Elektrický proud neboli elektrický proud je řízený (uspořádaný) pohyb částic nebo kvazi -částic - nositelů elektrického náboje [1] [2] [3] . Následná elektromagnetická interakce mezi nabitými částicemi se neprovádí přímo, ale prostřednictvím elektromagnetického pole [4] . Rychlost šíření elektromagnetické interakce (pole) neboli rychlost elektromagnetického záření dosahuje rychlosti světla [5] , která je mnohonásobně větší než rychlost pohybu samotných nosičů elektrického náboje [6] .
Nosiče elektrického náboje mohou být: v kovech - elektrony , v elektrolytech - ionty ( kationty a anionty ), v plynech - ionty a elektrony , ve vakuu za určitých podmínek - elektrony , v polovodičích - elektrony nebo díry ( vodivost elektronových děr ). Z hlediska kvantové teorie pole je nositelem elektromagnetické interakce foton [7] .
Někdy se elektrický proud nazývá také posuvný proud , který je výsledkem změny v čase elektrického pole [8] .
Elektrický proud má následující projevy:
Pokud se nabité částice pohybují uvnitř makroskopických těles vzhledem k určitému médiu, pak se takový proud nazývá vodivý elektrický proud . Pohybují-li se makroskopická nabitá tělesa (například nabité kapky deště), pak se tento proud nazývá proud konvekční [3] .
Existují stejnosměrné a střídavé elektrické proudy, stejně jako všechny druhy střídavého proudu. V těchto termínech se slovo „elektrický“ často vynechává.
Vířivé proudy (Foucaultovy proudy) jsou „uzavřené elektrické proudy v masivním vodiči, které vznikají při změně magnetického toku , který jím proniká “ [14] , proto jsou vířivé proudy indukční proudy. Čím rychleji se mění magnetický tok, tím silnější jsou vířivé proudy. Vířivé proudy neproudí podél určitých cest v drátech, ale když se uzavřou ve vodiči, vytvoří vírové obrysy.
Existence vířivých proudů vede ke skin efektu, tedy k tomu, že střídavý elektrický proud a magnetický tok se šíří především v povrchové vrstvě vodiče. Zahřívání vodičů vířivými proudy vede ke ztrátám energie, zejména v jádrech střídavých cívek. Pro snížení energetických ztrát způsobených vířivými proudy jsou magnetické obvody střídavého proudu rozděleny na samostatné desky, vzájemně izolované a umístěné kolmo ke směru vířivých proudů, což omezuje možné obrysy jejich drah a výrazně snižuje velikost těchto proudů. . Na velmi vysokých frekvencích se místo feromagnetik používá magnetodielektrika pro magnetické obvody, ve kterých se díky velmi vysokému odporu prakticky nevyskytují vířivé proudy.
Historicky se uznává, že směr proudu se shoduje se směrem pohybu kladných nábojů ve vodiči . Navíc, pokud jsou jedinými nositeli proudu záporně nabité částice (například elektrony v kovu ), pak je směr proudu opačný než směr pohybu nabitých částic [2] .
Rychlost (drift) usměrněného pohybu částic ve vodičích způsobený vnějším polem závisí na materiálu vodiče, hmotnosti a náboji částic, okolní teplotě , použitém potenciálovém rozdílu a je mnohem menší než rychlost světlo . Po dobu 1 sekundy se elektrony ve vodiči pohnou v důsledku uspořádaného pohybu o méně než 0,1 mm [6] - 20krát méně, než je rychlost hlemýždě . Přesto je rychlost šíření skutečného elektrického proudu rovna rychlosti světla (rychlost šíření čela elektromagnetické vlny ). Tedy místo, kde elektrony po změně napětí mění rychlost svého pohybu, se pohybuje s rychlostí šíření elektromagnetických kmitů.
Elektrický proud má kvantitativní charakteristiky: skalární proudovou sílu a vektorovou proudovou hustotu .
Síla proudu je fyzikální veličina rovna poměru množství náboje , který za nějaký čas prošel průřezem vodiče , k hodnotě tohoto časového intervalu.
Současná síla v mezinárodní soustavě jednotek (SI) se měří v ampérech (ruské označení: A; mezinárodní: A).
Podle Ohmova zákona je síla proudu v části obvodu přímo úměrná napětí aplikovanému na tuto část obvodu a nepřímo úměrná jejímu odporu :
Pokud elektrický proud není v části obvodu konstantní, pak se síla napětí a proudu neustále mění, zatímco pro běžný střídavý proud jsou průměrné hodnoty napětí a proudu rovny nule. Průměrný výkon uvolněného tepla se však v tomto případě nerovná nule. Proto se používají následující výrazy:
Proudová hustota je vektor , jehož absolutní hodnota se rovná poměru proudu protékajícího určitým úsekem vodiče, kolmo ke směru proudu, k ploše tohoto úseku a směru vektor se shoduje se směrem pohybu kladných nábojů, které tvoří proud.
Podle Ohmova zákona v diferenciální formě je hustota proudu v médiu úměrná intenzitě elektrického pole a vodivosti média :
V přítomnosti proudu ve vodiči se pracuje proti silám odporu. Elektrický odpor jakéhokoli vodiče se skládá ze dvou složek:
Obecně platí, že většina práce vykonané elektrickým proudem se uvolňuje jako teplo . Síla tepelné ztráty je hodnota rovna množství tepla uvolněného za jednotku času. Podle Joule-Lenzova zákona je výkon tepelné ztráty ve vodiči úměrný síle protékajícího proudu a použitému napětí:
Výkon se měří ve wattech .
V kontinuálním prostředí je objemová ztráta výkonu určena skalárním součinem vektoru proudové hustoty a vektoru intenzity elektrického pole v daném bodě:
Objemový výkon se měří ve wattech na metr krychlový .
Radiační odpor je způsoben tvorbou elektromagnetických vln kolem vodiče. Tento odpor je ve složité závislosti na tvaru a rozměrech vodiče, na vlnové délce vyzařované vlny. Pro jediný přímočarý vodič, ve kterém je proud všude stejného směru a síly a jehož délka L je mnohem menší než délka jím vyzařované elektromagnetické vlny , je závislost odporu na vlnové délce a vodiči poměrně jednoduché:
Nejpoužívanější elektrický proud o standardní frekvenci 50 Hz odpovídá vlnové délce asi 6 tisíc kilometrů, proto je výkon záření oproti výkonu tepelné ztráty obvykle zanedbatelně malý. Se zvyšující se frekvencí proudu se však délka emitované vlny zmenšuje a podle toho se zvyšuje i síla záření. Vodič schopný vyzařovat značnou energii se nazývá anténa .
Pojem frekvence se týká střídavého proudu, který periodicky mění sílu nebo směr. Patří sem také nejběžněji používaný proud, který se mění podle sinusového zákona .
Perioda střídavého proudu je nejkratší časový úsek (vyjádřený v sekundách), po kterém se změny proudu (a napětí) opakují [15] . Počet period dokončených proudem za jednotku času se nazývá frekvence. Frekvence se měří v hertzech , jeden hertz (Hz) odpovídá jedné periodě za sekundu.
Někdy se pro pohodlí zavádí koncept posuvného proudu. V Maxwellových rovnicích je posuvný proud přítomen na stejné úrovni jako proud způsobený pohybem nábojů. Intenzita magnetického pole závisí na celkovém elektrickém proudu, který se rovná součtu vodivostního proudu a posuvného proudu. Podle definice je hustota posuvného proudu vektorová veličina úměrná rychlosti změny elektrického pole :
,kde je elektrická konstanta a je permitivita . Při změně elektrického pole, stejně jako při toku proudu, vzniká magnetické pole , díky kterému jsou tyto dva procesy navzájem podobné. Kromě toho je změna elektrického pole obvykle doprovázena přenosem energie . Například při nabíjení a vybíjení kondenzátoru , přestože mezi jeho deskami nedochází k žádnému pohybu nabitých částic, mluví se o posuvném proudu, který jím protéká, nese určitou energii a zvláštním způsobem uzavírá elektrický obvod . Posuvný proud v kondenzátoru je určen vzorcem:
,kde je náboj na deskách kondenzátoru, je potenciální rozdíl mezi deskami, je kapacita kondenzátoru.
Výtlačný proud není elektrický proud, protože nesouvisí s pohybem elektrického náboje.
Na rozdíl od dielektrik obsahují vodiče volné nosiče nekompenzovaných nábojů, které se působením síly, zpravidla rozdílu elektrických potenciálů, uvedou do pohybu a vytvoří elektrický proud. Proudově-napěťová charakteristika (závislost síly proudu na napětí) je nejdůležitější charakteristikou vodiče. Pro kovové vodiče a elektrolyty má nejjednodušší formu: síla proudu je přímo úměrná napětí (Ohmův zákon).
Kovy - zde jsou nositeli proudu vodivé elektrony, které jsou obvykle považovány za elektronový plyn, jasně vykazující kvantové vlastnosti degenerovaného plynu.
Plazma je ionizovaný plyn. Elektrický náboj nesou ionty (kladné i záporné) a volné elektrony, které vznikají vlivem záření (ultrafialové, rentgenové a další) a (nebo) ohřevu.
Elektrolyty jsou „kapalné nebo pevné látky a systémy, ve kterých jsou ionty přítomny v jakékoli patrné koncentraci, což způsobuje průchod elektrického proudu“ [17] . Ionty se tvoří v procesu elektrolytické disociace. Při zahřívání se odpor elektrolytů snižuje v důsledku zvýšení počtu molekul rozložených na ionty. V důsledku průchodu proudu elektrolytem se ionty přibližují k elektrodám a jsou neutralizovány a usazují se na nich. Faradayovy zákony elektrolýzy určují hmotnost látky uvolněné na elektrodách.
Ve vakuu je také elektrický proud elektronů, který se používá v katodových zařízeních [3] .
Atmosférická elektřina je elektřina nacházející se ve vzduchu. Poprvé ukázal přítomnost elektřiny ve vzduchu a vysvětlil příčinu hromů a blesků Benjamin Franklin [18] . Následně bylo zjištěno, že elektřina se akumuluje při kondenzaci par v horních vrstvách atmosféry a byly uvedeny následující zákony, podle kterých se atmosférická elektřina řídí:
Celkový proud tekoucí na celý povrch Země je v tomto případě přibližně 1800 A [20] .
Blesk je přirozený jiskřící elektrický výboj. Byla stanovena elektrická povaha polární záře . Ohně svatého Elma jsou přirozeným korónovým elektrickým výbojem.
Bioproudy - pohyb iontů a elektronů hraje velmi významnou roli ve všech životních procesech. Biopotenciál vytvořený v tomto případě existuje jak na intracelulární úrovni, tak v jednotlivých částech těla a orgánů. K přenosu nervových vzruchů dochází pomocí elektrochemických signálů. Některá zvířata ( elektrické paprsky , elektrický úhoř ) jsou schopna akumulovat potenciál několika stovek voltů a využít jej k sebeobraně.
Při studiu elektrického proudu bylo objeveno mnoho jeho vlastností, které mu umožnily nacházet praktické aplikace v různých oblastech lidské činnosti, a dokonce vytvářet nové oblasti, které by bez existence elektrického proudu nebyly možné. Poté, co elektrický proud našel praktické uplatnění az toho důvodu, že elektrický proud lze získat různými způsoby, vznikl nový koncept v průmyslové oblasti - elektroenergetika .
Elektrický proud se používá jako nosič signálů různé složitosti a typů v různých oblastech (telefon, rádio, ovládací panel, tlačítko zámku dveří atd.).
V některých případech se objevují nežádoucí elektrické proudy, jako jsou bludné proudy nebo zkratový proud.
Lidské tělo je vodičem elektrického proudu. Lidský odpor se suchou a neporušenou pokožkou se pohybuje od 3 do 100 kOhm.
Proud procházející lidským nebo zvířecím tělem má následující účinky:
Hlavním faktorem určujícím výsledek elektrického šoku je množství proudu procházející lidským tělem. Podle bezpečnostních opatření je elektrický proud klasifikován takto:
Zahrnuje opatření právní, sociálně-ekonomická, organizační a technická, sanitární a hygienická, léčebně preventivní, rehabilitační a další. Pravidla elektrické bezpečnosti upravují právní a technické dokumenty, regulační a technický rámec. Znalost základů elektrické bezpečnosti je povinná pro obsluhu elektrických instalací a elektrických zařízení.
V Rusku bylo v souladu s Pravidly pro technický provoz elektrických instalací spotřebitelů [21] a Pravidly ochrany práce při provozu elektrických instalací [22] , v závislosti na kvalifikaci stanoveno 5 kvalifikačních skupin pro elektrickou bezpečnost. a zkušenosti zaměstnance a napětí elektroinstalace.
V Rusku jsou regulační dokumenty upravující maximální přípustné úrovně (MPL) vystavení elektromagnetickému záření:
Přípustné úrovně záření různých vysílacích rádiových zařízení na frekvencích > 300 MHz v hygienicko-obytných zónách se v některých zemích výrazně liší:
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|
Energie | |||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
struktura podle produktů a odvětví | |||||||||||||||||||||||||||
Energetika : elektřina |
| ||||||||||||||||||||||||||
Zásobování teplem : tepelná energie |
| ||||||||||||||||||||||||||
Palivový průmysl : palivo |
| ||||||||||||||||||||||||||
Slibná energie : |
| ||||||||||||||||||||||||||
Portál: Energie |