ไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าคืออะไร

ไฟฟ้า — การเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าภายใต้การกระแทก สนามไฟฟ้า... อนุภาคดังกล่าวสามารถเป็น: ในตัวนำ - อิเล็กตรอน, ในอิเล็กโทรไลต์ - ไอออน (ไอออนบวกและประจุลบ) ในสารกึ่งตัวนำ - อิเล็กตรอนและสิ่งที่เรียกว่า "รู" ("การนำไฟฟ้าของรูอิเล็กตรอน") นอกจากนี้ยังมี «กระแสอคติ» ซึ่งเป็นกระแสที่เกิดจากกระบวนการชาร์จความจุนั่นคือจากการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ระหว่างแผ่น ไม่มีการเคลื่อนที่ของอนุภาคระหว่างแผ่น แต่กระแสไหลผ่านตัวเก็บประจุ

ในทฤษฎีวงจรไฟฟ้า กระแสถือเป็นการเคลื่อนที่โดยตรงของตัวพาประจุในตัวกลางนำไฟฟ้าภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า

กระแสการนำไฟฟ้า (แค่กระแส) ในทฤษฎีวงจรไฟฟ้าคือปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลต่อหน่วยเวลาผ่านส่วนตัดขวางของเส้นลวด: i = q /T โดยที่ i คือกระแส ก; q = 1.6·109 — ประจุอิเล็กตรอน, С; เสื้อ — เวลา, s.

นิพจน์นี้ใช้ได้กับวงจรไฟฟ้ากระแสตรง สำหรับวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่เรียกว่า มูลค่าปัจจุบันชั่วขณะเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของประจุตามเวลา: i (t) = dq /dt

เงื่อนไขแรกสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าประเภทที่พิจารณาในระยะยาวคือการมีแหล่งกำเนิดหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่รักษาความต่างศักย์ระหว่างตัวพาประจุ เงื่อนไขที่สองคือการปิดถนน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อให้มีกระแสตรงจำเป็นต้องมีเส้นทางปิดซึ่งประจุสามารถเคลื่อนที่ในวงจรโดยไม่เปลี่ยนค่า

ดังที่คุณทราบ ตามกฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ ดังนั้นหากปริมาตรของพื้นที่ใด ๆ ที่กระแสไฟฟ้าไหลล้อมรอบด้วยพื้นผิวปิด กระแสที่ไหลในปริมาตรนั้นจะต้องเท่ากับกระแสที่ไหลออกจากพื้นที่นั้น

เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้: เงื่อนไขของการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า

เส้นทางปิดที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเรียกว่าวงจรไฟฟ้าหรือวงจรไฟฟ้า วงจรไฟฟ้า — แบ่งออกเป็นสองส่วน: ส่วนใน ซึ่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่สวนทางกับแรงไฟฟ้าสถิต และส่วนนอก ซึ่งอนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่ในทิศทางของแรงไฟฟ้าสถิต ปลายของอิเล็กโทรดที่เชื่อมต่อกับวงจรภายนอกเรียกว่าแคลมป์

ดังนั้น กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อสนามไฟฟ้าปรากฏขึ้นในส่วนของวงจรไฟฟ้า หรือความต่างศักย์ระหว่างจุดสองจุดบนเส้นลวด ความต่างศักย์ระหว่างจุดสองจุด วงจรไฟฟ้า เรียกว่าแรงดันหรือแรงดันตกในส่วนนั้นของวงจร

แทนที่จะใช้คำว่า "ปัจจุบัน" ("ปริมาณปัจจุบัน") มักจะใช้คำว่า "ความแรงของกระแส"อย่างไรก็ตามไม่สามารถเรียกได้ว่าประสบความสำเร็จเนื่องจากความแรงของกระแสไม่ใช่แรงใด ๆ ในความหมายที่แท้จริงของคำ แต่เป็นเพียงความเข้มของการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในตัวนำปริมาณไฟฟ้าที่ผ่านต่อหน่วยเวลาผ่านจุดตัดขวาง พื้นที่หน้าตัดของตัวนำ
ปัจจุบันมีลักษณะ แอมแปร์ซึ่งในระบบ SI วัดเป็นแอมแปร์ (A) และความหนาแน่นกระแสซึ่งในระบบ SI วัดเป็นแอมแปร์ต่อตารางเมตร

หนึ่งแอมแปร์สอดคล้องกับการเคลื่อนที่ผ่านส่วนตัดขวางของเส้นลวดในหนึ่งวินาที (s) ของประจุไฟฟ้าในจำนวนหนึ่งคูลอมบ์ (C):

1A = 1C / วินาที

ในกรณีทั่วไป ระบุกระแสด้วยตัวอักษร i และประจุ q เราได้รับ:

ฉัน = dq / dt

หน่วยของกระแสเรียกว่าแอมแปร์ (A)

แอมแปร์ (A) — ความแรงของกระแสตรงซึ่งเมื่อผ่านตัวนำตรงขนานกันสองตัวที่มีความยาวไม่สิ้นสุดและหน้าตัดเล็กน้อยซึ่งอยู่ในสุญญากาศที่ระยะห่าง 1 เมตรจากกัน จะสร้างระหว่างตัวนำเหล่านี้ 2·10 -7 H สำหรับความยาวแต่ละเมตร

กระแสในเส้นลวดคือ 1 A ถ้าประจุไฟฟ้าเท่ากับ 1 คูลอมบ์ผ่านหน้าตัดของเส้นลวดใน 1 วินาที

ข้าว. 1. ทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในตัวนำ

หากแรงดันไฟฟ้ากระทำกับเส้นลวด สนามไฟฟ้าจะเกิดขึ้นภายในเส้นลวด ด้วยความแรงของสนาม E แรง f = E กระทำกับอิเล็กตรอนที่มีประจุ e ปริมาณ e และ E เป็นปริมาณเวกเตอร์ ในระหว่างเส้นทางอิสระ อิเล็กตรอนจะได้รับการเคลื่อนที่โดยตรงพร้อมกับการเคลื่อนที่แบบโกลาหล อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีประจุลบและได้รับส่วนประกอบของความเร็วตรงข้ามกับเวกเตอร์ E (รูปที่ 1) การเคลื่อนที่ตามคำสั่งซึ่งมีความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอน vcp กำหนดการไหลของกระแสไฟฟ้า

อิเล็กตรอนสามารถกำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ในก๊าซที่หายากได้ ในอิเล็กโทรไลต์และก๊าซไอออไนซ์ กระแสส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนที่ของไอออน สอดคล้องกับข้อเท็จจริงที่ว่าไอออนที่มีประจุบวกเคลื่อนที่จากขั้วบวกไปยังขั้วลบในอิเล็กโทรไลต์ ในอดีตสันนิษฐานว่าทิศทางของกระแสจะตรงกันข้ามกับทิศทางการไหลของอิเล็กตรอน

ทิศทางของกระแสถือเป็นทิศทางที่อนุภาคที่มีประจุบวกเคลื่อนที่ เช่น ทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน
ในทฤษฎีวงจรไฟฟ้า ทิศทางของกระแสในวงจรพาสซีฟ (นอกแหล่งพลังงาน) จะถือเป็นทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุบวกจากศักย์ไฟฟ้าที่สูงกว่าไปยังประจุที่ต่ำกว่า ทิศทางนี้ถูกนำมาใช้ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาวิศวกรรมไฟฟ้าและขัดแย้งกับทิศทางการเคลื่อนที่ที่แท้จริงของตัวพาประจุ - อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในตัวกลางที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจากลบไปบวก

ทิศทางของกระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำ

ปริมาณที่เท่ากับอัตราส่วนของกระแสต่อพื้นที่หน้าตัด S เรียกว่าความหนาแน่นกระแส: I / S

ในกรณีนี้ สันนิษฐานว่ากระแสกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งส่วนตัดขวางของเส้นลวด ความหนาแน่นกระแสในสายไฟมักจะวัดเป็น A / mm2

ตามประเภทของพาหะของประจุไฟฟ้าและตัวกลางในการเคลื่อนที่ จะแบ่งออกเป็น กระแสนำไฟฟ้า และ กระแสกระจัด... การนำไฟฟ้าแบ่งออกเป็น อิเล็กทรอนิกส์ และ ไอออนิก สำหรับโหมดอยู่กับที่ กระแสจะแยกออกเป็นสองประเภท: ทางตรงและกระแสสลับ

การถ่ายโอนไฟฟ้าช็อตเรียกว่าปรากฏการณ์การถ่ายโอนประจุไฟฟ้าจากอนุภาคหรือวัตถุที่มีประจุซึ่งเคลื่อนที่ในพื้นที่ว่างประเภทหลักของการถ่ายโอนกระแสไฟฟ้าคือการเคลื่อนที่ในช่องของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเบื้องต้น (การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในหลอดอิเล็กตรอน) การเคลื่อนที่ของไอออนอิสระในอุปกรณ์ปล่อยก๊าซ

กระแสแทนที่ (กระแสโพลาไรซ์) เรียกว่าการเคลื่อนที่ตามคำสั่งของพาหะที่เกี่ยวข้องของประจุไฟฟ้า กระแสประเภทนี้สามารถสังเกตได้ในไดอิเล็กตริก

กระแสไฟฟ้าทั้งหมด — ค่าสเกลาร์เท่ากับผลรวมของกระแสไฟฟ้าการนำไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าถ่ายโอน และกระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านพื้นผิวภายใต้การพิจารณา

ค่าคงที่เรียกว่ากระแสที่สามารถเปลี่ยนแปลงขนาดได้ แต่จะไม่เปลี่ยนเครื่องหมายเป็นเวลานานโดยพลการ อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับที่นี่: กระแสตรง

กระแสแม่เหล็ก — กระแสไฟฟ้าระดับจุลภาค (แอมแปร์) คงที่ ซึ่งเป็นสาเหตุของการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กภายในของสารที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก

ตัวแปรที่เรียกว่ากระแสซึ่งเปลี่ยนแปลงทั้งขนาดและเครื่องหมายเป็นระยะ ปริมาณที่แสดงลักษณะของกระแสสลับคือความถี่ (ในระบบ SI จะวัดเป็นเฮิรตซ์) ในกรณีที่ความแรงของมันเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ

กระแสสลับความถี่สูงถูกเลื่อนไปตามพื้นผิวของเส้นลวด กระแสความถี่สูงใช้ในวิศวกรรมเครื่องกลสำหรับการรักษาความร้อนของพื้นผิวชิ้นส่วนและการเชื่อม ในโลหะวิทยาสำหรับการหลอมโลหะ กระแสสลับแบ่งออกเป็นไซน์และไม่ใช่ไซน์... กระแสไซน์เป็นกระแสที่เปลี่ยนแปลงตามกฎฮาร์มอนิก:

ฉัน = บาป wt,

ฉันอยู่ที่ไหน, - ค่าสูงสุด (สูงสุด) ปัจจุบัน, อา,

อัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสสลับนั้นมีลักษณะของมัน ความถี่กำหนดเป็นจำนวนของการสั่นซ้ำทั้งหมดต่อหน่วยเวลาความถี่แสดงด้วยตัวอักษร f และวัดเป็นเฮิรตซ์ (Hz) ดังนั้นความถี่กระแสไฟหลักที่ 50 Hz จึงสอดคล้องกับการสั่นทั้งหมด 50 ครั้งต่อวินาที ความถี่เชิงมุม w คืออัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสเป็นเรเดียนต่อวินาที และสัมพันธ์กับความถี่ด้วยความสัมพันธ์อย่างง่าย:

w = 2pi ฉ

ค่าคงที่ (คงที่) ของกระแสตรงและกระแสสลับหมายถึงตัวพิมพ์ใหญ่ I ค่าที่ไม่คงที่ (ทันที) - ด้วยตัวอักษร i โดยปกติแล้วทิศทางบวกของกระแสคือทิศทางการเคลื่อนที่ของประจุบวก

กระแสสลับ เป็นกระแสที่เปลี่ยนแปลงตามกฎไซน์เมื่อเวลาผ่านไป

กระแสสลับยังหมายถึงกระแสในเครือข่ายเฟสเดียวและสามเฟสทั่วไป ในกรณีนี้พารามิเตอร์ของกระแสสลับจะเปลี่ยนไปตามกฎหมายฮาร์มอนิก

เนื่องจากกระแสไฟ AC เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา วิธีแก้ปัญหาง่ายๆ ที่เหมาะกับวงจรไฟฟ้ากระแสตรงจึงใช้ไม่ได้โดยตรงที่นี่ ที่ความถี่สูงมาก ประจุไฟฟ้าสามารถสั่นได้—ไหลจากที่หนึ่งในวงจรไปยังอีกที่หนึ่งแล้วย้อนกลับมาอีก ในกรณีนี้ กระแสในสายไฟที่ต่อแบบอนุกรมอาจแตกต่างจากวงจรไฟฟ้ากระแสตรง

ความจุที่มีอยู่ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับช่วยเพิ่มผลกระทบนี้ นอกจากนี้ เมื่อกระแสเปลี่ยนแปลง จะรู้สึกถึงเอฟเฟกต์การเหนี่ยวนำตัวเอง ซึ่งมีความสำคัญแม้ในความถี่ต่ำหากใช้ขดลวดเหนี่ยวนำสูง

ที่ความถี่ค่อนข้างต่ำ วงจรไฟฟ้ากระแสสลับยังสามารถคำนวณได้โดยใช้ กฎของเคอร์ชอฟฟ์ซึ่งจะต้องแก้ไขให้สอดคล้องกัน

วงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุแบบต่างๆ อาจถูกมองว่าเป็นตัวต้านทานทั่วไป ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำที่ต่ออนุกรมกัน

พิจารณาคุณสมบัติของวงจรดังกล่าวที่เชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดกระแสสลับไซน์ ในการกำหนดกฎสำหรับการคำนวณวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ คุณต้องค้นหาความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันตกและกระแสสำหรับส่วนประกอบแต่ละส่วนของวงจรดังกล่าว

คอนเดนเซอร์ มีบทบาทที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงในวงจร AC และ DC ตัวอย่างเช่น หากต่อเซลล์ไฟฟ้าเคมีเข้ากับวงจรแล้ว ตัวเก็บประจุจะเริ่มชาร์จจนกว่าแรงดันไฟฟ้าจะเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าขององค์ประกอบ จากนั้นการชาร์จจะหยุดลงและกระแสไฟจะลดลงเหลือศูนย์

หากวงจรเชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแล้วในครึ่งรอบอิเล็กตรอนจะไหลจากแผ่นด้านซ้ายของตัวเก็บประจุและสะสมทางด้านขวาและในทางกลับกัน

อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เหล่านี้ประกอบด้วยไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งมีความแรงเท่ากันทั้งสองด้านของตัวเก็บประจุ ตราบใดที่ความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับไม่สูงมาก กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานและตัวเหนี่ยวนำก็จะเท่ากัน

ในอุปกรณ์ที่ใช้กระแสสลับ กระแสสลับมักจะถูกแก้ไข วงจรเรียงกระแส เพื่อให้ได้ไฟฟ้ากระแสตรง

ตัวนำสำหรับกระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าในทุกรูปแบบเป็นปรากฏการณ์ทางจลนศาสตร์ คล้ายกับการไหลของของไหลในระบบไฮดรอลิกแบบปิด โดยการเปรียบเทียบ กระบวนการของการเคลื่อนไหวในปัจจุบันเรียกว่า «โฟลว์» (กระแสโฟลว์)

น. วัตถุที่กระแสเรียก ตัวนำ… วัสดุบางชนิดเข้าสู่สภาวะตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ ในสถานะนี้ แทบไม่แสดงความต้านทานต่อกระแสเลย ความต้านทานมีแนวโน้มเป็นศูนย์

ในกรณีอื่นๆ ทั้งหมด ตัวนำจะต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้า และเป็นผลให้พลังงานส่วนหนึ่งของอนุภาคไฟฟ้าถูกแปลงเป็นความร้อนแอมแปร์สามารถคำนวณได้โดย กฎของโอห์ม สำหรับภาคตัดขวางของวงจรและกฎของโอห์มสำหรับวงจรทั้งหมด

ความเร็วของการเคลื่อนที่ของอนุภาคในเส้นลวดขึ้นอยู่กับวัสดุของเส้นลวด มวลและประจุของอนุภาค อุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม ความต่างศักย์ที่ใช้ และมีค่าน้อยกว่าความเร็วแสงมาก อย่างไรก็ตามความเร็วของการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้านั้นเท่ากับความเร็วของแสงในตัวกลางที่กำหนดนั่นคือความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้านหน้า

ไฟฟ้าส่งผลต่อร่างกายมนุษย์อย่างไร

กระแสไฟฟ้าที่ผ่านเข้าสู่ร่างกายของมนุษย์หรือสัตว์สามารถทำให้เกิดไฟฟ้าลวก ไฟฟ้าช็อต หรือเสียชีวิตได้ ในทางกลับกัน กระแสไฟฟ้าถูกนำมาใช้ในการดูแลผู้ป่วยหนัก เพื่อรักษาอาการป่วยทางจิต โดยเฉพาะโรคซึมเศร้า มีการใช้ไฟฟ้ากระตุ้นสมองบางส่วนเพื่อรักษาโรคต่างๆ เช่น โรคพาร์กินสัน และโรคลมบ้าหมู เครื่องกระตุ้นหัวใจที่กระตุ้นกล้ามเนื้อหัวใจด้วยการเต้นเป็นจังหวะ ปัจจุบันใช้สำหรับหัวใจเต้นช้า ในมนุษย์และสัตว์ กระแสไฟฟ้าใช้เพื่อส่งกระแสประสาท

เพื่อความปลอดภัย กระแสรับขั้นต่ำสำหรับบุคคลคือ 1 mA กระแสน้ำจะเป็นอันตรายต่อชีวิตของบุคคลโดยเริ่มจากความแรงประมาณ 0.01 A กระแสน้ำจะเป็นอันตรายต่อบุคคลโดยเริ่มจากความแรงประมาณ 0.1 A แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 42 V ถือว่าปลอดภัย