогодні цю силу ми називаємо силою Ампера, напрямок якої визначається за правилом лівої руки) У першій половині ХІХ століття, за 70 років до відкриття електрона. До цього вибору всі звикли, і коли 1916 року з'ясувалося, що струм у металах викликаний рухом вільних електронів, нічого міняти вже не стали.

Дії електричного струму

Як ми можемо визначити, чи протікає електричний струм чи ні? Про виникнення електричного струму можна судити з наступних його проявів.

1. Теплова дія струму. Електричний струм викликає нагрівання речовини, де він протікає. Саме так нагріваються спіралі нагрівальних приладів та ламп розжарювання. Саме тому ми бачимо блискавку. В основі дії теплових амперметрів лежить теплове розширення провідника зі струмом, що веде до переміщення стрілки приладу.

2. Магнітна дія струму. Електричний струм створює магнітне поле: стрілка компаса, розташована поруч із проводом, при включенні струму повертається перпендикулярно до проводу. Магнітне поле струму можна багаторазово посилити, якщо обмотати провід навколо залізного стрижня – вийде електромагніт. На цьому принципі заснована дія амперметрів магнітоелектричної системи: електромагніт повертається у поле постійного магніту, внаслідок чого стрілка приладу переміщається за шкалою.

3. Хімічна дія струму. При проходженні струму через електроліти можна спостерігати зміну хімічного складу речовини. Так, у розчині позитивні іони рухаються до негативного електрода, і цей електрод покривається міддю.

Електричний струм називається постійнимякщо за рівні проміжки часу через поперечний переріз провідника проходить однаковий заряд.

Постійний струм найпростіший для вивчення. З нього ми і починаємо.

Сила та щільність струму

Кількісною характеристикою електричного струму є сила струму. У разі постійного струму абсолютна величина сили струму є відношення абсолютної величини заряду, що пройшов через поперечний переріз провідника за час, до цього часу:

(1)

Вимірюється сила струму в амперах(A). При силі струму А через поперечний переріз провідника за проходить заряд в Кл.

Підкреслимо, що формула (1) визначає абсолютну величину або модуль сили струму.
Сила струму може мати і знак! Цей знак не пов'язаний зі знаком зарядів, що утворюють струм, і вибирається з інших міркувань. А саме, в ряді ситуацій (наприклад, якщо заздалегідь не ясно, куди потече струм) зручно зафіксувати деякий напрямок обходу ланцюга (скажімо, проти годинникової стрілки) і вважати силу позитивною струму, якщо напрям струму збігається з напрямом обходу, і негативною, якщо струм тече проти напрямку обходу (порівняйте з тригонометричним колом: кути вважаються позитивними, якщо відраховуються проти годинникової стрілки, і негативними, якщо за годинниковою стрілкою).

У разі постійного струму сила струму є постійною величиною. Вона показує, який заряд проходить через поперечний переріз провідника за с.

Часто зручно не зв'язуватися з площею поперечного перерізу і ввести величину щільності струму:

(2)

де - сила струму, - площа поперечного перерізу провідника (зрозуміло, це перетин перпендикулярно до напрямку струму). З урахуванням формули (1) маємо також:

Щільність струму показує, який заряд відбувається за одиницю часу через одиницю площі поперечного перерізу провідника. Згідно з формулою (2) щільність струму вимірюється в А/м2.

Швидкість спрямованого руху зарядів

Коли ми вмикаємо в кімнаті світло, нам здається, що лампочка загоряється миттєво. Швидкість поширення струму проводами дуже велика: вона близька до км/с (швидкості світла у вакуумі). Якби лампочка знаходилася на Місяці, вона спалахнула б за секунду з невеликим.

Однак не слід думати, що з такою грандіозною швидкістю рухаються вільні заряди, що утворюють струм. Виявляється, їх швидкість складає лише частки міліметра в секунду.

Чому ж струм поширюється проводами так швидко? Справа в тому, що вільні заряди взаємодіють один з одним і, перебуваючи під дією електричного поля джерела струму, при замиканні ланцюга починають рух майже одночасно вздовж усього провідника. Швидкість поширення струму є швидкість передачі електричної взаємодії між вільними зарядами, і близька до швидкості світла у вакуумі. Швидкість, з якою самі заряди переміщуються всередині провідника, може бути набагато порядків менше.

Отже, ще раз підкреслимо, що ми розрізняємо дві швидкості.

1. Швидкість розповсюдження струму. Це швидкість передачі електричного сигналу по ланцюгу. Близько км/с.

2. Швидкість спрямованого руху вільних зарядів. Це – середня швидкість переміщення зарядів, що утворюють струм. Називається ще швидкістю дрейфу.

Ми зараз виведемо формулу, яка виражає силу струму через швидкість спрямованого руху зарядів провідника.

Нехай провідник має площу поперечного перерізу (рис. 2). Вільні заряди провідника вважатимемо позитивними; величину вільного заряду позначимо (у найбільш важливому випадку випадку металевого провідника це є заряд електрона). Концентрація вільних зарядів (тобто їх число в одиниці об'єму) дорівнює .

Мал. 2. До висновку формули

Який заряд пройде через поперечний переріз нашого провідника за час?

З одного боку, зрозуміло,

(3)

З іншого боку, перетин перетнуть всі ті вільні заряди, які згодом виявляться всередині циліндра з висотою. Їх число дорівнює:

Отже, їх загальний заряд дорівнюватиме:

(4)

Прирівнюючи праві частини формул (3) і (4) і скорочуючи на отримаємо:

(5)

Відповідно, щільність струму виявляється рівна:

Давайте як приклад порахуємо, яка швидкість руху вільних електронів у мідному дроті при силі струму A.

Заряд електрона відомий: Кл.

Чому дорівнює концентрація вільних електронів? Вона збігається з концентрацією атомів міді, оскільки кожного атома відщеплюється по одному валентному електрону. Ну а концентрацію атомів ми знаходимо вміємо:

Покладемо мм. З формули (5) отримаємо:

М/с.

Це близько однієї десятої міліметра на секунду.

Стаціонарне електричне поле

Ми весь час говоримо про спрямований рух зарядів, але ще не торкалися питання про те, чомувільні заряди здійснюють такий рух. Чому, власне, виникає електричний струм?

Для впорядкованого переміщення зарядів усередині провідника потрібна сила, що діє на заряди у певному напрямку. Звідки береться ця сила? З боку електричного поля!

Щоб у провіднику протікав постійний струм, усередині провідника має існувати стаціонарне(тобто - постійне, що не залежить від часу) електричне поле. Іншими словами, між кінцями провідника слід підтримувати постійну різницю потенціалів.

Стаціонарне електричне поле має створюватися зарядами провідників, що входять до електричного ланцюга. Однак заряджені провідники власними силами не зможуть забезпечити протікання постійного струму.

Розглянемо, наприклад, дві провідні кулі, заряджених різноіменно. З'єднаємо їх дротом. Між кінцями дроту виникне різниця потенціалів, а всередині дроту – електричне поле. По дроту потече струм. Але в міру проходження струму різниця потенціалів між кулями зменшуватиметься, слідом за нею буде спадати і напруженість поля у дроті. Зрештою потенціали куль стануть рівними один одному, поле у ​​дроті звернеться в нуль, і струм зникне. Ми опинилися в електростатиці: кулі плюс провід утворюють єдиний провідник, у кожній точці якого потенціал набуває одного і того ж значення; напруженість
поля всередині провідника дорівнюють нулю, ніякого струму немає.

Те, що електростатичне поле саме по собі не годиться на роль стаціонарного поля, що створює струм, зрозуміло і з найбільш загальних міркувань. Адже електростатичне поле потенційно, його робота при переміщенні заряду замкнутим шляхом дорівнює нулю. Отже, воно не може викликати циркулювання зарядів по замкнутому електричному ланцюзі - для цього потрібно виконувати ненульову роботу.

Хто ж виконуватиме цю ненульову роботу? Хто підтримуватиме в ланцюзі різницю потенціалів і забезпечуватиме стаціонарне електричне поле, що створює струм у провідниках?

Відповідь - джерело струму, найважливіший елемент електричного кола.

Щоб у провіднику протікав постійний струм, кінці провідника повинні бути приєднані до клем джерела струму (батарейки, акумулятора тощо).

Клеми джерела – це заряджені провідники. Якщо ланцюг замкнутий, то заряди з клем переміщаються ланцюгом - як у розглянутому вище прикладі з кулями. Але тепер різниця потенціалів між клемами не зменшується: джерело струму безперервно заповнює заряди на клемах, підтримуючи різницю потенціалів між кінцями ланцюга на постійному рівні.

У цьому полягає призначення джерела постійного струму. Усередині нього протікають процеси неелектричного (найчастіше – хімічного) походження, які забезпечують безперервний поділ зарядів. Ці заряди поставляються на клеми джерела у необхідній кількості.

Кількісну характеристику неелектричних процесів поділу зарядів усередині джерела - так звану ЕРС - ми вивчимо пізніше, у відповідному листку.

А зараз повернемося до стаціонарного електричного поля. Яким чином воно виникає у провідниках ланцюга за наявності джерела струму?

Заряджені клеми джерела створюють на кінцях провідника електричне поле. Вільні заряди провідника, що знаходяться поблизу клем, починають рухатися і діють своїм електричним полем на сусідні заряди. Зі швидкістю, близькою до швидкості світла, ця взаємодія передається вздовж усього ланцюга, і в ланцюзі встановлюється постійний електричний струм. Стабілізується і електричне поле, створюване зарядами, що рухаються.

Стаціонарне електричне поле - це поле вільних зарядів провідника, які здійснюють спрямований рух.

Стаціонарне електричне поле не змінюється з часом тому, що при постійному струмі не змінюється картина розподілу зарядів у провіднику: на місце заряду, що залишив цю ділянку провідника, в наступний момент часу надходить такий самий заряд. Тому стаціонарне поле багато в чому (але не в усьому) аналогічне полю електростатичного.

А саме, справедливі наступні два твердження, які знадобляться нам надалі (їхній доказ дається у курсі фізики ВНЗ).

1. Як і електростатичне поле, стаціонарне електричне поле є потенційним. Це дозволяє говорити про різницю потенціалів (тобто напрузі) на будь-якій ділянці ланцюга (саме цю різницю потенціалів ми вимірюємо вольтметром).
Потенційність, нагадаємо, означає, що робота стаціонарного поля щодо переміщення заряду не залежить від форми траєкторії. Саме тому при паралельному з'єднанні провідників напруга на кожному з них однаково: воно дорівнює різниці потенціалів стаціонарного поля між двома точками, до яких підключені провідники.
2. На відміну від електростатичного поля, стаціонарне поле зарядів, що рухаються, проникає всередину провідника (справа в тому, що вільні заряди, беручи участь у спрямованому русі, не встигають належним чином перебудовуватися і приймати «електростатичні» конфігурації).
Лінії напруженості стаціонарного поля всередині провідника паралельні його поверхні, хоч би як згинався провідник. Тому, як і в однорідному електростатичному полі, справедлива формула , де - Напруга на кінцях провідника, - Напруженість стаціонарного поля в провіднику, - Довжина провідника.

«Електричний струм – це впорядкований рух заряджених частинок, які називаються ЕЛЕКТРОНИ».Електрони, що це таке? Не будемо вдаватися до подробиць шкільного підручника з фізики та хімії. Спробую розповісти простими словами і на простому прикладі – це не складно. Електрон присутній у будь-якому металі, алюмінії, залозі, міді у всьому з чого зроблені металеві ложки, кухлі та проводи є електрони. Електрон - це негативно заряджена частка має знак (-) мінус. Електрони, що рухаються з величезною швидкістю, вважай миттєво і при цьому хаотично. Рухаючись у різних напрямках, вони стикаються один з одним та з іншими частинками, які так само присутні в металах і від цього хаотичного руху електронів, тобі немає жодної користі. Для того, щоб запрацювала праска, загорілася лампочка, потрібно змусити електрони рухатися в електричних проводах строго в один бік, задати їм напрямок. Як це зробити? Так, дуже просто! Потрібно підключити до дроту джерело живлення, наприклад, звичайну батарейку. У батарейки є плюс і мінус, приклавши плюс до одного кінця дроту, а мінус до іншого ми отримаємо спрямований рух електронів. Електрони рухатимуться у дроті строго в одному напрямку від плюса до мінуса, при цьому у дроті виникне електричний струм.

Робота електричного струму

Звичайно, ти розумієш, що так просто замикати дротом плюс і мінус батарейки не можна? Батарейка розрядиться, провід нагріється і користі від цього немає ніякої, але якщо провід розірвати і в місце розриву підключити лампочку, то в тебе вийде своє джерело світла, лампочка засвітиться, тобто електричний струм почав працювати для тебе. Електронна лампочка, що спалахнула, якраз підтверджує визначення - (робота електричного струму).

Саме за рахунок роботи електричного струму горить лампочка, працює телевізор, мікрохвильова піч тощо. Якщо не буде впорядкованого руху електронів то й працювати ці електричні пристрої не будуть.

Якщо трапиться обрив в електричному дроті, або буде вимкнено вимикач або станеться щось інше, що перешкоджає руху електричного струму, упорядкований рух електронів припиниться і разом з цимприпиниться робота електричного струму.

Вплив електричного струму на організм людини

Хочу звернути твою увагу на те, що людина може бути провідником електричного струму. І якщо підключити людину до електромережі (сунути пальці в розетку) черезтіло людини потече електричний струм.

При підключенні електричного струму до електролампи вона просто засвітиться, з людиною можуть статися дуже неприємні наслідки. Електричний струм, вище певного номіналу, може завдати людині таких ушкоджень як опік, порушення дихання, ритму серцебиття та смерть. Електричний струм не має кольору, звуку та запаху, тому поводитися з електричним струмом потрібно дуже обережно, але й занадто боятися його до заїкуватості та холодного поту теж не слід. Просто потрібно знати його фізичні властивості та дотримуватися техніки безпеки.