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électricité
Représentation du mouvement de charges électriques positives (+) ou négative (-) (typiquement électrons) Dans un conducteur. Classiquement, la direction du courant est celui des charges positives, et donc opposée à la direction du mouvement des électrons.

en physique et génie électrique la courant électrique Il est un changement global, qui est tout mouvement ordonné de charges électriques, opérationnellement définie comme étant la quantité de charge électrique qui passe à travers une zone de surface par unité de temps.[1]

description

Avec le courant électrique doit faire avec des charges négatives, la électrons, circulant dans conducteurs solides, généralement métal. Dans d'autres cas, il se produit un déplacement de charge positive, tels que ions positif des solutions d'électrolyte. Étant donné que la direction des charges dépend du fait qu'ils soient positifs ou négatifs, il est défini comme la direction du courant conventionnel que la direction d'écoulement de charge positive. Cet accord est dû à Benjamin Franklin. Dans les applications pratiques, cependant, la direction du courant est importante pour le bon fonctionnement de des circuits électroniques, alors qu'il a moins d'importance dans des circuits électriques,.

L 'l'intensité du courant électrique, généralement indiquée par le symbole (a la majuscules), on suppose que quantité fondamentale en Système international (SI).[2] son unités de mesure est le 'ampère (A)[3] et de là il est dérivé de l'unité de mesure de la charge électrique, Coulomb, ce qui correspond à la charge électrique portée par un courant d'un ampère par unité de temps (1 C 1 = A × s).[4]

On peut mesurer le courant électrique directement avec l 'ampèremètre, mais cette méthode nécessite l'interruption du circuit, et peut parfois être un inconvénient. Le courant peut également être mesurée sans interruption du circuit, au moyen de la détection de champ magnétique généré par celui-ci. Les instruments utilisés à cet effet comprennent: capteurs effet hall, terminaux et bobines Rogowski.

Le courant électrique constitue une quantité physique d'une importance fondamentale dans la science la théorie des circuits, tous 'génie électrique et tout 'électronique ayant un grand nombre d'applications telles que le transport de énergie électrique et information moyens signaux en communications électriques. Lorsque le courant est utilisé pour la 'source de courant des dispositifs électriques est utilisé en deux modes possibles: courant continu, dont il a une intensité constante dans le temps et a une seule direction de Voyage, et courant alternatif, qui présente une intensité variant périodiquement dans le temps et ne pas avoir une seule direction de Voyage.

définition de travail

Considérons un conducteur de section à travers laquelle il y a un mouvement ordonné de charger. Il définit le courant électrique de la quantité de charge électrique que, dans l'intervalle de temps traverse la surface :[1]

Le courant électrique, tout en ayant une direction de Voyage, est une quantité scalaire, car il ne possède pas de direction.

Le mouvement des charges qui constitue le courant est obtenue par la génération d'un champ électrique dans le conducteur, dont l'intensité est directement proportionnelle à la force subie par les charges. L'existence d'un champ électrique dans le conducteur implique la présence d'un potentiel électrique: A examiné deux points du conducteur de courant porteur de la différence entre le potentiel respectif est appelé force électromotrice. Si dans le conducteur, il y a des charges électriques, la force électromotrice est directement proportionnelle à la différence entre l'énergie potentielle des charges dans les deux points. Le mouvement ordonné de charge est alors due au fait que les charges réduisent leur énergie potentielle en déplaçant du point A au point un plus grand potentiel pour abaisser le potentiel. Le champ électrique dans le conducteur effectue donc un travail sur des charges, la réalisation d'un transfert de puissance à partir du champ de charges en mouvement.[5] Ce travail est donné par:

La puissance développée par le champ électrique est alors:[6]

électricité
Schéma d'un circuit électrique dans lequel un ampèremètre (A) est inséré pour mesurer le courant circulant dans une branche du circuit.

Définition analytique

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: densité de courant électrique.

les deux la densité numérique des porteurs de charge à un moment, chacun d'eux charger . Les porteurs de charge se déplacent à une vitesse instantanée (en moyenne sur toutes les porteuses présentes à ce moment-là dans ce moment-là) , que vitesse de dérive, qui est parallèle ou antiparallèle à la direction du champ électrique et de plusieurs ordres de grandeur inférieure à la vitesse d'agitation thermique des particules individuelles.[7]. la densité de charge électrique à ce moment-là, il est:

La densité de courant en un point temps est le vecteur comme le produit de la densité de charge et de vitesse de dérive:[8]

La densité de courant a le même sens que la vitesse de dérive des porteurs de charge et vers qui dépend de la charge du véhicule lui-même: concordant avec la vitesse de dérive dans le cas de charge positive, discordante dans le cas de charge négative.

Le courant électrique passant à travers une surface (Par exemple, à travers la section d'un conducteur) est la flux à travers la surface de la densité de courant électrique:[8]

où la surface du support doit former la surface et le vecteur unitaire normal à la surface. De toute évidence, il est un paramètre global qui ne dépend pas de la position, mais seulement par le temps. Ainsi, dans les tailles d'origine:

Cette définition est d'accord avec la définition opérationnelle: la charge a coulé à travers une surface dans l'intervalle de temps est en fait:

équation de continuité

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Loi de conservation de la charge électrique et équation de continuité.

La loi de conservation de la charge électrique est exprimée par l'équation de continuité pour la charge électrique, et indique que la charge qui circule à travers une surface fermée est la même quantité de charge qui entre ou sort du volume délimitée par la surface . Le montant de la charge qui entre ou sort du volume Il est fourni par la dérivée temporelle de l'intégrale sur toutes la densité de charge , et la loi de conservation est alors exprimé en disant que le flux de densité de courant l'électricité à travers la surface fermée Il est égal à:[9][10]

Le débit, qui est le courant électrique passant à travers la section, elle est donnée par:

et l'utilisation de théorème de divergence vous obtenez:

où:

Assimilant l'intégrand On obtient ainsi l'équation de continuité pour la charge électrique en forme locale:

Dans le cas stationnaire, la charge est conservée dans le temps:

et cela implique:

En régime permanent, par conséquent, la densité de porteurs de courant constitue un champ vectoriel solénoïdal. Du point de vue physique, cela signifie que l'écoulement de la densité de courant est constante, et donc le courant électrique à travers une section du conducteur est toujours le même, quelle que soit la section considérée.[9] Ce fait est connu sous le nom avant Les lois de Kirchhoff.[11]

Drift vitesse

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Drift vitesse.

dans un conducteur DC trajet de courant à partir du champ électrique se propage à une vitesse proche de celle de la lumière, qui correspond à la vitesse à laquelle il est transporté à l'information associée à la variation de courant électrique au fil du temps.[5] La vitesse de déplacement des positions commandés qui constituent le courant, cependant, est beaucoup plus faible. Cette vitesse est appelée la vitesse de dérive. Cela ne signifie pas que la vitesse réelle des positions individuelles est la même que la vitesse observable du mouvement global ladite dérive: On suppose que le mouvement global aussi une vitesse quadratique moyenne observable ladite agitation thermique (pas de direction étant donné qu'il est un scalaire) donc proportionnelle à température et lié à distribution de Maxwell-Boltzmann du rapport:

Il est la masse d'un électron, est le constante de Boltzmann et Il est la température ambiante. Ensuite, la vitesse d'agitation thermique est:

La vitesse de dérive peut plutôt être estimée à partir force de Coulomb tels que:

Il est la longueur moyenne du mouvement libre d'électrons (par exemple le mouvement entre deux collisions successives):

quand Il est le libre parcours moyen des électrons.

Par conséquent, même la densité de porteurs moyenne de charge est proportionnelle au champ électrique, en fait, son remplacement par l'expression de la vitesse de dérive:

où et est le conductivité électrique. Tel est le La loi d'Ohm dans sa formulation moderne.

Les courants électriques dans les solides circulent généralement très lentement, par exemple dans une section égale à 0,5 millimètres carrés de câble de cuivre avec un courant mesuré de 5 ampères la vitesse de dérive est de l'ordre d'un millimètre par seconde.

quatre-courant électrique

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: quatre cours.

en électrodynamique, le quatre-courant est un quadrivecteur défini comme suit:

est le vitesse de la lumière, la densité de charge l'électricité et son produit à la vitesse la densité de courant, tandis que indique la taille spatiotemporelle.

Le quatre-courant peut être exprimée en fonction de quadrivitesse tels que:[12][13]

où la densité de charge est mesurée par un observateur fixe qui voit le courant en mouvement, alors que Elle est mesurée par un observateur placé dans le système de référence dans le mouvement des particules chargées, qui se déplace à une vitesse égale à la norme de la composante spatiale de .

en relativité restreinte la loi de conservation de charge, qui, dans la limite de non-relativistes est exprimée par l'équation de continuité, prend la forme de tenseurs suivante:[14]

est le quatre gradient, donnée par:

en relativité générale le quatre-courant est définie comme étant la divergence le vecteur de déplacement électromagnétique, donnée par:

Risque du courant

Le seuil de perception de l'homme courant électrique est d'environ 0,5 mA courant alternatif à fréquence industrielle (f = 50 ÷ 60 Hz) et 2 mA en courant continu, et il doit tenir compte du fait que l'effet d'un courant électrique donné varie non seulement par l'intensité, mais aussi pour toute la durée du voyage. La tension ne concerne pas les effets sur l'homme, mais nécessite une tension minimale à franchir par le courant: cela signifie que moins d'environ 50 V ne prend pas de risques, alors qu'au-dessus de la tension est hors de propos et les effets ne dépendent que de ' l'intensité du courant.

Avec une intensité plus courant à celles qui sont spécifiées dans le corps humain produira les effets suivants:

  • tétanisation musculaireLes muscles soumis à un courant alternatif soumis à une séquence de stimuli électriques. A défaut de se contracter et se détendre avec le taux actuel, les muscles sont contractés de façon permanente. Cette circonstance est particulièrement grave quand un objet de tension est saisi, depuis la tétanisation des muscles paralysies lessivage. Le courant maximum pour lequel vous ne pouvez pas lâcher est appelé la version actuelle et environ 10 à 30 mA fréquence de puissance. arrête la contraction du muscle quand la fin du passage du courant.
  • Arrêt respiratoire: tétanisation musculaire respiratoire lorsqu'il contacte la région thoracique-poumon artificiel. elle implique hypoxie puis des lésions cérébrales après quelques minutes.
  • fibrillation ventriculaire: Un courant assez élevé (> 50 mA) qui intéresse la région thoracique alternance peut entraîner une perte de coordination du muscle cardiaque, de sorte que le cœur ne peut plus pomper le sang, causant des dommages à l'hypoxie et le cerveau.
  • arrêt du cœurSi le courant affecte la thorax, peut arrêter le cœur, provoquant une arrêt du cœur.
  • brûler: Ils ont été causés par une forte densité de courant électrique entre la tension de la peau et le conducteur qui, pour joule, Elle conduit à des températures élevées et est donc capable de provoquer des brûlures graves.

Il définit le seuil moyen du danger actuel:

est le courant dangereux et le temps de séjour. Il identifie la limite en dessous de laquelle le courant est perceptible mais pas dangereux. Au sommet de celui-ci le courant doit être considéré comme potentiellement dangereux.

Les paramètres de l'équation peuvent prendre, la fréquence du moteur:

En ce qui concerne les limites de tension, le corps humain a un comportement essentiellement résistif: la tension , ce qui correspond au courant dangereux, il est difficile de définir parce que la résistance du corps peut varier dans une gamme très large, en fonction de nombreux facteurs tels que les points de contact, l'extension de contact, la pression, l'épaisseur de la peau et son degré l'humidité. On suppose 2 \ k \ Omega} « />, pour cette raison, ils ne sont pas considérés comme des tensions sinusoïdales dangereuses avec valeur efficace U < 50 V e tensioni continue con U < 120 V, applicate per un tempo illimitato.

Une personne peut entrer en contact avec des parties sous tension, et donc souffrir des effets du passage du courant à travers contact direct ou contact indirect. Donc, pour éviter cela, vous devriez mettre en œuvre des contre-mesures imposées par la norme en vigueur (normes CEI).

protection contre les contacts directs Il se fait en empêchant les contacts accidentels avec des parties sous tension:

  • isolation des parties actives avec une matière isolante non amovible,
  • des boîtiers ou des obstacles tels que pour éviter tout contact avec les pièces sous tension,
  • obstacles ou entretoises,
  • disjoncteurs différentiels sensibilité élevée, avec des courants différentiels de seuil est ≤30 mA

protection contre les contacts indirects Il est réalisé de la manière suivante:

  • échouage des masses,
  • cut-through automatique de la puissance disjoncteurs différentiels,
  • Matériel d'isolation double
  • séparation électrique

Résumé aperçu des effets actuels des temps de contact prolongé:

évaluations actuelles définition effets
1-3 mA PERCEPTION DE SEUIL Il n'y a aucun risque ou danger pour la santé.
3-10 mA ELECTRIFICATION Elle produit une sensation de picotement plus ou moins forte et peut provoquer des mouvements réflexes.
10 mA tétanisation Vous avez des contractions musculaires. Si la partie en direct a été saisi avec la main, vous pouvez avoir une paralysie des muscles, ce qui rend difficile à libérer.
25 mA PROBLÈMES RESPIRATOIRES Nous avons en raison de la contraction des muscles impliqués dans la respiration et la circulation du courant vers les centres nerveux qui contrôlent la fonction respiratoire.
25-30 mA ASPHYXIE Le tétanisation des muscles respiratoires, peut être suffisante pour provoquer la mort par asphyxie.
60-75 mA FIBRILLATION Si le courant à travers le cœur peut dégrader le bon fonctionnement, ce qui provoque une contraction irrégulière et désordonnée des fibres cardiaques qui peuvent conduire à la mort.

notes

  1. ^ à b Mencuccini, Silvestrini, Pg 169.
  2. ^ (FR) UICPA Livre d'or, « courant électrique »
  3. ^ (FR) UICPA Livre d'or, « ampère »
  4. ^ (FR) UICPA Livre d'or, « Coulomb »
  5. ^ à b Mencuccini, Silvestrini, Pg 170.
  6. ^ Mencuccini, Silvestrini, Pg 171.
  7. ^ Mencuccini, Silvestrini, Pg 172.
  8. ^ à b Mencuccini, Silvestrini, Pg 173.
  9. ^ à b Mencuccini, Silvestrini, Pg 176.
  10. ^ Mencuccini, Silvestrini, Pg 175.
  11. ^ Mencuccini, Silvestrini, Pg 177.
  12. ^ Roald K. Wangsness, champs électromagnétiques, 2e édition (1986), p. 518, 519
  13. ^ Melvin Schwartz, Principes de l'électrodynamique, édition Dover (1987), p. 122, 123
  14. ^ Jackson, Pg 554.

bibliographie

  • Corrado Mencuccini, Vittorio Silvestrini, Physique II, Napoli, Liguori Editore, 2010 ISBN 978-88-207-1633-2.
  • (FR) John D Jackson, électrodynamique classique, 3e édition, Wiley, 1999 ISBN 0-471-30932-X.

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