Listrik

Apa itu arus listrik

Listrik - gerakan terarah dari partikel bermuatan listrik di bawah tumbukan Medan listrik... Partikel semacam itu dapat berupa: dalam konduktor - elektron, dalam elektrolit - ion (kation dan anion), dalam semikonduktor - elektron dan yang disebut "lubang" ("konduktivitas lubang elektron"). Ada juga "arus bias", yang alirannya disebabkan oleh proses pengisian kapasitansi, yaitu dari perubahan beda potensial antara pelat. Tidak ada gerakan partikel yang terjadi di antara pelat, tetapi arus mengalir melalui kapasitor.

Dalam teori rangkaian listrik, arus dianggap sebagai pergerakan terarah dari pembawa muatan dalam media konduktif di bawah aksi medan listrik.

Arus konduksi (arus saja) dalam teori rangkaian listrik adalah jumlah listrik yang mengalir per satuan waktu melalui penampang kabel: i = q /T, di mana i — arus. A; q = 1,6·109 — muatan elektron, С; t — waktu, s.

Ungkapan ini berlaku untuk sirkuit DC. Untuk sirkuit arus bolak-balik, yang disebut Nilai arus sesaat sama dengan laju perubahan muatan dari waktu ke waktu: i (t) = dq /dt.

Kondisi pertama untuk keberadaan jangka panjang dari jenis arus listrik yang dipertimbangkan adalah adanya sumber atau generator yang mempertahankan perbedaan potensial antara pembawa muatan. Kondisi kedua adalah penutupan jalan. Secara khusus, agar arus searah ada, perlu ada jalur tertutup di mana muatan dapat bergerak di sirkuit tanpa mengubah nilainya.

Seperti yang Anda ketahui, sesuai dengan hukum kekekalan muatan listrik, muatan listrik tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Oleh karena itu, jika setiap volume ruang di mana aliran arus listrik dikelilingi oleh permukaan tertutup, arus yang mengalir di volume tersebut harus sama dengan arus yang mengalir keluar darinya.

Lebih lanjut tentang ini: Syarat adanya arus listrik

Jalur tertutup yang dilalui arus listrik disebut rangkaian listrik atau rangkaian listrik. Sirkuit listrik — dibagi menjadi dua bagian: bagian dalam, di mana partikel bermuatan listrik bergerak melawan arah gaya elektrostatis, dan bagian luar, di mana partikel-partikel ini bergerak ke arah gaya elektrostatis. Ujung elektroda yang terhubung dengan sirkuit eksternal disebut klem.

Jadi, arus listrik terjadi ketika medan listrik muncul pada bagian rangkaian listrik, atau perbedaan potensial antara dua titik pada sebuah kawat. Beda potensial antara dua titik sirkuit listrik disebut tegangan atau penurunan tegangan di bagian sirkuit itu.

Alih-alih istilah "arus" ("kuantitas saat ini"), istilah "kekuatan arus" sering digunakan.Namun, yang terakhir tidak dapat disebut berhasil, karena kekuatan saat ini bukanlah gaya apa pun dalam arti harfiah dari kata tersebut, tetapi hanya intensitas pergerakan muatan listrik dalam konduktor, jumlah listrik yang melewati per satuan waktu melalui lintas- luas penampang konduktor.
Arus dicirikan arus listrik, yang dalam sistem SI diukur dalam ampere (A), dan kerapatan arus, yang dalam sistem SI diukur dalam ampere per meter persegi.

Satu ampere sesuai dengan pergerakan melalui penampang kabel dalam satu detik (s) muatan listrik sebesar satu coulomb (C):

1A = 1C / dtk.

Dalam kasus umum, menunjukkan arus dengan huruf i dan muatan q, kita mendapatkan:

i = dq / dt.

Satuan arus disebut ampere (A).

Ampere (A) - kekuatan arus searah yang, ketika melewati dua konduktor lurus paralel dengan panjang tak terbatas dan penampang yang dapat diabaikan, terletak di ruang hampa pada jarak 1 m dari satu sama lain, menciptakan antara konduktor ini 2·10 -7 H untuk setiap meter panjangnya .

Arus dalam kawat adalah 1 A jika muatan listrik sama dengan 1 coulomb melewati penampang kawat dalam 1 s.

Beras. 1. Gerakan elektron terarah dalam konduktor

Jika tegangan bekerja pada kabel, maka medan listrik muncul di dalam kabel. Dengan kekuatan medan E, gaya f = Ee bekerja pada elektron bermuatan e. Besaran e dan E adalah besaran vektor. Selama jalur bebas, elektron memperoleh gerakan terarah bersama dengan gerakan kacau. Setiap elektron memiliki muatan negatif dan menerima komponen kecepatan yang berlawanan dengan vektor E (Gbr. 1). Gerakan teratur, yang dicirikan oleh kecepatan rata-rata elektron vcp tertentu, menentukan aliran arus listrik.

Elektron dapat mengarahkan gerak dalam gas yang dijernihkan. Dalam elektrolit dan gas terionisasi, arus terutama disebabkan oleh pergerakan ion. Konsisten dengan fakta bahwa ion bermuatan positif bergerak dari kutub positif ke kutub negatif dalam elektrolit, secara historis arah arus dianggap berlawanan dengan arah aliran elektron.

Arah arus diambil sebagai arah pergerakan partikel bermuatan positif, yaitu arah berlawanan dengan gerakan elektron.
Dalam teori rangkaian listrik, arah arus dalam rangkaian pasif (di luar sumber energi) diambil sebagai arah pergerakan partikel bermuatan positif dari potensial yang lebih tinggi ke potensial yang lebih rendah. Arah ini diambil pada awal perkembangan teknik kelistrikan dan bertentangan dengan arah pergerakan pembawa muatan yang sebenarnya - elektron bergerak dalam media konduktif dari minus ke plus.

Arah arus listrik dalam elektrolit dan elektron bebas dalam konduktor

Kuantitas yang sama dengan rasio arus terhadap luas penampang S disebut kerapatan arus: I / S

Dalam hal ini, diasumsikan bahwa arus terdistribusi secara merata pada penampang kabel. Kepadatan arus dalam kabel biasanya diukur dalam A / mm2.

Menurut jenis pembawa muatan listrik dan media pergerakannya, mereka dibagi menjadi arus konduktif dan arus perpindahan... Konduktivitas dibagi menjadi elektronik dan ionik. Untuk mode stasioner, dua jenis arus dibedakan: langsung dan bolak-balik.

Perpindahan sengatan listrik disebut fenomena perpindahan muatan listrik dari partikel bermuatan atau benda yang bergerak di ruang bebas.Jenis utama transfer arus listrik adalah pergerakan dalam rongga partikel bermuatan elementer (pergerakan elektron bebas dalam tabung elektron), pergerakan ion bebas dalam perangkat pelepasan gas.

Arus perpindahan (arus polarisasi) disebut gerakan teratur dari pembawa muatan listrik terkait. Jenis arus ini dapat diamati dalam dielektrik.

Arus listrik total — nilai skalar yang sama dengan jumlah arus konduksi listrik, arus transfer listrik, dan arus perpindahan listrik melalui permukaan yang ditinjau.

Konstan disebut arus yang dapat berubah besarnya, tetapi tidak mengubah tandanya untuk waktu yang lama. Baca selengkapnya di sini: DC

Arus magnetisasi — arus mikroskopis (ampere) konstan, yang merupakan alasan adanya medan magnet intrinsik dari zat magnet.

Variabel yang disebut arus yang berubah secara berkala baik dalam besaran maupun tanda. Kuantitas yang mencirikan arus bolak-balik adalah frekuensi (dalam sistem SI diukur dalam hertz), jika kekuatannya berubah secara berkala.

Arus bolak-balik frekuensi tinggi digeser di atas permukaan kawat. Arus frekuensi tinggi digunakan dalam teknik mesin untuk perlakuan panas pada permukaan bagian dan pengelasan, dalam metalurgi untuk peleburan logam. Arus bolak-balik dibagi menjadi sinusoidal dan non-sinusoidal… Arus sinusoidal adalah arus yang berubah menurut hukum harmonik:

i = sin wt,

di mana saya, - puncak (tertinggi) nilai arus, Ah,

Laju perubahan arus bolak-balik dicirikan olehnya frekuensi, didefinisikan sebagai jumlah osilasi berulang lengkap per satuan waktu.Frekuensi dilambangkan dengan huruf f dan diukur dalam hertz (Hz). Jadi frekuensi arus utama 50 Hz sesuai dengan 50 osilasi lengkap per detik. Frekuensi sudut w adalah laju perubahan arus dalam radian per detik dan berhubungan dengan frekuensi dengan hubungan sederhana:

w = 2pi f

Nilai stasioner (tetap) dari arus searah dan bolak-balik berarti dengan huruf kapital I nilai non-stasioner (instan) - dengan huruf i. Biasanya arah arus positif adalah arah pergerakan muatan positif.

Arus bolak-balik Ini adalah arus yang berubah menurut hukum sinusoidal dari waktu ke waktu.

Arus bolak-balik juga berarti arus dalam jaringan fase tunggal dan tiga fase konvensional. Dalam hal ini, parameter arus bolak-balik berubah sesuai dengan hukum harmonik.

Karena arus AC berubah dari waktu ke waktu, solusi sederhana yang cocok untuk sirkuit DC tidak dapat diterapkan secara langsung di sini. Pada frekuensi yang sangat tinggi, muatan dapat berosilasi—mengalir dari satu tempat di sirkuit ke tempat lain dan kembali lagi. Dalam hal ini, tidak seperti rangkaian DC, arus pada kabel yang terhubung seri bisa tidak sama.

Kapasitansi hadir di sirkuit AC meningkatkan efek ini. Selain itu, ketika arus berubah, efek induksi sendiri dirasakan, yang menjadi signifikan bahkan pada frekuensi rendah jika digunakan kumparan induktansi tinggi.

Pada frekuensi yang relatif rendah, rangkaian AC masih dapat dihitung menggunakan aturan Kirchhoffyang, bagaimanapun, harus diubah sebagaimana mestinya.

Rangkaian yang berisi berbagai resistor, induktor, dan kapasitor dapat dianggap sebagai resistor umum, kapasitor, dan induktor yang dihubungkan secara seri.

Pertimbangkan sifat-sifat rangkaian yang terhubung ke generator arus bolak-balik sinusoidal. Untuk merumuskan aturan untuk menghitung rangkaian bolak-balik, Anda perlu menemukan hubungan antara penurunan tegangan dan arus untuk masing-masing komponen dari rangkaian tersebut.

Kondensator memainkan peran yang sama sekali berbeda di sirkuit AC dan DC. Jika, misalnya, sel elektrokimia dihubungkan ke sirkuit, maka kapasitor akan mulai mengisi dayasampai tegangan di dalamnya menjadi sama dengan ggl elemen. Kemudian pengisian akan berhenti dan arus akan turun menjadi nol.

Jika sirkuit dihubungkan ke alternator, maka dalam satu setengah siklus, elektron akan mengalir dari pelat kiri kapasitor dan menumpuk di kanan, dan di sisi lain - sebaliknya.

Elektron yang bergerak ini merupakan arus bolak-balik yang kekuatannya sama di kedua sisi kapasitor. Selama frekuensi AC tidak terlalu tinggi, arus yang melalui resistor dan induktor juga sama.

Pada perangkat yang mengkonsumsi arus bolak-balik, arus bolak-balik sering diperbaiki penyearah untuk mendapatkan arus searah.

Konduktor untuk arus listrik

Arus listrik dalam segala bentuknya merupakan fenomena kinetik, analog dengan aliran fluida dalam sistem hidrolik tertutup. Secara analogi, proses pergerakan arus disebut «aliran» (arus mengalir).

Bahan di mana arus mengalir disebut konduktor… Beberapa bahan masuk ke superkonduktivitas pada suhu rendah. Dalam keadaan ini, mereka hampir tidak menunjukkan hambatan terhadap arus, hambatannya cenderung nol.

Dalam semua kasus lain, konduktor menahan aliran arus, dan akibatnya, sebagian energi partikel listrik diubah menjadi panas.Ampere dapat dihitung dengan Hukum Ohm untuk penampang sirkuit dan hukum Ohm untuk seluruh sirkuit.

Kecepatan pergerakan partikel dalam kabel tergantung pada bahan kawat, massa dan muatan partikel, suhu lingkungan, beda potensial yang diterapkan dan jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya. Namun, kecepatan rambat arus listrik itu sendiri sama dengan kecepatan cahaya dalam medium tertentu, yaitu kecepatan rambat bagian depan gelombang elektromagnetik.

Bagaimana listrik mempengaruhi tubuh manusia

Arus yang melewati tubuh manusia atau hewan dapat menyebabkan luka bakar listrik, fibrilasi, atau kematian. Di sisi lain, arus listrik digunakan dalam perawatan intensif, untuk mengobati penyakit mental, terutama depresi, rangsangan listrik pada area otak tertentu digunakan untuk mengobati penyakit seperti penyakit Parkinson dan epilepsi, alat pacu jantung yang merangsang otot jantung dengan denyutan. saat ini digunakan untuk bradikardia. Pada manusia dan hewan, arus digunakan untuk mengirimkan impuls saraf.

Untuk alasan keamanan, arus reseptif minimum untuk seseorang adalah 1 mA. Arus menjadi berbahaya bagi kehidupan seseorang mulai dari kekuatan sekitar 0,01 A. Arus menjadi mematikan bagi seseorang mulai dari kekuatan sekitar 0,1 A. Tegangan kurang dari 42 V dianggap aman.