Elektrisk strøm

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Elektrisk strøm , ofte bare strøm , er et fysisk fænomen i elektricitetsteorien . I den daglige betydning af udtrykket betyder det transport af elektriske ladningsbærere , for eksempel elektroner i ledere eller halvledere eller ioner i elektrolytter . Denne form for flow er også kendt som konvektionsstrøm . Som beskrevet af Amperes lov bliver det mærkbart gennem et magnetfelt og fører normalt til en opvarmning af lederen. En strøm strømmer i et elektrisk kredsløb, så snart der er en ledende forbindelse mellem kildens forbindelser .

Desuden tælles forskydningsstrømmen som en elektrisk strøm. Dette er ikke forårsaget af ladningers bevægelse, men af ​​ændringer i strømmen af et elektrisk felt . Han forekommer z. B. mellem pladerne på en kondensator ved læsning eller losning og genererer et magnetfelt ligesom konvektionsstrømmen.

Den fysiske mængde, der måler den elektriske strøm, er den elektriske strømstyrke . Dette er dit standardiserede symbol [1] og deres juridiske enhed er ampere .

historie

Thales fra Milet siges at have været i det 6. århundrede f.Kr. Opdagede, at rav tiltrækker lette kroppe, når det gnides med klude på forhånd. Selvom han ikke kunne finde en forklaring på dette, peger ordet elektricitet (fra det græske "elektron" for "rav") stadig tilbage på denne gamle opdagelse.

Den tekniske brug af elektricitet begyndte i midten af ​​1800 -tallet med telegrafi og galvanisering . Batterier havde oprindeligt tilstrækkelig strøm til begge applikationer. Werner von Siemens opdagede det dynamo-elektriske princip omkring 1866 og brugte det i udviklingen af ​​den første elektriske generator , som han var i stand til at markedsføre som en tændingsmaskine til antændelse af eksplosive ladninger . Fra 1880 udviklede disse generatorer sig mere og mere til store maskiner for at kunne tilfredsstille elbehovet i de stadigt voksende elnet. Primært blev disse netværk brugt til at levere elektrisk strøm til belysning med lysbue og glødelamper i offentligheden og de første private husstande. En anden anvendelse af elektrisk strøm var dens anvendelse i fyrtårne, da buelampen har en meget højere lysintensitet end de tidligere anvendte stearinlys eller petroleumslamper. Som et resultat blev de første kraftværker bygget , som oprindeligt blev drevet af simple vandmøller og dampmaskiner . Højtydende dampturbiner har været tilgængelige siden begyndelsen af ​​det 20. århundrede og har været brugt som primære motorer i elproduktion indtil i dag.

I de sidste år af 1800-tallet, efter den såkaldte nuværende krig, blev beslutningen truffet mellem jævnstrøm og vekselstrømssystemer til fordel for vekselstrøm.

Formelsymbol

Det sædvanlige symbol for elektricitet er , der kommer fra det franske udtryk "intensité du courant" ("nuværende styrke"). [2] [3] Symbolet blev allerede brugt af André-Marie Ampère , efter hvem enheden for elektrisk strømstyrke er opkaldt, når han formulerede Ampères lov (1820). [4]

Fysiske forhold

Den fysiske mængde strømstyrke bruges til kvantitative oplysninger om elektrisk strøm .

Åens oprindelse

Elektrisk strøm kan genereres på forskellige måder:

Forholdet til den elektriske spænding

Hvis der - for eksempel mellem et batteris poler - er en potentiel forskel , betegnes det som en elektrisk spænding. På grund af det daværende eksisterende elektriske felt udøves en kraft på ladningsbærerne; de oplever en acceleration, når de er mobile. Dette sker for eksempel, når en glødelampe er forbundet til polerne med metaltråde. Ladebærernes driftshastighed under denne styrede bevægelse opstår i samspillet med spredningsprocesser. Strømtætheden kan beregnes ved at gange driftshastigheden med rumladningstætheden .

Kredsløb med spændingskilde: strømintensitet

Trods accelerationen, har afdrift nuværende ikke stige vilkårligt; ved en given spænding der er en begrænset strømstyrke på. Denne observation foretages med en elektrisk modstand forklaret. Det er defineret af forholdet

.

I mange ledermaterialer er strømstyrken ved konstant temperatur proportional med spændingen. I dette tilfælde kaldes forholdet Ohms lov , hvor proportionalitetsfaktoren er uafhængig af spænding og strøm.

I et kredsløb med en spændingskilde bestemmer dens faste elektriske spænding og modstand den specifikke strømstyrke. På den anden side, når en strømkilde bruges, opbygger dens faste strømstyrke den specifikke spænding ved modstanden. I praksis forekommer spændingskilder imidlertid meget hyppigere end strømkilder, f.eks. I strømforsyninger, hvorfor den specifikke værdi af den elektriske strømstyrke afhænger af forbrugeren (mere præcist: dens modstand).

El -ledning i metaller

I metaller er nogle af elektronerne, de såkaldte ledningselektroner, ikke bundet til et specifikt atom, men 'tilhører' alle atomer i fællesskab, se metallisk binding . Ifølge Drude -modellen er metallers ledningsevne proportional med antallet af ledningselektroner og deres mobilitet. Båndmodellen er mere realistisk.

Ionleder

Transporten af ​​elektricitet i en ionleder er forbundet med en materialetransport af mobile, elektrisk positivt eller negativt ladede atomer eller molekyler (dvs. ioner ). Dette adskiller disse ledere fra førsteklasses ledere, såsom de metaller, hvori elektronerne bærer den elektriske strøm. Ioniserede gasser og elektrisk ledende væsker er særligt velegnede som ionledere. Disse ionledere kaldes elektrolytter eller plasma . Faste legemer kan også være ionledere, se fast elektrolyt .

For ionledere i modsætning til metaller resulterer jævnstrøm normalt i en materiel ændring i den elektriske leder. Denne effekt bruges i elektrolyse . Sådanne kemiske processer kan ændre lederens beskaffenhed på en sådan måde, at den elektrolytiske ledningsevne gradvist ændres. Hvis en sådan materialetransport er uønsket (f.eks. Ved gasudladning), kan den i høj grad forhindres ved vekselstrøm.

Effekter af strømmen

Forekomsten af ​​en elektrisk strøm manifesterer sig gennem følgende effekter: [5]

Tekniske typer af strømme

Jævnstrøm

Som en jævnstrøm ( engelsk jævnstrøm, forkortet DC) er kendt, at elektrisk strøm over tid ikke ændres i retning og styrke, og derfor er konstant over tid.

Næsten alle elektroniske enheder i husstanden, f.eks. Radio- og fjernsynsmodtagere, computere eller betjeningerne i nutidens vaskemaskiner kræver jævnstrøm til deres strømforsyning. Jævnstrømme anvendes også i Power Engineering , for eksempel i fused- salt elektrolyse aluminiumfremstilling, for speed-styrbar jævnstrømskøleskabe motorer (nu i stigende grad erstattet af omformere og asynkrone motorer ), som et mellemprodukt kredsløb i omformere, i transmissionssystemer og i køretøjets elektriske systemer .

Jævnstrøm kan opnås fra vekselstrøm ved hjælp af ensrettere . Disse bruges derfor, hvor der er behov for jævnstrøm, men kun vekselstrømmen i det offentlige elnet er tilgængelig. Sjældent, fordi det er betydeligt dyrere, bruges der også direkte DC -kilder, f.eks B. galvaniske celler og fotovoltaiske celler . Nysgerrige specialtilfælde uden teknisk betydning er elektriske maskiner, der kan producere jævnstrøm uden ensretter ved hjælp af unipolar induktion .

Vekselstrøm

I vekselstrøm ( engelsk vekselstrøm, forkortet AC) er der en periodisk ændring i strømretningen . Hver periode består af successive tidsintervaller med positive og negative øjeblikkelige værdier, som udgør en gennemsnitlig strømstyrke på nul. Den afgørende faktor for succes med vekselstrøm til energitransport var, at spændingen meget let kan ændres ved hjælp af transformere . Alle offentlige strømforsyningsnet drives med vekselstrøm - i Europa og mange andre lande med en netfrekvens på 50 Hz, i andre dele af verden 60 Hz, se landsoversigt over stikstyper, netspændinger og frekvenser .

En særlig form for vekselstrøm er trefaset vekselstrøm (i daglig tale høj, trefaset eller strøm), da den bruges i offentlige strømnet til elektrisk strømfordeling af høje output. Denne type strøm muliggør særligt enkle og robuste elmotorer .

Flere eksempler på vekselstrøm

Blandet flow

Ovenfor: jævnstrøm som defineret, delvist illustreret som "ren jævnstrøm";
herunder: blandet strøm fra udbedring, undertiden omtalt som "pulserende jævnstrøm"

En kombination af vekselstrøm og jævnstrøm kaldes blandet strøm. Dette fører ikke nødvendigvis til en ændring i retningen af ​​den blandede strøm, men den konstante strømkomponent ændres periodisk i sin styrke af den yderligere påførte vekselstrøm (pulserende jævnstrøm). Denne blandede strøm forekommer f.eks. I ensrettere og udglattes med udjævningskondensatorer eller udjævningsknapper i strømforsyninger . Den resterende (for det meste uønskede) vekselkomponent omtales som resterende krusning , som er koblet med en krusningsspænding .

Flere eksempler på blandet flow

Imponeret strøm

Vi taler om en imponeret strøm, hvis strømstyrken er uafhængig af værdien af belastningsmodstanden over et bredt område. Dette kan være jævnstrøm eller vekselstrøm af enhver frekvens og bølgeform.

Såkaldte laboratorieforsyninger har både en justerbar begrænsning af udgangsspændingen og en justerbar begrænsning af udgangsstrømintensiteten og har således en rektangulær karakteristik. Hvilken af ​​de to grænser, der nås, afhænger af belastningens størrelse. Hvis grænserne f.eks. Er sat til 30 V og 1,0 A, nås spændingsgrænsen ved en belastningsmodstand på over 30 Ω (op til ingen belastning). Hvis modstanden ændres inden for det angivne område, ændres kun strømstyrken i overensstemmelse hermed. Den spænding, der forbliver uændret herfra, kaldes den imponerede spænding . Med en belastningsmodstand på mindre end 30 Ω (op til kortslutningen) nås strømgrænsen. Hvis modstanden ændres inden for det angivne område, ændres kun spændingen, som justerer til værdier under 30 V, mens strømmen, der flyder uændret trods ændringen i belastning, repræsenterer en imponeret strøm .

Elektrisk strøm i hverdagen

Elektrisk strøm bruges i hverdagen og i husstanden til at levere energi til talrige elektroniske , elektriske og elektromekaniske enheder og systemer i alle størrelser, fra armbåndsure til elevatorer, for eksempel. Typisk leveres det til små enheder direkte fra et batteri, der er indsat i enheden; for store enheder leveres det via elnettet fra et elselskab . I de industrialiserede lande er hele denne energiforms liv gennemsyret og transformeret.

Strømforbrug

Det almene udtryk "forbruge elektricitet" er ligesom udtrykket " energiforbrug " fysisk forkert. Fordi på grund af ladningsretentionen strømmer præcis den strøm, der strømmer ind i en enhed ud igen - forudsat at der ikke er lagret elektriske ladninger i enheden. Elektricitetsforbrug refererer normalt til den elektriske energi, der omdannes af en elektrisk komponent, kredsløb eller enhed, ofte beregnet pr. Periode, dvs. den elektriske effekt .

Virkninger af elektrisk strøm på mennesker

Skader forårsaget af elektrisk strøm kan skyldes excitation af elektrisk stimulerbare strukturer i nerve- og muskelvæv eller konsekvenserne af den mulige varmegenerering, når de udsættes for strøm. [6]

Selvom strømstyrken pr. Område - dvs. den elektriske strømtæthed - og dens varighed er ansvarlig for virkningerne af en elektrisk ulykke, er spændingen ofte specificeret som en kilde til fare, da strømstyrken eller strømtætheden i kroppen kan beregnes ved hjælp af Ohms lov om kropsmodstand . [7] Den elektriske strømnings vej (for eksempel højre hånd - fod) er afgørende for farlighed ved spændingen, med en kortere vej som bryst - ryg, lavere spændinger kan være livstruende. Desuden giver spændingsniveauet information om den krævede minimumsafstand til bare, ikke-isolerede højspændingsledninger.

Elektriske vekselstrømme i netfrekvensområdet er mærkbare for den menneskelige organisme fra 0,5 mA og ved højere strømme over 10 mA, som virker i mere end 2 sekunder, farlige, muligvis endda dødelige for børn. [8] Direkte strømme er mærkbare fra 2 mA og fra 25 mA, som virker i længere tid end 2 s, farligt. [9] Man taler derefter om et elektrisk stød .

Disse og de følgende værdier gælder dog kun, hvis strømmen fordeles i kroppen via kropsmodstanden og ikke f.eks. B. fokuseret på hjertemusklen ; Meget lavere værdier gælder for elektroder under huden. Ved intensive medicinske indgreb direkte på hjertet eller hjertemusklen kan signifikant lavere strømme også udløse ventrikelflimren . [10]

Følgende tabel viser farerne ved vekselstrøm fra 50–60 Hz: [11]

Strømstyrke varighed fysiologiske virkninger
under 0,5 mA så længe du vil Opfattelighedstærskel: Under denne værdi er elektriske vekselstrømme umærkelige for mennesker.
under 10 mA over 2 sek Der er generelt ingen patofysiologiske virkninger.
under 200 mA under 10 ms
under 100 mA over 500 ms Stærke ufrivillige muskelreaktioner, som kan føre til permanent skade.
under 1 A under 200 ms
over 100 mA over 500 ms Ud over stærke ufrivillige muskelreaktioner, som kan føre til permanent skade, opstår der ventrikelflimren med en sandsynlighed på over 1%.
over 1 A. under 200 ms

I elektriske energiforsyningsnet og frem for alt i områder og systemer, der drives med højspænding , såsom transformerstationer , luftledninger , men også luftledninger til jernbaner, opstår der også elektriske ulykker på grund af spændingsoverslag og buer . Elektricitetsulykker, der involverer elektriske buer, er næsten uden undtagelse også forbundet med forbrændinger , og brandsåret producerer normalt giftige forbrændingsprodukter.

Desuden fører højspændingsulykker (med tilstrækkelig strømstyrke) til hjerte- og kredsløbsstop oftere og hurtigere. [12]

Elektrostatisk udladning kan skade eller dræbe mennesker. Især under tordenvejr er der risiko for at blive ramt direkte af lyn . Strømmene spænder fra omkring 2 kA til over 100 kA. Udladningstiden er normalt et par 100 μs. På grund af den stejle den flanke af lynstrømmen, hud virkninger forekomme, hvis konsekvenser kan variere fra fuldstændig intakt til alvorlige forbrændinger på kropsoverfladen med fatale konsekvenser. En anden effekt er forekomsten af ​​høje kontaktspændinger på grund af lynnedslag i nærheden.

Elektrisk strøm i naturen

Ud over civilisationen forekommer elektrisk strøm blandt andre:

Se også

litteratur

  • Karl Küpfmüller, Wolfgang Mathis, Albrecht Reibiger: Teoretisk elektroteknik og elektronik . 19. udgave. Springer-Vieweg, Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-37939-0 .
  • Heinrich Frohne, Karl-Heinz Locher, Hans Müller, Thomas Marienhausen, Dieter Schwarzenau: Moeller basics of elektroteknik . 23. udgave. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-8348-1785-3 .

Weblinks

Wikibooks: Den elektriske strøm - egenskaber og effekter - lærings- og undervisningsmateriale

Individuelle beviser

  1. DIN EN 80000-6 / IEC 80000-6: 2008
  2. TL Lowe, John Rounce: Beregninger for A-niveau fysik, p 2, Nelson Thornes, 2002, ISBN 0-7487-6748-7
  3. ^ Howard M. Berlin, Frank C. Getz: Principper for elektronisk instrumentering og måling , s. 37, Merrill Pub. Co., 1988, ISBN 0-675-20449-6 .
  4. ^ André-Marie Ampère: Recueil d'Observations Électro-dynamiques , s. 56, Paris: Chez Crochard Libraire 1822 (på fransk).
  5. ^ Rudolph Hopp: Grundlaget for kemisk teknologi: til praksis og faglig uddannelse. Wiley-VCH, 4. udgave, 2001, s. 708
  6. ^ H. Schubothe: Beskadigelse af elektrisk strøm (tekniske strømme, lynnedslag). I: Ludwig Heilmeyer (red.): Lærebog i intern medicin. Springer-Verlag, Berlin / Göttingen / Heidelberg 1955; 2. udgave, ibid. 1961, s. 1179-1182.
  7. Akut pleje af elektriske ulykker. (Ikke længere tilgængelig online.) I: www.springermedizin.at. Arkiveret fra originalen den 13. september 2016 ; adgang til den 3. september 2016 .
  8. Ekspert: 0,1 ampere kan være dødbringende. Mitteldeutsche Zeitung , adgang 1. september 2016 .
  9. IEC-rapport 60479-1 (red.): Strømens virkninger på mennesker og husdyr . 3. Udgave. IEC, Genève 1994.
  10. Ved direkte kontakt med hjertet fører 0,01 mA til ventrikelflimren - med en sandsynlighed på 0,2% ... Se Norbert Leitgeb: Sikkerhed ved medicinsk udstyr: Lov - Risiko - Muligheder . Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-662-44657-7 , s.   174–176 ( begrænset eksempel i Google Bogsøgning [åbnet 8. juli 2016]).
  11. ↑ i henhold til 2007-05 DIN IEC / TS 60479-1: Virkninger af elektrisk strøm på mennesker og husdyr-Del 1: Generelle aspekter-(IEC / TS 60479-1: 2005 + Rettelse oktober 2006)
  12. Klaus Ellinger, Peter-Michael Osswald, Konrad Stange: Redningstjenestens kvalifikationer: Ledsagende bog til det landsdækkende kursus . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-58860-0 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning [adgang 1. juni 2016]).
  13. http://www.as-hu.de/pdfs/Wirbeltiere.pdf
  14. Biokemi - cellebiologi . Georg Thieme Verlag, 2008, ISBN 978-3-13-151991-7 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning [adgang 9. juni 2016]).
  15. ^ Bioelektricitet - Lexikon for biologi. I: Spektrum.de. Hentet 9. juni 2016 .