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Apa satuan SI dari arus listrik

Teknik elektro merupakan bidang teknik yang berhubungan dengan penelitian dan penerapan kelistrikan, elektronik dan elektromagnetisme. Bidang ini mencakup subtopik seperti daya, elektronik, sistem kontrol, pemrosesan sinyal dan telekomunikasi.

Arus listrik adalah aliran muatan listrik melalui media yang mudah menghantar. Dalam rangkaian listrik, muatan ini sering dibawa oleh elektron yang bergerak dalam sebuah kabel. Muatan ini juga dapat dibawa oleh ion dalam elektrolit, atau oleh ion dan elektron, seperti dalam plasma.

Satuan SI untuk mengukur laju aliran muatan listrik adalah ampere. Satuan ini dijabarkan dengan mengambil nilai numerik tetap dari muatan elementer e sebesar 1.602176634×10⁻¹⁹ ketika dinyatakan dalam satuan C, yang sama dengan A⋅s, di mana detik dijabarkan dalam ΔνCs.

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Catatan: Bilangan bulat (angka tanpa desimal atau eksponen) dianggap akurat hingga 15 digit dan jumlah digit maksimum setelah titik desimal adalah 10.

Dalam kalkulator ini, lambang E digunakan untuk mewakili angka yang terlalu kecil atau terlalu besar. Lambang E adalah format alternatif dari lambang ilmiah a • 10x. Misalnya: 1.103.000 = 1,103 • 106 = 1,103E+6. Di sini E (dari eksponen) mewakili “• 10^”, yaitu “kali sepuluh yang dinaikkan ke kekuatan ”. Lambang E umumnya digunakan dalam kalkulator dan oleh ilmuwan, matematikawan dan insinyur.

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Panjang dan JarakKonverter MassaVolume Kering dan Takaran Umum dalam MemasakKonverter LuasVolume and Common Cooking Measurement ConverterSuhuPressure, Stress, Young’s Modulus ConverterEnergy and Work ConverterPower ConverterForce ConverterKonverter WaktuKecepatan LinearKonverter SudutFuel Efficiency, Fuel Consumption, and Fuel Economy ConverterBilanganKonverter Satuan Informasi dan Penyimpanan DataNilai Tukar Mata UangPakaian dan Ukuran Sepatu WanitaPakaian Pria dan Ukuran SepatuKonverter Kecepatan Sudut dan Frekuensi PerputaranKonverter AkselerasiKonverter Percepatan SudutKonverter Massa JenisVolume KhususMoment of Inertia ConverterMoment of Force ConverterMomentumImpulseTorque ConverterSpecific Energy, Heat of Combustion (per Mass) ConverterSpecific energy, Heat of Combustion (per Volume) ConverterTemperature Interval ConverterKoefisien Konverter Muai PanasDaya Tahan TermalThermal Conductivity ConverterSpecific Heat Capacity ConverterHeat Density, Fire Load DensityHeat Flux Density ConverterHeat Transfer Coefficient ConverterKonverter Laju Aliran VolumetrikMass Flow Rate ConverterMolar Flow Rate ConverterMass Flux ConverterMolar Concentration ConverterMass Concentration in a Solution ConverterKonverter Viskositas Dinamis (Absolut)Kinematic Viscosity ConverterSurface Tension ConverterPermeation, Permeance, Water Vapor Permeability ConverterMoisture Vapor Transmission Rate ConverterSound Level ConverterMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLuminance ConverterLuminous Intensity ConverterIlluminance ConverterKonverter Resolusi Gambar DigitalFrequency and Wavelength ConverterOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) ConverterKonverter Muatan ListrikLinear Charge Density ConverterSurface Charge Density ConverterVolume Charge Density ConverterArus ListrikKerapatan Arus LinierRapat Arus PermukaanKuat Medan ListrikElectric Potential and Voltage ConverterElectrical Resistance ConverterElectrical Resistivity ConverterElectrical Conductance ConverterElectrical Conductivity ConverterKapasitansiInductance ConverterReactive AC Power ConverterKonverter Standar Ukuran Kabel Amerika (Bahasa Inggris: American Wire Gauge)Conversion of Levels in dBm, dBV, Watts and Other UnitsMagnetomotive Force ConverterMagnetic Field Strength ConverterMagnetic Flux ConverterMagnetic Flux Density ConverterRadiation Absorbed Dose Rate, Total Ionizing Radiation Dose Rate ConverterRadioactivity. Radioactive Decay ConverterRadiation Exposure ConverterRadiation. Absorbed Dose ConverterMetric Prefixes ConverterTransmisi DataTypography and Digital Imaging Units ConverterLumber Volume Measures ConverterMolar Mass CalculatorPeriodic Table

Battle of Chesma by Ivan Aivazovsky

Kita mendapat kenyamanan dalam kehidupan sehari-hari berkat arus listrik. Arus listrik menghasilkan radiasi dalam spektrum yang terlihat dan tidak hanya menerangi rumah kita, namun juga memasak dan memanaskan kembali makanan kita dalam berbagai peralatan listrik, seperti kompor listrik, oven microwave, dan pemanggang roti. Karena ada listrik, kita tidak perlu mengeruk sampah untuk mencari bahan bakar untuk menyalakan api. Berkat listrik, kita juga dapat bergerak cepat di sepanjang bidang horizontal dalam kereta, kereta bawah tanah, dan kereta api kecepatan tinggi, serta di sepanjang bidang vertikal pada eskalator dan dalam lift. Kita juga mendapat kehangatan dan kenyamanan rumah kita berkat arus listrik, karena arus listrik menggerakkan pemanas listrik, penyejuk udara, dan kipas kita. Berbagai mesin bertenaga listrik membuat pekerjaan kita jauh lebih mudah, baik dalam kehidupan sehari-hari mau pun dalam berbagai industri. Kita memang hidup di era listrik, karena listrik yang memungkinkan kita untuk menggunakan komputer, ponsel cerdas, Internet, televisi, dan teknologi elektronik pintar lainnya. Mengingat betapa nyamannya listrik sebagai bentuk energi, tidak mengherankan bahwa kita menghabiskan begitu banyak upaya untuk menghasilkannya.

Mungkin ini terdengar tidak lazim, namun gagasan penggunaan listrik praktis pertama kali diterapkan oleh beberapa anggota masyarakat yang paling konservatif — perwira angkatan laut. Sulit untuk naik status dalam masyarakat elitis ini, dan sama sulitnya untuk meyakinkan para laksamana, yang memulai karier mereka sebagai pelayan di kapal selama Zaman Layar, tentang perlunya beralih ke kapal perang berlapis baja dengan mesin uap, namun para perwira yang lebih muda menyukai dan mendukung inovasi tersebut. Karena keberhasilan penggunaan kapal pembakar selama perang Rusia-Turki pada tahun 1770, yang menyebabkan kemenangan selama Pertempuran Chesma, Angkatan Laut mulai mempertimbangkan untuk meningkatkan sistem pertahanan pelabuhan dengan menggunakan artileri pantai terpercaya yang dipadukan dengan ranjau laut, yang inovatif pada waktu itu.

A shipboard radio station, ca. 1910. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Pengembangan berbagai jenis ranjau laut dimulai pada awal abad ke-19, dan desain yang paling sukses termasuk ranjau otonom yang diaktifkan oleh listrik. Pada tahun 1870-an, sebuah perangkat untuk meledakkan ranjau jangkar dengan menggunakan listrik dikembangkan oleh seorang fisikawan Jerman, Heinrich Hertz. Salah satu variasi dari perangkat ini, ranjau laut bertanduk, terkenal dan sering muncul dalam film perang bersejarah. "Tanduk" timahnya memiliki wadah berisi elektrolit, yang hancur ketika terjadi kontak dengan tubuh kapal. Elektrolit tersebut memberikan energi kepada baterai sederhana yang pada gilirannya meledakan ranjau tersebut.

Hudson's Bay Company radio station, ca. 1937. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Perwira angkatan laut merupakan beberapa orang pertama yang menyadari potensi lilin listrik Yablochkov, yang merupakan sumber lampu listrik pada zaman dahulu. Mereka jauh dari sempurna, namun menghasilkan cahaya dengan busur listrik dan elektroda positif panas bercahaya putih yang terbuat dari batubara. Mereka digunakan untuk memberi isyarat di medan perang dan untuk menerangi medan perang. Penggunaan lampu sorot yang kuat memberi keuntungan untuk pihak yang menggunakan mereka untuk menerangi medan perang saat pertempuran malam atau untuk mengirimkan informasi dan mengoordinasikan gerakan berbagai unit angkatan laut selama pertempuran di laut. Lampu sorot yang digunakan di mercusuar meningkatkan navigasi di perairan pesisir yang berbahaya.

Vacuum tube, ca 1921. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Tidak mengherankan Angkatan Laut juga antusias untuk menerapkan teknologi yang memungkinkan pengiriman informasi nirkabel. Ukuran perangkat transmisi zaman dahulu yang besar bukanlah masalah bagi Angkatan Laut, karena kapal mereka memiliki cukup ruang untuk menampung mesin-mesin yang nyaman, namun terkadang besar ini.

Mesin listrik digunakan untuk mempermudah dalam memuat meriam ke kapal, sedangkan mesin listrik daya digunakan untuk memutar turet senjata serta meningkatkan akurasi dan efektivitas meriam. Mesin telegraf kapal memungkinkan kru untuk berkomunikasi dan meningkatkan efisiensi, yang memberikan keuntungan signifikan dalam pertempuran.

Salah satu penggunaan arus listrik yang paling mengerikan dalam pertempuran laut adalah pada kapal penyerang U-boat di Reich Ketiga. Kapal selam Hitler, yang dioperasikan dengan menggunakan taktik Wolfpack, menenggelamkan banyak konvoi transportasi milik Sekutu. Kisah Konvoi PQ 17 yang terkenal adalah salah satu contohnya.

Drummondville Radio transmitter, ca. 1926. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Angkatan Laut Inggris berhasil memperoleh beberapa mesin Enigma yang digunakan tentara Jerman untuk menyandikan pesan dalam kode, dan mereka berhasil memecahkan kodenya dengan bantuan Alan Turing, yang dikenal sebagai bapak komputasi modern. Sekutu mencegat komunikasi radio laksamana Jerman, Karl Dönitz, dan dengan informasi ini, dapat menggunakan angkatan udara di pesisir untuk menyudutkan Wolfpack dan memaksanya kembali ke pantai Norwegia, Jerman, dan Denmark. Berkat ini, penyerangan hanya berlangsung singkat sejak tahun 1943.

Wireless telegraph key, ca. 1915. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Hitler berencana menambahkan roket V-2 pada kapal selamnya agar dapat digunakan untuk menyerang Pantai Timur AS. Akan tetapi, kemajuan pesat Sekutu di front Barat dan Timur, mencegahnya berbuat demikian.

Sulit membayangkan angkatan laut modern tanpa kapal induk dan kapal selam nuklir. Kapal-kapal itu bertenaga reaktor nuklir, yang menggabungkan teknologi dari abad ke-19 bersumber uap, teknologi dari abad ke-20 bersumber listrik, dan teknologi nuklir dari abad ke-21. Sistem pembangkit energi kapal selam nuklir menghasilkan energi listrik yang cukup untuk menyuplai energi yang dibutuhkan oleh satu kota besar.

Selain penggunaan listrik yang sudah kita diskusikan, baru-baru ini angkatan laut mulai mempertimbangkan penggunaan lain listrik, seperti penggunaan railgun. Railgun adalah meriam listrik yang menggunakan proyektil energi kinetis, yang berpotensi luas menyebabkan kerusakan.

James Clerk Maxwell. A statue by Alexander Stoddart. Photo by Ad Meskens / Wikimedia Commons

Sekilas Sejarah

Dengan pengembangan sumber energi terandalkan untuk arus searah (DC) seperti tumpukan volta, yang diciptakan oleh fisikawan Italia Alessandro Volta, banyak ilmuwan ulung di seluruh dunia mulai mengeksplorasi sifat arus listrik tersebut dan fenomena fisik yang disebabkannya, begitu pula penggunaan praktis arus listrik dalam ilmu pengetahuan dan teknologi. "Daftar bintang" ilmuwan termasuk Georg Ohm, yang mencetuskan Hukum Ohm untuk mendeskripsikan perilaku arus listrik pada rangkaian listrik dasar; fisikawan Jerman Gustav Kirchhoff yang mengembangkan perhitungan untuk rangkaian listrik yang lebih kompleks; dan fisikawan Prancis André Marie Ampère, yang menemukan hukum yang mendeskripsikan sifat di dalam simpal tertutup yang memiliki medan magnet yang bereaksi terhadap simpal dan memiliki arus listrik yang melewatinya. Sekarang, hukum ini disebut dengan hukum sirkuit Ampère. Penemuan independen fisikawan Inggris James Prescott Joule dan ilmuwan Rusia Heinrich Lenz berujung pada penemuan hukum panas Joule, yang mengukur efek panas karena arus listrik.

Hendrik Antoon Lorentz, painted in 1916 by Menso Kamerlingh Onnes (1860–1925).

Penemuan James Clerk Maxwell fokus pada penelitian lebih lanjut atas sifat-sifat arus listrik, dan meletakkan fondasi bagi elektrodinamika modern. Kini, penemuan ini dikenal dengan persamaan Maxwell. Maxwell juga mengembangkan teori radiasi elektromagnetik dan memprediksi banyak fenomena, seperti gelombang elektromagnetik, tekanan radiasi, dan lain-lain. Nantinya, keberadaan gelombang elektromagnetik dibuktikan melalui eksperimen oleh fisikawan Jerman Heinrich Rudolf Hertz. Penemuan Hertz atas pantulan, interferens, difraksi, dan polarisasi gelombang elektromagnetik digunakan saat menemukan radio.

Jean-Baptiste Biot (1774–1862)

Beberapa penemuan eksperimen oleh fisikawan Prancis Jean-Baptiste Biot dan Félix Savart mengenai manifestasi magnetisme keberadaan arus listrik, yang dirangkum dalam hukum Biot-Savart, dan penelitian brilian matematikawan Prancis Pierre-Simon Laplace, yang membentuk gagasan umum atas hasil eksperimen di atas sebagai abstraksi matematika, menarik hubungan untuk pertama kalinya antara dua sisi dari satu fenomena dan melahirkan studi elektromagnetisme. Fisikawan brilian Inggris Michael Faraday melanjutkan penemuan mereka dan menemukan induksi elektromagnetik. Teknik listrik modern dibangun atas penemuan Faraday.

Fisikawan dari Belanda, Hendrik Lorentz, memberikan kontribusi berharga dalam menjelaskan sifat alami arus listrik. Lorentz mengembangkan teori elektron klasik dan berteori bahwa atom terbentuk dari partikel yang bermuatan lebih kecil, dan bahwa sinar adalah hasil osilasi partikel-partikel ini. Lorentz juga mencetuskan persamaan untuk mendeskripsikan gaya yang bereaksi terhadap muatan bergerak dari dalam medan elektromagnetik. Gaya ini disebut dengan gaya Lorentz.

Mendefinisikan Arus Listrik

Arus listrik dapat didefinisikan sebagai pergerakan teratur partikel muatan. Menurut definisi ini, arus listrik dihitung dari jumlah partikel muatan yang melewati penampang konduktor dalam unit waktu tertentu.

I = q / t, dengan q adalah muatan dalam coulomb, t adalah waktu dalam detik, dan I adalah arus listrik dalam ampere.

Definisi lain arus listrik bergantung pada sifat konduktor dan dideskripsikan menurut hukum Ohm:

I = V/R, dengan V adalah tegangan dalam volt, R adalah hambatan dalam ohm, dan I adalah arus dalam ampere.

Arus listrik dihitung dalam ampere (A) berikut satuan turunannya seperti nanoampere (sepermiliar ampere, nA), mikroampere (seperjuta ampere, μA), miliampere (seperseribu ampere, mA), kiloampere (seribu ampere, kA), dan megaampere (sejuta ampere, MA).

Dalam SI, satuan untuk arus listrik diturunkan sebagai

[А] = [C] / [s]

Aluminum is a very good conductor and is widely used in electrical wiring

Saat memikirkan arus listrik, kita harus memperhitungkan media yang membawanya, terutama partikel muatan yang ada dalam bahan atau zat dalam keadaan arus. Bahan atau zat ini dapat berupa padat, cair, atau gas. Contoh unik keadaan berbeda suatu zat adalah dihidrogen monoksida, atau hidrogen oksida, yang sederhananya kita sebut air. Kita dapat melihat air sebagai benda padat saat berupa es dari lemari pembeku yang kita gunakan untuk mendinginkan minuman — sebagian besar berasal dari air. Sebaliknya, saat membuat teh atau kopi instan, kita menggunakan air mendidih. Jika kita menunggu air mendidih sebelum menuangkannya ke teko, kita akan melihat "kabut" yang keluar dari cerat teko — kabut ini terdiri dari tetes air yang terbentuk dari keadaan gas air (uap) yang keluar dari cerat dan bersentuhan dengan udara dingin.

Ada juga keadaan materi lain yang disebut plasma. Plasma bersuhu rendah menyusun lapisan atas bintang, ionosfer Bumi, nyala api, busur elektrik, dan zat di dalam lampu fluoresens, hanyalah beberapa contohnya. Plasma bersuhu tinggi sulit dicipta ulang di laboratorium karena membutuhkan suhu yang sangat tinggi lebih dari 1.000.000 K.

These high voltage circuit breakers contain two major components: the interrupting contacts and an insulator that connects two wires together.

Berdasarkan strukturnya, bahan padat dapat dipecah lagi menjadi kristalin dan amorf. Kristalin memiliki kisi kristal terstruktur. Atom dan molekul dari zat tersebut menciptakan kisi kristal dua atau tiga dimensi. Padatan kristalin termasuk logam, lakur logam, dan semikonduktor. Kita dapat dengan mudah membuat visualisasi padatan kristalin dengan membayangkan kepingan salju, itulah kristal yang berbentuk unik. Zat amorf tidak memiliki kisi kristal. Dielektrik biasanya amorf.

Di bawah kondisi normal, arus listrik mengalir melewati benda padat berkat pergerakan elektron bebas, yang menjadi tak terikat sebagai akibat elektron valens yang terlepas dari atom. Kita juga dapat memecah padatan berdasarkan sifat alami aliran listrik yang dimilikinya menjadi konduktor, semikonduktor, dan insulator. Sifat bahan yang berbeda ditentukan menurut struktur pita elektronik yang berlainan. Struktur ini bergantung pada lebar celah pita dan tidak ada elektron di dalamnya. Insulator memiliki celah pita terlebar, dengan lebar hingga 15 eV. Insulator dan semikonduktor tidak memiliki elektron di celah konduksi pada suhu nol mutlak, tetapi pada suhu ruang akan ada sebagian elektron yang dilepaskan dari pita valens akibat energi panas. Pada konduktor seperti logam, pita konduksi tumpang tindih dengan pita valens. Itulah alasan meski pada suhu nol mutlak, ada banyak sekali elektron, dan fenomena ini masih benar sebagai kenaikan suhu untuk titik leleh. Elektron-elektron ini memungkinkan arus listrik mengalir melewati bahan tersebut. Semikonduktor memiliki celah pita kecil dan kemampuannya untuk menghantarkan listrik sangat bergantung pada suhu, radiasi, dan faktor-faktor lain, seperti keberadaan dopan.

Laminated core transformer. I-shaped and E-shaped steel sheets are clearly visible on the sides.

Superkonduktor menciptakan kondisi khusus untuk arus listrik. Superkonduktor adalah bahan yang memiliki nol hambatan untuk aliran arus listrik. Elektron konduksi bahan-bahan ini membentuk kelompok partikel, yang saling berikatan akibat efek kuantum.

Sebagaimana yang tersirat pada namanya, insulator tidak menghantarkan arus listrik dengan baik. Sifat insulator digunakan untuk membatasi aliran arus listrik antar permukaan penghantar bahan yang berbeda.

Selain arus listrik yang mengalir melewati konduktor saat medan magnet konstan maupun saat medan magnet variabel, perubahan arus listrik menyebabkan fenomena yang disebut arus eddy, disebut juga arus Foucault. Semakin besar laju perubahan medan magnet, semakin kuat arus eddy. Arus listrik tidak mengalir sepanjang rute tertentu, tetapi mengalir dalam simpal tertutup pada konduktor.

Arus eddy menyebabkan efek kulit, yaitu kecenderungan arus listrik bolak-balik (AC) dan fluks magnetik yang mengalir terutama sepanjang lapisan permukaan konduktor, yang menyebabkan hilangnya energi. Untuk mengurangi kehilangan arus eddy dalam inti trafo, rangkaian magnet trafo dipecah. Hal ini dilakukan dengan menumpuk lapisan lempeng berinsulasi baja tipis, yang membentuk inti trafo.

Chrome-plated plastic shower head

Arus Listrik dalam Cairan (Elektrolit)

Semua cairan dapat menghantarkan arus listrik hingga derajat tertentu saat tegangan listrik dimasukkan ke cairan. Cairan yang menghantarkan arus listrik disebut dengan elektrolit. Arus listrik yang dibawa oleh ion bermuatan positif dan negatif, secara berurutan disebut dengan kation dan anion, ada dalam cairan akibat disosiasi elektrolisis. Dalam elektrolit, arus mengalir akibat pergerakan ion dibandingkan dengan arus yang terjadi akibat pergerakan elektron dalam logam. Arus dalam elektrolit ini dicirikan dengan pergerakan zat ke elektrode dan pembentukan elemen kimia baru di sekitar elektrode atau deposisi zat-zat baru ini pada elektrode.

Fenomena ini menjadi dasar untuk elektrokimia dan memungkinkan kita mengukur bobot ekuivalen zat kimia berbeda. Dasar elektrokimia memungkinkan kita mengubah kimia anorganik menjadi ilmu pasti. Pengembangan lebih lanjut kimia elektrolit memungkinkan kita membuat sumber energi kimia dalam bentuk aki primer (atau sekali pakai) dan aki yang dapat diisi ulang dan sel bahan bakar. Hal ini, pada gilirannya, memungkinkan loncatan dalam perkembangan teknologi. Sekadar mengintip di bawah kap mobil dan memeriksa aki mobil akan memberi Anda sekilas hasil penemuan puluhan tahun usaha para peneliti dan insinyur.

Car battery installed in 2012 Honda Civic

Banyak proses industri, yang bergantung pada aliran arus listrik dalam elektrolit, dapat memberikan lapisan penutup yang menarik pada produk akhir (misalnya penyepuhan elektrik krom dan nikel) dan melindungi benda dari korosi. Elektrodeposisi dan punaran elektro adalah proses dasar dalam rekayasa listrik modern saat membuat berbagai komponen elektronik. Proses ini sangat umum digunakan, misalnya dalam mikrofabrikasi, dan jumlah komponen elektronik yang dihasilkan menggunakan teknik ini mencapai puluhan miliar per tahun.

Arus Listrik dalam Gas

Aliran arus listrik dalam gas bergantung pada jumlah elektron dan ion bebas di dalamnya. Karena semakin lebarnya pemisahan antar partikel gas dibandingkan dengan cairan dan padatan, lazim bagi molekul dan ion dalam gas untuk menempuh jarak yang lebih jauh sebelum bertabrakan. Akibatnya, aliran listrik dalam gas di bawah keadaan normal bersifat sulit. Kondisi yang sama berlaku untuk campuran gas. Satu contoh campuran gas adalah udara, yang dalam rekayasa listrik dipertimbangkan sebagai insulator yang baik. Di bawah kondisi beraturan, banyak campuran gas lain yang juga menjadi insulator yang baik.

A neon screwdriver test light is showing that a voltage of 220 V is present

Aliran listrik dalam gas bergantung pada faktor fisik berbeda seperti tekanan, suhu, dan komponen yang membentuk campuran tersebut. Selain itu, radiasi pengion juga memainkan peran. Misalnya, gas dapat menghantarkan listrik jika disinari dengan radiasi ultraviolet atau sinar X, jika dikenai oleh partikel katode atau anode atau partikel yang dipancarkan oleh zat radioaktif, atau bahkan jika suhu gas tersebut tinggi.

Saat energi diserap oleh atom atau molekul gas yang secara elektrik netral dan saat ion dibentuk, proses endotermik ini disebut ionisasi. Saat energi mencapai ambang tertentu, elektron atau sekelompok elektron melemahkan potensi penghalang dan meninggalkan atom atau molekul, sehingga menjadi elektron bebas. Atom atau molekul yang ditinggalkan elektron tidak lagi netral, dan menjadi bermuatan positif. Elektron bebas dapat bergabung dengan atom atau molekul muatan netral dan membentuk ion muatan negatif. Ion muatan positif dapat mengambil kembali elektron muatan negatif saat bertabrakan sehingga menjadi netral kembali. Proses ini disebut rekombinasi (penggabungan ulang).

Selagi arus listrik mengalir melewati gas, keadaannya berubah. Hal ini menyebabkan ketergantungan rumit antara arus listrik dan tegangan, yang kurang lebih diatur menurut hukum Ohm tetapi hanya ketika arus listrik rendah.

Lucutan listrik dalam gas dapat berupa lucutan tak mandiri atau lucutan mandiri. Lucutan tak mandiri menciptakan arus listrik yang mungkin terjadi jika ada faktor-faktor pengion eksternal. Jika faktor ini tidak ada, arus listrik tidak mengalir melewati gas. Sebaliknya, selama lucutan mandiri, arus listrik dipertahankan akibat ionisasi atom dan molekul netral dalam gas yang dipercepat oleh medan elektrik setelah bertabrakan dengan elektron dan ion bebas. Pada keadaan ini, arus listrik mungkin terjadi meskipun tanpa faktor pengion eksternal.

Current-voltage characteristics of a silent discharge

Saat perbedaan potensial antara anode dan katode kecil, lucutan tak mandiri disebut lucutan senyap atau lucutan Townsend. Seiring tegangan naik, intensitas arus juga naik. Pada mulanya, kenaikan arus ini proporsional dengan tegangan (penampang OA pada ciri volt-ampere lucutan senyap), tetapi berangsur-angsur laju peningkatannya melambat (penampang AB pada grafik). Saat semua partikel terlepas yang dilepaskan akibat proses ionisasi bergerak mendekati katode dan anode dalam waktu bersamaan, tidak ada peningkatan arus (penampang BC pada grafik). Jika tegangan dinaikkan lagi, arus juga naik, dan lucutan senyap menjadi muatan longsoran tak mandiri. Contoh dari lucutan tak mandiri adalah lucutan pijar pada lampu lucutan tekanan tinggi untuk berbagai tujuan.

Saat lucutan tak mandiri diubah menjadi lucutan mandiri, arus listrik naik (titik E pada kurva). Titik ini disebut dadal listrik.

Electronic photo flash with a xenon tube (red rectangle)

Semua jenis muatan berbeda yang diuraikan di atas adalah lucutan pegun atau lucutan keadaan-tunak. Sifat lucutan itu tidak bergantung pada waktu. Selain dua lucutan ini, ada juga lucutan taktunak, yang biasanya terjadi di medan elektrik yang sangat tidak seimbang, misalnya permukaan runcing atau melengkung pada konduktor atau elektrode. Ada dua jenis lucutan tak seimbang: lucutan korona dan lucutan bunga api.

Ionisasi selama lucutan korona tidak menyebabkan dadal listrik. Lucutan ini menyebabkan proses berulang memulai lucutan tak mandiri dalam ruang terbatas kecil di sekitar konduktor. Contoh yang baik untuk lucutan korona adalah pijar di udara di sekitar antena, penangkal petir, atau kabel listrik yang jauh dari tanah. Lucutan korona di sekitar kabel listrik menyebabkan kehilangan energi. Di masa lalu, pijar ini dikenal baik oleh para pelaut — pijar di sekitar tiang kapal dikenal sebagai api Santa Elmo. Lucutan korona digunakan pada printer laser dan mesin fotokopi. Lucutan ini dihasilkan oleh perangkat penghasil korona, yaitu benang logam yang diberi tegangan tinggi. Lucutan korona mengionkan gas, yang pada gilirannya, mengionkan drum peka cahaya. Dalam hal ini, lucutan korona bermanfaat.

Dibandingkan dengan lucutan korona, lucutan elektrostatik menyebabkan dadal listrik. Lucutan elektrostatik nampak seperti utas cerah selang-seling yang mencabang dan terisi gas ion. Lucutan ini muncul-tenggelam, dan menghasilkan panas dan cahaya dalam jumlah besar. Contoh umum lucutan elektrostatik yang terjadi secara alami adalah petir. Arus listrik dalam petir dapat mencapai puluhan kiloampere. Sebelum petir dapat terjadi, pembentukan sambaran menurun, yang dikenal sambaran atau bunga api harus terbentuk lebih dahulu. Pembentukan sambaran terjadi bersamaan dengan sambaran bertingkat. Petir biasanya terdiri dari banyak lucutan elektrostatik dalam pembentukan sambaran menurun untuk petir negatif dari awan ke Bumi. Lucutan elektrostatik yang sangat kuat digunakan sebagai lampu kilat elektronik dalam fotografi. Lucutan lampu kilat itu terbentuk antar elektrode dalam tabung kilat yang terbuat dari kaca kuarsa, yang diisi dengan campuran gas ion mulia.

Saat lucutan listrik dipertahankan dalam jangka waktu lama, lucutan ini disebut busur elektrik. Busur elektrik digunakan dalam pengelasan busur, yaitu teknik yang sangat dibutuhkan dalam konstruksi modern, digunakan untuk membangun konstruksi baja dengan berbagai ukuran dan tujuan, mulai dari bangunan pencakar langit, kapal induk, hingga mobil. Busur elektrik digunakan tidak hanya untuk menyambungkan bahan, tetapi juga untuk memotongnya. Perbedaan antara dua proses ini ada pada kekuatan arus yang digunakan. Pengelasan dilakukan dengan arus yang relatif lebih rendah, sementara pemotongan membutuhkan arus yang lebih tinggi untuk busur elektrik. Pemotongan itu sendiri terjadi saat logam yang meleleh dibuang, dan teknik berbeda digunakan untuk membuangnya.

Penggunaan lain atas busur elektrik dalam gas adalah lampu lucutan gas, yang mengusir kegelapan di jalan-jalan, alun-alun, dan stadion (lampu uap natrium biasanya digunakan di kawasan ini). Lampu halida logam, yang menggantikan bohlam pijar di lampu utama mobil, juga menggunakan teknologi ini.

Electric Current in Vacuum

Vacuum tube in the transmitter station. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Vacuum is a perfect dielectric, and due to this, electric current in vacuum is only possible if the free carriers of current such as electrons or ions are generated through thermionic emission, photoelectric emission, or in other ways.

Television cameras like this one were in use in the 1980s. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

The main method of generating electric current in vacuum with the use of electrons is by thermoelectric emission of electrons by metals. When an electrode is heated (it is referred to as a hot cathode), it emits electrons into the tube. These electrons cause electric current to flow as long as another electrode (called an anode) is present, and as long as there is a certain voltage of required polarity between the two. Such vacuum tubes are called diodes and conduct electric current in one direction only. They block current if there is an attempt to force current to flow in the opposite direction. This property is used to convert alternating current (AC) to direct current (DC) through the process of rectification. This is done by a system of diodes.

If an additional electrode known as a grid is added near the cathode, we get a device called triode, which significantly amplifies even the small changes of voltage in the control grid relative to the cathode. As a result, this changes the current and the voltage on the load, which is connected in series to the vacuum tube, relative to the power source. This system called an amplifier is used to amplify various signals.

The use of vacuum tubes with a large number of control grids such as tetrodes, pentodes, and even pentagrid converters that have seven electrodes was revolutionary in generating and amplifying radio signals and allowed the creation of modern systems of radio and TV broadcasting.

Modern video projector

Historically, radio was developed first because it was relatively easy to design methods for converting and transmitting relatively low-frequency signals, as well as creating circuit design for receiver devices that can amplify and mix radio frequencies to convert them into an acoustic signal through the process of demodulation.

When television was invented, vacuum tubes called iconoscopes were used to emit electrons through the photoelectric effect of the light that fell on them. Further strengthening of the signal was done by a vacuum tube amplifier. To view the captured and transmitted image, cathode ray tubes (CRTs) were used, which were also vacuum tubes. In the CRT the image was created on the screen through the reverse conversion of the signal. This was done by accelerating electrons to high speed using one (or three for color TV) electron guns in a strong electric field. The field was created by applying a large voltage between the cathode of the electron gun and the anode of the CRT. High-speed electron beams were directed on the screen covered with fluorescent material and the visible light was emitted from it. The image was created by two mutually synchronized systems: one that read the signal from the iconoscope and another that performed a raster scan. The first cathode-ray tubes were monochrome.

SU3500 Scanning Electron Microscope. Department of Materials Science and Engineering. University of Toronto

Color television was developed soon after. The iconoscopes in color television were hybrid systems that only reacted to the light of a given color, either red, blue, or green. The color phosphor dots of TV’s cathode ray tubes emitted light due to the electric current produced by the electron gun. They reacted to the accelerated electrons that hit them and emitted light of a specific color and brightness. Special shadow masks were used to ensure that the rays of each color electron gun hit the phosphor dots of the correct color.

Modern television and radio broadcasting technologies use more advanced materials based on semiconductors that use less energy.

One of the widely used methods to generate an image of the internal organs is fluoroscopy. A cathode emits electrons, which are accelerated to such speed that when they hit the anode they generate x-ray radiation, which can penetrate soft tissues of the human body. Radiographs give doctors unique information about the condition of the bones, teeth, and some internal organs, and can even help determine such diseases as lung cancer.

C-band traveling wave tube. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

In general, electric currents formed by the movement of electrons in vacuum have a wide range of applications. Vacuum tubes, particle accelerators, mass spectrometers, electron microscopes, vacuum generators of high frequency such as traveling-wave tubes, klystrons, and cavity magnetrons are just some of the examples of how we use this type of electric current. We should note that it is the magnetrons that heat and cook our food inside microwave ovens.

A recent very valuable technology that uses electric current in vacuum is the thin film deposition in vacuum. These films have either a decorative or a protective function. The materials used in this technique are metals, their alloys, and their compounds with oxygen, nitrogen, and carbon. These films either change or combine the electrical, optical, mechanical, magnetic, catalytic, and corrosion-related properties of the surface, which they cover.

To achieve a complex compound for the film, the technology of ion beam deposition is used. Some examples of this technology are cathodic arc deposition and its commercial variant of high-power impulse magnetron sputtering. In the end, it is the electric current that creates a film cover on the surface, thanks to the ions.

Ion-beam sputtering creates films from nitrides, carbides, and metal oxides, which have an extraordinary set of mechanical, thermophysical, and optical properties including hardness, durability, electro- and thermoconductivity, and optical density. It is not possible to achieve these results in any other way.

Electric Current in Biology and Medicine

Mock operating room in Li Ka Shing Knowledge Institute, Toronto, Canada. Robot mannequin patients that can blink, breathe, cry, bleed and simulate diseases are used for teaching

The understanding of the behavior of electric current inside biological systems gives biologists and doctors a powerful tool for research, diagnostics, and treatment.

From the point of view of electrochemistry, all biological objects contain electrolytes, regardless of their structure.

When considering how electric current runs through a biological object we have to take into consideration the state of the cells of this object. In this respect, the cell membrane is an important structure to consider. It is the outer layer of each cell, which protects the cell from the negative effects of the environment by having a selective permeability for different substances. In other words, it lets some substances in, while stops others. From the point of view of physics, we can look at this membrane as an equivalent circuit that consists of a parallel connection of a capacitor with several circuits that have a series connection between a source of electric current and a resistor. Thanks to this structure, the electric conductivity of this biological object depends on the frequency of the voltage applied and the types of the voltage.

A 3D representation of the fiber pathways that connect different regions of the brain. This image was acquired using the non-invasive Diffusion Tensor Imaging (DTI) technique

Biological tissue consists of cells, extracellular fluid, blood vessels, and nerve cells. When an electric current is applied, the nerve cells become excited and send signals to contract or to relax the muscles and the blood vessels of the animal. We should note that the flow of electric current in biological tissues is non-linear.

The classic example of the effect of an electric current on a biological object is the set of experiments by the Italian physician, physicist, and biologist Luigi Galvani, who is considered one of the founding fathers of electrochemistry. In these experiments, he sent an electric current through the nerves in a frog’s leg, and this caused the contraction of the muscles and movement of the leg. In 1791 his findings were described in the report on the electric forces in muscle movement. For a long time textbooks referred to the phenomenon discovered by Galvani as galvanism. Even now this term is sometimes used for certain processes and devices.

Further development of electrophysiology is closely related to neurophysiology. In 1875 a British surgeon and physician Richard Caton and a Russian physician Vasily Danilewsky showed independently that the brain can generate electricity. In other words, they discovered the ionic current that flows within the brain.

Biological objects can generate not only microcurrents but also significant voltages and currents as part of their daily functioning. Much before the work of Galvani, a British Biologist John Walsh proved the electric nature of the defense system of an electric ray. A Scottish surgeon and physiologist John Hunter gave a detailed description of the mechanism by which electric rays generate electricity. The results of their research were published in 1773.

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is a non-invasive technique that allows doctors to measure brain activity by detecting changes in the blood flow

Modern medicine and biology use different methods to explore live organisms, which include both invasive and non-invasive techniques.

A classic example of an invasive method is the study of rats that run through a maze or complete other tasks with electrodes implanted in their brains.

On the other hand, noninvasive methods are such well-known diagnostics as electroencephalography and electrocardiography. In those procedures electrodes that monitor the electric currents within the brain or the heart are used to take measurements on the skin of the person or animal under observation. To improve the contact with electrodes, a saline solution is applied to the skin because it is a good electrolyte and can conduct electric current well.

Besides using electric current for research and to monitor the state of various chemical processes and reactions, one of the most dramatic uses for electricity is the defibrillation, which in movies is sometimes shown as a “restart” of a heart that has already stopped working.

Training automatic external defibrillator (AED)

Indeed, running a short-time impulse of a significant magnitude can sometimes (but very rarely) restart a heart. However, more often defibrillators are used to correct the arrhythmical beating of the heart and restore it to normal. The chaotic arrhythmical contractions are known as ventricular fibrillation, and hence the device that returns the heart to normal is called a defibrillator. Modern automated external defibrillators can record the electrical activity of the heart, determine the fibrillation of the ventricles of the heart, and then calculate the strength of a current necessary for the patient based on these factors. Many public spaces now have defibrillators and it is the hope in the medical community that this measure will prevent many deaths caused by the dysfunction of the heart of the patient.

Paramedics are trained to determine the physiological condition of the heart muscle by the electrocardiogram and make decisions on treatment quickly, a lot faster than the automated external defibrillators available to the public can do.

We should also mention the artificial cardiac pacemakers, which control the contractions of the heart. These devices are implanted under the skin or the breast muscle of the patient and transmit impulses of an electric current of about 3 V through the electrode and to the heart muscle. This stimulates normal heart rhythm. Modern pacemakers can work for 6–14 years before they need to be replaced.

Characteristics of Electric Current, Its Generation, and Uses

Electric current is characterized by its magnitude and its type. Depending on its behavior electric current types are divided into direct current or DC (it does not change with time), aharmonic current (it changes at random with time), and alternating current or AC (it changes with time according to a specific pattern, usually it is governed by a periodic law). Some tasks require both DC and AC current. In this case, we talk about an AC current with a DC component.

Tokamak de Varennes nuclear fusion reactor. Varennes, Quebec 1981. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Historically the first triboelectric generator of electric current, a Wimshurst machine, generated it by rubbing wool on a piece of amber. More advanced generators of the same type are now called Van de Graaff generators — they are named after the inventor of the earliest of these machines.

As we discussed earlier, an electrochemical generator was invented by the Italian physicist Alessandro Volta. This generator was further developed into modern dry cell batteries, rechargeable batteries, and fuel cells. We still use them, because they are very convenient energy sources for all kinds of devices, from watches and smartphones to car batteries and batteries of Tesla electric cars.

In addition to the DC current generators described above, there are also generators that use the nuclear fission of isotopes, known as atomic batteries, as well as magnetohydrodynamic generators, which have a very limited use today because of their low power, technical limitations of their design, and several other reasons. Nonetheless, radionuclide generators are used in energy-autonomous systems such as in space, in autonomous underwater vehicles and sonar stations, in lighthouses, inside beacon buoys, and in the Arctic and the Antarctic.

Commutator in the motor-generator set, 1904. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

In electrical engineering, generators are divided into those that generate DC versus those that generate AC current.

All of these generators work thanks to the electromagnetic induction, which was discovered by Michael Faraday in 1831. Faraday built the first low power homopolar generator, which generated DC current. As for the first generator of AC current, the story goes that it was described to Faraday in 1832 in an anonymous letter signed as “P. M.” After publishing this letter, Faraday received another a year later thanking him and suggesting improvements to the design by adding a steel ring to carry the magnetic flux of the magnetic poles of the coils. However, it is unclear whether this story is true or not.

At the time the use for AC current was not yet found, since all practical uses of electricity at the time needed DC current, including the current used in mine warfare, electrochemistry, recently developed electric telegraphy, and the first electric motors. This is why many of the inventors focused for the time being on improving the generators for DC current, inventing various switching devices for this end.

One of the first generators that had practical use was the magneto-electric generator created by the German and Russian researcher Moritz von Jacobi who worked in Russia from 1835 to 1874. It was used by the Russian Army navy mine squads to inflame the fuses of the naval mines. Improved generators of this type are used to this day to activate mines, and they can be often seen in WWII movies, where guerilla fighters or saboteurs use them to blow up bridges, derail trains, and in other similar applications.

CD drive laser lens

From then on leading engineers competed with each other to improve AC and DC generators, with the ultimate stand-off between the two titans of the modern field of generating electricity, with Thomas Edison of General Electric on one side, and Nicola Tesla of Westinghouse on the other. The greater capital won, and Tesla’s technologies for generating, transporting, and converting AC current became the legacy of the American society. This provided a significant push to propel the economy of the USA and brought the country to the leading position in the world.

In addition to the ability to generate electricity for various needs, which depended on the conversion of mechanical movement into electricity due to the reversibility of the electric machines, another possibility of reverse conversion of electric current into mechanical movement became a reality. This was done by electrical engines that worked on DC and AC current. You could say that these types of machines are some of the most widely used technologies, and they include car and motorcycle starters, drives of commercial machines and machine tools, and consumer devices and electronics. We became skillful at various tasks such as cutting, drilling, and shaping thanks to these devices. We use optical discs such as CDs and hard drives in our computers thanks to these technologies as well — without them, we would not have been able to create the miniature precision DC electric motors.

In addition to the electromechanical engines that we are used to, ion thrusters also work thanks to the electric current. These engines use the principle of propulsion by emitting of accelerated ions of a given substance. They are currently used in space mainly for taking small satellites to the orbit. It is very likely that the future technologies of the 22nd century such as photonic laser thrusters, which are still being designed and which will take our interstellar ships at speeds approaching the speed of light, will also depend on electric current.

Analog multimeter with the upper cover removed

Another use for the generators of DC current is for growing crystals for electronic components. This process requires extra stable generators of DC current. Such precision solid-state generators of electric current are called current stabilizers.

Measuring Electric Current

We should note that devices for measuring electric current, such as microammeters, milliammeters, and ammeters, are quite different from each other, depending on their structure and the measuring principles that they use. They include direct current ammeters, low-frequency alternating current ammeters, and high-frequency alternating current ammeters.

The measuring mechanisms of these devices can be subdivided into a moving coil, moving iron, moving magnet, electrodynamic, induction, hot-wire, and digital ammeters. Most of the analog ammeters include a movable or a stationary frame with a wound coil and stationary or movable magnets. Due to this structure, a typical ammeter has an equivalent circuit that is a connection in series of an inductor and a resistor with a capacitor attached in parallel to them. Due to this, analog ammeters are not sensitive enough to measure high-frequency current.

The moving coil with a needle and spiral springs of a meter used in the analog multimeter above. Some people still prefer analog multimeters that did not change much since the 1890s.

The basic measuring device for an ammeter consists of a miniature galvanometer. Its measurement ranges are created by using additional shunt resistors with small resistance, and this resistance is lower than that of the regular galvanometer. This way, using one device as a base, it is possible to create various measuring devices for measuring currents with different ranges, including microammeters, milliammeters, ammeters, and even kiloammeters.

In general, in electrical measurements the behavior of the current is important. It could be measured as a function of time and be of different types, for example constant, harmonic, aharmonic, pulse, and so on. Its magnitude characterizes the way the electronic circuits and devices work. The following values for current are identified:

instantaneous,
peak-to-peak amplitude,
mean,
root mean square amplitude.

Instantaneous current Ii is the value of the current at any given time. It can be viewed on the screen of an oscilloscope and measured for every moment in time by looking at the oscilloscope.

Peak-to-peak amplitude current Im is the largest instantaneous value of current for a given time period.

Root mean square amplitude value of current I is found as a square root of the arithmetic mean of the squares of instantaneous currents for a period of the waveform.

All analog ammeters usually measure root mean square amplitude value of current.

Mean value of current is a mean of all of the values of instantaneous current for the duration of the time being measured.

The difference between the maximum and the minimum value of electric current is known as the peak-to-peak value of a signal.

These days it is common to use multimeters and oscilloscopes to measure the electric current. Both of these devices provide information not only about the shape of the current or voltage but also about other important characteristics of the signal. These include the frequency of the periodic signals, and this is why it is important to know the frequency limit of the measuring device when measuring electric current.

Measuring Electric Current Using an Oscilloscope

Let us illustrate the above with a series of experiments for measuring the active and the peak values of the current of the sinusoidal and the triangular signals. We will use a generator of signal, an oscilloscope, and a multimeter.

The outline of experiment 1 is shown below:

The signal generator FG is connected to the load, which consists of a multimeter (MM) connected in series with a shunt Rs and a load resistor R. The resistance of the shunt resistor Rs is 100 Ω, and the resistance of the load resistor R is 1 kΩ. The oscilloscope OS is connected in parallel to the shunt resistor Rs. The value of the shunt resistor is chosen using the condition Rs << R. While doing this experiment, let us keep in mind that the working frequency of the oscilloscope is much higher than the working frequency of the multimeter.

Test 1

Let us supply to the load resistor a sinusoidal signal, with a frequency of 60 Hz and amplitude of 9 V. Modern oscilloscopes have a very convenient Auto Set button, which allows displaying any measured signal without touching any other oscilloscope control. Let us press the Auto Set button and watch the signal on the screen, as in illustration 1. Here the range of the signal is about five large divisions, and the value of each division is 200 mV. The multimeter shows the value of electric current as 3.1 mA. The oscilloscope determines the root mean square amplitude on the resistor as U=312 mV. The root mean square value of the current on the resistor Rs can be determined by Ohm’s law:

IRMS = URMS/R = 0.31 V / 100 Ω = 3.1 mA,

which corresponds with the value on the multimeter of 3.1 mA. Note that the range of the current through our circuit made from two resistors and a multimeter in series equals

IP-P = UP-P/R = 0.89 V / 100 Ω = 8.9 mA

We know that the peak and the actual values for the electric current and voltage differ by √2 times. If we multiply IRMS = 3.1 mA by √2, we get 4.38. Let us double this value — we get 8.8 mА, which is very close to the current measured by the oscilloscope (8.9 mА).

Test 2

Now let us reduce the generated signal in half. The range of the signal on the oscilloscope will also be reduced roughly in half (463 mV), and the multimeter will show the value that is also roughly reduced in half and equals 1.55 mA. Let us determine the value of the active current on the oscilloscope:

IRMS = URMS/R = 0.152 V / 100 Ω = 1.52 mA,

which is roughly the same value that the multimeter shows (1.55 mA).

Test 3

Now let us increase the frequency of the generator to 10 kHz. The picture on the oscilloscope will change, but the range of the signal will stay the same. The value on the multimeter will decrease — this is due to the frequency range of the multimeter.

Test 4

Let us use the initial frequency of 60 Hz and voltage of 9 V again, but let us change the shape of the signal on the generator from sinusoidal to triangular. The range of the signal on the oscilloscope stays the same, but the value on the multimeter decreases compared to the value of the current that it showed in Test 1. This is because the root mean square value of the current has changed. The oscilloscope shows the reduced value of the root mean square voltage, as measured on the resistor Rs=100 Ω.

Safety Precautions for Measuring Electric Current and Voltage

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When measuring current and voltage we have to keep in mind that depending on how safe the building is, such relatively small voltage as 12–36 V may be dangerous and even life-threatening. Therefore it is paramount to follow the following safety precautions.
Do not measure currents if the measurement requires special skills (such as measuring currents in circuits where voltage is above 1000 V).
Do not measure currents in difficult to reach places and in high places.
When measuring currents in the residential distribution network, use special protective gear such as rubber gloves, mats, or boots.
Do not use broken or damaged measuring devices.
When using multimeters, ensure that the measuring parameters and the correct measurement range are set.
Do not use a measuring device with broken probes.
Carefully follow the manufacturer instructions for the usage of the measuring device.

Artikel ini ditulis oleh Sergey Akishkin.

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Länge und DistanzMassenkonverterTrockenvolumen und häufig verwendete Messeinheiten fürs KochenFlächeVolumen und häufig verwendete Messeinheiten fürs KochenTemperaturkonverterDruck, Spannung, Youngscher ModulEnergie und ArbeitLeistungKraftZeitLineares Tempo und GeschwindigkeitWinkelBrennstoffwirkungsgrad, Brennstoffverbrauch und BrennstoffwirtschaftlichkeitZahlenEinheiten der Informations- und DatenspeicherungWährungswechselkurseGrößen für Damenkleidung und -schuheGrößen für Herrenkleidung und -schuheWinkelgeschwindigkeit und DrehzahlBeschleunigungWinkelbeschleunigungDichteSpezifisches VolumenDas TrägheitsmomentKraftmomentMomentumImpulseDrehmomentSpezifische Energie, Verbrennungswärme (pro Masse)Spezifische Energie, Verbrennungswärme (pro Volumen)TemperaturbereichWärmeausdehnungskoeffizientWärmewiderstandWärmeleitfähigkeitSpezifische WärmekapazitätWärmedichte, flächenbezogene BrandlastWärmestromdichteWärmeübergangskoeffizientVolumenstromMassenstromDer StoffmengendurchflussMassenstromdichteDie StoffmengenkonzentrationMassenkonzentration in einer LösungDynamische (absolute) ViskositätKinematische ViskositätOberflächenspannungPermeation, Permeanz, WasserdampfdurchlässigkeitDurchlässigkeit von WasserdampfSchallpegelMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLeuchtdichteLichtstärkeBeleuchtungsstärkeAuflösung digitaler BilderFrequenz und WellenlängeOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) ConverterElektrische LadungLängenbezogene elektrische LadungOberflächenladungsdichteRaumladungsdichteElektrische StromstärkeLineare StromdichteOberflächenstromdichteElektrische FeldstärkeElektrisches Potenzial und SpannungElektrischer WiderstandSpezifischer elektrischer WiderstandElektrischer LeitwertElektrische LeitfähigkeitElektrische KapazitätInduktivitätReactive AC Power ConverterDie amerikanische DrahtnormUmrechnung von Pegeln in dBm, dBV, Watt und sonstige EinheitenMagnetische SpannungMagnetische FeldstärkeMagnetischer FlussMagnetische FlussdichteStrahlenenergiedosisleistung, ionisierende GesamtstrahlendosisRadioaktivität. Radioaktiver ZerfallStrahlungsbelastung (Strahlenexposition)Strahlung – EnergiedosisMetrische VorsätzeDatenübertragungEinheiten in Typografie und digitaler BildverarbeitungMaße für HolzvolumenMolar Mass CalculatorPeriodic Table

Seeschlacht von Çeşme von Ivan Aivazovsky

Viele Bequemlichkeiten des alltäglichen Lebens beruhen auf elektrischem Strom. Er erzeugt im sichtbaren Spektrum Strahlung und versorgt uns nicht nur mit Licht, sondern hilft uns beim Kochen oder Aufwärmen von Nahrung mit unterschiedlichen elektrischen Geräten wie Elektroherden, Mikrowellenherden und Toastern. Da wir über elektrischen Strom verfügen, müssen wir nicht selbst täglich nach Brennstoff suchen, um ein Feuer anzuzünden. Dank der Elektrizität können wir uns auch mithilfe von Zügen, U-Bahnen und Hochgeschwindigkeitszügen auf horizontaler und mithilfe von Aufzügen entlang vertikaler Ebene bewegen. Auch die Wärme und Gemütlichkeit unserer Wohnungen verdanken wir dem elektrischen Strom, der elektrische Heizgeräte, Klimaanlagen und Ventilatoren betreibt. Viele elektrische Maschinen erleichtern uns die Arbeit jeden Tag und in unterschiedlichen Bereichen. Wir leben im Zeitalter der Elektrizität, was uns ermöglicht, Computer, Smartphones, das Internet, Fernsehen und andere intelligente elektronische Technologien zu nutzen. Vor dem Hintergrund, wie komfortabel Elektrizität als eine Form der Energie ist, verwundert es nicht, dass wir so viel Anstrengung in ihre Erzeugung investieren.

Es mag ungewöhnlich erscheinen, aber die Idee der praktischen Nutzung von Elektrizität wurde zuerst von den konservativsten Mitgliedern der Gesellschaft angenommen: Marineoffizieren. Es galt als schwierig, in der elitären Gesellschaft aufzusteigen und es war genauso schwer, Admiräle, die als Schiffsjungen auf Seglern angefangen hatten, von der Notwendigkeit zu überzeugen, zu Stahlschiffen mit Dampfmaschinen zu wechseln, aber die jüngeren Offiziere unterstützten Innovation. Aufgrund des Erfolgs von Feuerschiffen während des russisch-türkischen Kriegs 1770, der zum Sieg während der Seeschlacht von Çeşme führte, zog die Marine die Aufrüstung der Hafenverteidigungssysteme durch verlässliche Küstenartillerie in Kombination mit Seeminen, die zu der Zeit neu waren, in Betracht.

Bordfunkstation, ca. 1910. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Die Entwicklung unterschiedlicher Typen von Seeminen begann Anfang des 19. Jahrhunderts. Zu den erfolgreichsten Konstruktionen gehörten autonome Minen, die mittels Elektrizität aktiviert wurden. Während der 1870er wurde ein Gerät zur Detonation von verankerten Minen durch Elektrizität von dem deutschen Physiker Heinrich Hertz entwickelt. Eines dieser Geräte, eine Mine mit Zündhörnern, war berüchtigt und erscheint häufig in historischen Kriegsfilmen. Das „Horn“ aus Blei enthielt ein Behältnis mit einem Elektrolyt, das bei Kontakt mit dem Schiffskörper zerstört wurde. Das Elektrolyt speiste eine einfache Batterie, die wiederum die Detonation der Mine auslöste.

Funkstation der Hudson's Bay Company, ca. 1937. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Marineoffiziere waren die ersten Menschen, die das Potenzial der jablotschkowschen Kerze zu schätzen wussten. Diese Kerzen waren die frühen elektrischen Lichtquellen. Sie waren nicht perfekt, erzeugten jedoch Licht durch einen elektrischen Bogen und einer weißglühenden positiven Elektrode aus Kohle. Sie wurden für Signale und zur Beleuchtung des Schlachtfelds verwendet. Der Einsatz leistungsstarker Flutlichter bot der Seite Vorteile, die sie nutzte, um das Schlachtfeld während der Nacht zu erhellen oder um Informationen zu übermitteln und die Aktionen unterschiedlicher Marineeinheiten bei Seeschlachten zu koordinieren. Flutlichter in Leuchttürmen halfen bei der Navigation in gefährlichen Küstengewässern.

Vakuumröhre, ca 1921. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Es überrascht auch nicht, dass die Marine eine große Bereitschaft zeigte, Technologien anzunehmen, die die drahtlose Übermittlung von Informationen bot. Die großen Dimensionen der frühen Sendegeräte waren für die Marine kein Problem, da es auf den Schiffen ausreichend Platz gab.

Elektrische Maschinen wurden genutzt, um das Laden von Kanonen an Bord von Schiffen zu vereinfachen; elektrische Kraftmaschinerie wurde genutzt, um die Geschütztürme zu drehen, und erhöhte die Genauigkeit und Effektivität der Kanonen. Der Maschinentelegraf ermöglichte der Besatzung zu kommunizieren und erhöhte die Effizienz, was bei einer Schlacht erhebliche Vorteile mit sich brachte.

Eine der schrecklichsten Nutzungsmöglichkeiten elektrischen Stroms in einer Seeschlacht war die des Dritten Reichs auf Angriffs-U-Booten. Hitlers Unterseeboote, die die Rudeltaktik nutzten, senkten viele Transportkonvois der Alliierten. Die bekannte Geschichte von Konvoi PQ 17 ist ein Beispiel.

Drummondville-Radiosender, ca. 1926. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Die britische Marine konnte mehrere Enigma-Geräte sicherstellen, die von den Deutschen zur Kodierung von Nachrichten verwendet wurden, und den Code mit der Unterstützung von Alan Turing knacken. Er ist der Vater moderner Computertechnik. Die Alliierten fingen Funkkommunikation des deutschen Admirals Karl Dönitz ab und konnten mithilfe dieser Informationen die Küstenluftwaffe nutzen, um das Rudel in die Enge zu treiben und an die Küsten von Norwegen, Deutschland und Dänemark zurückzuzwingen. Daher waren ab 1943 Angriffe nur von kurzer Dauer.

Drahtlose Telegrafentaste, ca. 1915. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Hitler plante, seine U-Boote mit V-2-Raketen auszustatten, um damit die Ostküste der USA anzugreifen. Schnelle Angriffe an der West- und Ostfront konnten dies verhindern.

Die heutige Marine lässt sich schwer ohne Flugzeugträger und Atom-U-Boote vorstellen. Sie werden von Kernreaktoren angetrieben, die Technologien aus dem 19. Jahrhundert auf Dampfantriebsbasis, Technologien des 20. Jahrhunderts auf Basis von Elektrizität und die Kerntechnologien des 20. und 21. Jahrhunderts kombinieren. Die Energieerzeugungssysteme von Atom-U-Booten sorgen für ausreichend elektrische Energie, um den Energiebedarf einer großen Stadt zu decken.

Zusätzlich zu den bereits genannten Einsätzen der Elektrizität zieht die Marine andere Anwendungen in Betracht, beispielsweise eine Railgun bzw. elektromagnetische Schienenkanone. Eine Railgun ist eine elektrische Kanone, bei der Bewegungsenergie-Projektile verwendet werden, die ein großes Zerstörungspotenzial aufweisen.

James Clerk Maxwell. Eine Statue von Alexander Stoddart. Foto von Ad Meskens / Wikimedia Commons

Geschichte

Mit der Entwicklung zuverlässiger Energiequellen für Gleichstrom (direct current, DC) wie die Voltasche Säule, die von dem italienischen Physiker Alessandro Volta stammt, haben viele hervorragende Wissenschaftler weltweit die Eigenschaften des elektrischen Stroms und die von ihm verursachten physikalischen Phänomene sowie den praktischen Nutzen für Wissenschaft und Technik erforscht. Zu den Stars unter den Wissenschaftlern gehören Personen wie Georg Ohm, der das ohmsche Gesetz herleitete, um das Verhalten von elektrischen Strom in einem grundlegenden Stromkreis zu beschreiben, der deutsche Physiker Gustav Kirchhoff, der die Berechnung komplexer Stromkreise entwickelte und der französische Physiker André Marie Ampère, der das Gesetz entdeckte, mithilfe dessen die Eigenschaften in einem geschlossenen Kreis beschrieben werden, auf den ein Magnetfeld einwirkt und durch den ein elektrischer Strom fließt. Es ist das ampèresche Gesetz oder Durchflutungsgesetz. Die unabhängige Arbeit des englischen Physikers James Prescott Joule und des russischen Wissenschaftlers Heinrich Lenz führte zur Entdeckung des Stromwärmegesetzes, mit dem der Wärmeeffekt elektrischen Stroms quantifiziert wird.

Hendrik Antoon Lorentz, gemalt 1916 von Menso Kamerlingh Onnes (1860–1925).

Die Arbeiten von James Clerk Maxwell konzentrierten sich auf die weitere Erforschung der Eigenschaften des elektrischen Stroms und legte den Grundstein für die moderne Elektrodynamik. Heute sind diese Arbeiten als Maxwell-Gleichungen bekannt. Maxwell entwickelte auch die Theory der elektromagnetischen Strahlung und sagte viele Phänomene wie elektromagnetische Wellen, Strahlungsdruck und andere vorher. Später wurde die Existenz elektromagnetischer Wellen von dem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz experimentell bewiesen. Seine Arbeit zu Reflexion, Interferenz, Diffraktion und Polarisierung elektromagnetischer Wellen wurde bei der Erfindung des Radios genutzt.

Jean-Baptiste Biot (1774–1862)

Mehrere experimentelle Arbeiten der französischen Physiker Jean-Baptiste Biot und Félix Savart hinsichtlich der Erscheinung von Magnetismus bei vorhandenem elektrischen Strom, im Biot-Savart-Gesetz zusammengefasst, und die Forschung des brillanten französischen Mathematikers Pierre-Simon Laplace, der diese experimentellen Ergebnisse als eine mathematische Abstraktion generalisierte, zogen zum ersten Mal eine Verbindung zwischen den beiden Seiten eines Phänomens und begründeten die Lehre des Elektromagnetismus. Ein brillanter britischer Physiker, Michael Faraday, führte ihre Arbeit fort und entdeckte die elektromagnetische Induktion. Moderne Elektrotechnik baut auf Faradays Arbeit auf.

Ein Physiker aus den Niederlanden, Hendrik Lorentz, leistete einen wertvollen Beitrag zur Erklärung der Eigenarten elektrischen Stroms. Er entwickelte die klassische Elektronentheorie und überlegte, dass Atome aus kleineren geladenen Teilchen bestehen und das Licht ein Ergebnis der Oszillationen dieser Teilchen ist. Er leitete auch die Gleichung her, mit der die Kraft beschrieben wird, die auf die sich bewegende Ladung aus dem elektromagnetischen Feld einwirkt. Diese Kraft wird Lorentzkraft genannt.

Definition des elektrischen Stroms

Elektrischer Strom kann als geordnete Bewegung geladener Teilchen definiert werden. Nach dieser Definition wird elektrischer Strom anhand der Anzahl geladener Teilchen gemessen, die durch den Querschnitt eines Leiters innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit fließen.

I = q / t, wobei q die Ladung in Coulomb, t die Zeit in Sekunden und I der elektrische Strom in Ampere sind.

Eine andere Definition des elektrischen Stroms hängt von den Eigenschaften der Leiter ab und wird durch das ohmsche Gesetz beschrieben:

I = V/R, wobei V die Spannung in Volt, R der Widerstand in Ohm und I der Strom in Ampere sind.

Die elektrische Stromstärke wird in Ampere (A) und hiervon abgeleitete Einheiten wie Nanoampere (ein milliardstel Ampere, nA), Mikroampere (ein millionstel Ampere, μA), Milliampere (ein tausendstel Ampere, mA), Kiloampere (eintausend Ampere, kA) und Megaampere (eine Million Ampere, MA) gemessen.

Im internationalen Einheitensystem (Système International d'Unités, SI) wird die elektrische Stromstärke mit

[А] = [C] / [s] hergeleitet.

Aluminium ist ein sehr guter Leiter und wird häufig bei Stromdrähten verwendet

Bei der Betrachtung elektrischen Stroms müssen wir das Medium berücksichtigen, das ihn transportiert. Insbesondere gilt dies für die geladenen Teilchen, die im Material oder der Substanz im aktuellen Zustand vorhanden sind. Das Material oder die Substanz kann fest, flüssig oder gasförmig sein. Ein einzigartiges Beispiel unterschiedlicher Zustände einer Substanz ist Dihydrogenmonoxid, oder Wasserstoffoxid, was wir einfach als Wasser kennen. Es ist fest, wenn es gefroren ist, beispielsweise im Eisfach des Kühlschranks. Andererseits verwenden wir kochendes flüssiges Wasser zum Bereiten von Tee oder Kaffee. Beim Kochen des Wassers sehen wir den Nebel entweichen. Der Nebel besteht aus Wassertropfen, die sich im gasförmigen Zustand (Dampf) bilden, wenn der Dampf in Kontakt mit der kalten Luft gerät.

Ein weiterer Zustand kann Plasma sein. Niedrigtemperatur-Plasma bildet die oberen Schichten der Sterne, die Ionosphäre der Erde, eine Flamme, einen Lichtbogen und die Substanz in einer fluoreszierenden Lampe, um einige Beispiele zu nennen. Hochtemperatur-Plasma lässt sich im Labor schwer erzeugen, da es extrem hohe Temperaturen (über 1.000.000 K) erfordert.

Diese Hochspannungsstromunterbrecher enthalten zwei Hauptkomponenten: die Kontaktunterbrecher und eine Isolierung, die zwei Drähte miteinander verbindet.

Feststoffe werden aufgrund ihrer Struktur in Kristalle und amorphe Festkörper klassifiziert. Kristalle verfügen über ein strukturiertes Gitter. Die Atome und Moleküle einer solchen Substanz erzeugen zwei- oder dreidimensionale Kristallgitter. Einige Beispiele für kristalline Feststoffe sind Metalle, ihre Legierungen und Halbleiter. Wir können kristalline Feststoffe anhand von Schneeflocken visualisieren, die einzigartig geformte Kristalle bilden. Amorphe Substanzen weisen kein Kristallgitter auf. Dielektrika sind in der Regel amorph.

Unter regulären Bedingungen fließt elektrischer Strom durch Feststoffe aufgrund der Bewegung freier Elektronen, die wiederum aufgrund von sich vom Atom lösenden Valenzelektronen ungebunden sind. Feststoffe können auch auf Basis der Art des Elektrizitätsflusses in ihnen bei Leitern, Halbleitern und Isolatoren unterteilt werden. Die Eigenschaften unterschiedlicher Materialien werden auf Basis der diskreten elektronischen Bandstruktur bestimmt. Sie hängt von der Breite der Bandlücke ab, wo keine Elektronen vorhanden sein können. Isolatoren weisen die breiteste Bandlücke auf, manchmal bis zu 15 Elektronenvolt (eV). Isolatoren und Halbleiter weisen keine Elektronen in der Leiterlücke bei einer Temperatur von absolut null auf. Bei Zimmertemperatur würden sich einige Elektronen in der Lücke befinden, die sich aufgrund der Wärmeenergie aus den Valenzbändern dorthin bewegen. In Leitern aus Metall, würde das Leitband mit den Valenzbändern überlappen. Daher befinden sich selbst bei absolut null eine große Anzahl Elektronen in der Lücke. Dies gilt auch, wenn die Temperatur auf den Schmelzpunkt ansteigt. Diese Elektronen ermöglichen, dass elektrischer Strom durch das Material fließt. Halbleiter verfügen über schmale Bandlücken und ihre Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, hängt sehr von Temperatur, Strahlung und anderen Faktoren wie das Vorhandensein von Dopants ab.

Geblechter Kerntransformator. I- und E-geformte Stahlbleche sind deutlich an den Seiten zu sehen.

Supraleiter erzeugen besondere Bedingungen für elektrischen Strom. Es sind Materialien, die zum elektrischen Stromfluss keinerlei Widerstand aufweisen. Leitung von Elektronen dieser Materialien bilden Teilchengruppen, die aufgrund von Quanteneffekten verbunden sind.

Wie ihr Name andeutet, leiten Isolatoren elektrischen Strom nicht sehr gut. Diese Eigenschaft von Isolatoren wird genutzt, um den Fluss elektrischen Stroms zwischen leitenden Oberflächen unterschiedlicher Materialien zu begrenzen.

Zusätzlich zum elektrischen Strom, der bei einem gleichbleibenden magnetischen Feld durch die Leiter fließt, gibt es bei einem variablen magnetischen Feld ein Phänomen, das sich Wirbelstrom bzw. Foucaultscher Strom nennt. Je größer die Änderungsrate im magnetischen Feld, desto stärker die Wirbelströme. Sie fließen nicht einen bestimmten Pfad entlang, sondern in geschlossenen Kreisen im Leiter.

Wirbelströme erzeugen einen Oberflächeneffekt, eine Tendenz des Wechselstroms (alternating electric current, AC) und magnetischen Flux-Flows hauptsächlich entlang der Oberflächenebene des Leiters, was zu Energieverlust führt. Um diese Verluste durch Wirbelströme bei Transformatorkernen zu verringern, sind ihre magnetischen Kreise geteilt. Hierzu werden Schichten aus dünnen, isolierten Stahlplatten, die den Transformatorkern bilden, zusammengesteckt.

Chrombeschichteter Kunststoffduschkopf

Elektrischer Strom in Flüssigkeiten (Elektrolyten)

Alle Flüssigkeiten können bis zu einem bestimmten Grad elektrischen Strom leiten, wenn an ihnen eine elektrische Spannung angelegt wird. Flüssigkeiten, die elektrischen Strom leiten, werden Elektrolyt genannt. Elektrischer Strom fließt anhand der positiv und negativ geladenen Ionen, jeweils Kationen und Anionen genannt, die aufgrund elektrolytischer Dissoziation in der Flüssigkeit vorhanden sind. In Elektrolyten fließt der Strom aufgrund der Bewegung der Ionen, im Gegensatz zur Bewegung von Elektronen in Metallen. Der Strom in Elektrolyten wird durch die Bewegung der Substanz zu den Elektroden und die Bildung neuer chemischer Elemente an den Elektroden oder die Ablagerung dieser neuen Substanzen an den Elektroden charakterisiert.

Dieses Phänomen war die Basis für die Elektrochemie und es ermöglicht uns, das Äquivalentgewicht unterschiedlicher chemischer Substanzen zu bestimmen. So konnte anorganische Chemie eine exakte Wissenschaft werden. Die weitere Entwicklung der Elektrolytchemie ermöglichte uns, chemische Quellen für Energie in Form von Primär- und aufladbaren Batterien sowie Brennstoffzellen zu produzieren. Das wiederum hat zu einem Entwicklungssprung in der Technologie geführt. Ein Blick auf die Batterie unter der Motorhaube eines Autos bietet einen Eindruck der Ergebnisse, die uns jahrzehntelange Arbeit von Forschern und Ingenieuren beschert haben.

Autobatterie in einem Honda Civic 2012

Viele der industriellen Prozesse, die vom Fluss elektrischen Stroms in Elektrolyten abhängen, ermöglichen eine attraktive Oberfläche bei Endprodukten (beispielsweise Chrom- und Nickelgalvanisierung) und schützen diese Objekte vor Korrosion. Galvanisierung und Abtragen sind grundlegende Prozesse in der modernen Elektrotechnik beim Herstellen verschiedener elektronischer Komponenten. Diese Prozesse finden beispielsweise Anwendung in der Mikroproduktion. Die Anzahl elektronischer Komponenten, die mithilfe dieser Technik hergestellt werden, erreichen viele Milliarden.

Elektrischer Strom in Gasen

Der Fluss elektrischen Stroms in Gasen hängt von der Zahl freier Elektronen und Ionen ab, die in dem Gas vorhanden sind. Aufgrund des größeren Abstands zwischen Gasteilchen, im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen, ist es die Regel für Moleküle und Ionen in Gasen, größere Distanzen zurückzulegen, bevor sie zusammenstoßen. Daher ist der Elektrizitätsfluss in Gasen unter normalen Bedingungen schwierig. Das Gleiche gilt für Gasgemische. Ein Beispiel für ein Gasgemisch ist Luft. In der Elektrotechnik gilt sie als guter Isolator. Unter regulären Bedingungen sind viele andere Gasgemische ebenfalls gute Isolatoren.

Testlicht-Schraubendreher zeigt, dass eine Spannung von 220 V vorhanden ist

Der Elektrizitätsfluss in Gasen hängt von unterschiedlichen physikalischen Faktoren wie Druck, Temperatur und den Komponenten ab, aus denen die Mischung besteht. Darüber hinaus spielt ionisierende Strahlung eine Rolle. Beispielsweise kann Gas Elektrizität leiten, wenn es mit ultravioletter oder mit Röntgenstrahlung bestrahlt wurde, wenn eine Einwirkung von Kathoden- oder Anodenteilchen oder von Teilchen, die von einer radioaktiven Substanz abgegeben wurden, erfolgt ist oder selbst wenn das Gas eine hohe Temperatur aufweist.

Wenn Energie von elektrisch neutralen Atomen oder Molekülen eines Gases absorbiert werden und wenn sich Ionen bilden, wird dieser endotherme Prozess Ionisierung genannt. Erreicht die Energie eine bestimmte Schwelle, überwinden die Elektronen oder eine Gruppe von Elektronen eine potenzielle Barriere und verlassen das Atom oder Molekül. Sie werden so freie Elektronen. Das Atom oder Molekül, das von dem Elektron verlassen wurde, ist nicht mehr neutral, sondern positiv geladen. Freie Elektronen können sich neutralen Atomen oder Molekülen anschließen und bilden negativ geladene Ionen. Positiv geladene Ionen können sich wieder mit negativ geladenen Elektronen verbinden, wenn sie mit ihnen zusammenstoßen, und sind dann wieder neutral. Dieser Prozess wird Rekombination genannt.

Wenn elektrischer Strom durch das Gas fließt, ändert sich sein Zustand. Das führt zu einer komplexen Abhängigkeit von dem elektrischem Strom und der Spannung, die mehr oder weniger durch das ohmsche Gesetz geregelt ist – jedoch nur bei niedriger Stromstärke.

Elektrische Entladungen in Gasen können sowohl nicht selbstständig als auch selbstständig erfolgen. Nicht selbstständige Entladungen erzeugen elektrischen Strom, der nur durch Einwirken externer ionisierender Faktoren möglich ist. Fehlen diese, fließt kein elektrischer Strom durch das Gas. Auf der anderen Seite wird während der selbstständigen Entladungen elektrischer Strom aufgrund der Ionisierung neutraler Atome und Moleküle im Gas beibehalten. Die Atome und Moleküle werden durch das elektrische Feld bei Zusammenstoßen mit den freien Elektronen und Ionen beschleunigt. Unter diesen Umständen ist ein elektrischer Strom sogar ohne externe ionisierende Faktoren möglich.

Strom-Spannungs-Eigenschaften einer Glimmentladung

Wenn die Potenzialunterschiede zwischen der Anode und der Kathode gering sind, wird die selbstständige Entladung dunkle oder Townsend-Entladung genannt. Während die Spannung sich erhöht, steigt auch die Stromintensität. Anfangs ist diese Erhöhung proportional zur Spannung (Abschnitt OA bei dem Voltampere-Merkmal der dunklen Entladung), aber die Erhöhungsrate lässt zunehmend nach (Abschnitt AB auf der Kurve). Wenn alle gelösten Teilchen, die aufgrund der Ionisierung freigegeben wurden, sich gleichzeitig zur Kathode und zur Anode bewegen, gibt es keine Erhöhung der Stromstärke (Abschnitt BC auf der Kurve). Wenn die Spannung wieder erhöht wird, steigt die Stromstärke ebenfalls und die dunkle Entladung wird eine nicht selbstständige Lawinenladung. Ein Beispiel einer nicht selbstständigen Entladung ist eine Glimmentladung bei Hochdruck-Entladungslampen für verschiedene Zwecke.

Wenn die nicht selbstständige Entladung in eine selbstständige Entladung gewandelt wird, steigt die elektrische Stromstärke (Punkt E auf der Kurve). Der Punkt ist als elektrischer Durchschlag bekannt.

Elektronischer Fotoblitz mit Xenonröhre (rotes Rechteck)

Alle unterschiedlichen Entladungsarten wie oben beschrieben sind stationär. Die Eigenschaften sind nicht zeitabhängig. Neben diesen Entladungen gibt es auch nicht stationäre Entladungen, die in der Regel in ungleichmäßigen elektrischen Feldern auftreten, beispielsweise in Spitzen- oder gebogenen Oberflächen von Leitern oder Elektroden. Es gibt zwei Arten ungleichmäßiger Entladung: Coronaentladungen und Funkenentladung.

Ionisierung bei einer Coronaentladung verursacht keinen elektrischen Durchschlag. Diese Entladung verursacht die Wiederholung einer nicht selbstständigen Entladung in einem kleinen begrenzten Bereich um den Leiter. Ein gutes Beispiel einer Coronaentladung ist das Glühen in der Luft um Antennen, Blitzableitern oder Stromoberkabeln herum. Coronaentladungen um Stromkabel verursachen Energieverlust. In der Vergangenheit war dieses Glühen Seefahrern bekannt. Das Glühen um Schiffsmasten wurde Elmsfeuer genannt. Coronaentladungen werden in Laserdruckern und Fotokopierern genutzt. Sie wird durch ein coronaerzeugendes Gerät generiert, an dem eine hohe Spannung angelegt wird. Eine Coronaentladung ionisiert Gas, welches wiederum die fotosensitive Trommel ionisiert. In diesem Fall ist eine Coronaentladung nützlich.

Im Gegensatz zu einer Coronaentladung verursacht eine elektrostatische Entladung einen elektrischen Durchschlag. Es sieht wie unterbrochene Lichtfäden aus, die sich verzweigen und mit ionisiertem Gas gefüllt sind. Sie erscheinen und verschwinden und produzieren eine große Menge Hitze und Licht. Ein übliches Beispiel für natürlich vorkommende elektrostatische Entladung sind Blitze. Elektrischer Strom in ihnen kann das Zehnfache an Kiloampere erreichen. Bevor Blitze auftreten können, muss durch Vorentladung ein Blitzkanal oder eine Leitblitz erzeugt werden. Es erzeugt einen stufenweise aufgebauten Blitzkanal. Blitze bestehen in der Regel aus einer mehrfachen elektrostatischen Entladung im Blitzkanal für Wolken-Boden-Negativblitze. Eine leistungsstarke elektrostatische Entladung wird bei elektronischen Fotoblitzen verwendet. Bei ihnen wird die Entladung zwischen den Elektroden einer Blitzröhre aus Quarzglas gebildet, die mit einem Gemisch von ionisiertem Edelgas gefüllt ist.

Wenn eine elektrische Entladung für eine lange Zeit aufrechterhalten wird, wird sie Lichtbogen genannt. Lichtbögen werden beim Schweißen, eine unentbehrliche Methode in der modernen Technik, um Stahlkonstruktionen unterschiedlicher Größe und für verschiedene Zwecke zu bauen, von Wolkenkratzern über Flugzeugträger bis hin zu Fahrzeugen. Ein Lichtbogen wird nicht nur zum Verbinden von Materialien, sondern auch um sie zu zerschneiden verwendet. Der Unterschied zwischen den zwei Prozessen besteht in der verwendeten Stromstärke. Schweißen erfolgt bei relativ niedrigen Stromstärken, während Schneiden höhere Stromstärken für den Lichtbogen erfordert. Das Schneiden selbst tritt auf, wenn geschmolzenes Metall entfernt wird. Unterschiedliche Techniken werden dafür eingesetzt.

Ein weiteres Einsatzgebiet für einen Lichtbogen in Gasen ist die Gasentladungslampe, die beispielsweise zur Beleuchtung von Straßen, Plätzen und Stadien verwendet werden (Natriumdampflampen werden in der Regel hier eingesetzt). Metall-Halegonid-Lampen ersetzten die weißglühenden Lampen bei Autoscheinwerfen und nutzen ebenfalls diese Technologie.

Elektrischer Strom im Vakuum

Vakuumröhre in Übertragungsstation. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Ein Vakuum ist ein perfektes Dielektrikum und daher ist elektrischer Strom im Vakuum nur möglich, wenn freie Träger von Strom wie Elektronen oder Ionen durch thermionische Emission, fotoelektrische Emission oder auf andere Arten erzeugt werden.

Fernsehkameras wie diese wurden in den 1980ern genutzt. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Die Hauptmethode der Erzeugung elektrischen Stroms im Vakuum unter Nutzung von Elektronen erfolgt durch thermoelektrische Emission der Elektronen von Metallen. Wenn eine Elektrode erwärmt wird (sie wird Glüh- oder Heizkathode genannt), gibt sie Elektronen in die Röhre ab. Diese Elektronen erzeugen einen elektrischen Strom, solang eine andere Elektrode (Anode genannt) vorhanden ist und solang eine bestimmte Spannung der erforderlichen Polarität zwischen den beiden besteht. Solche Vakuumröhren werden Dioden genannt und leiten elektrischen Strom nur in eine Richtung. Sie blockieren den Strom, wenn ein Versuch unternommen wird, den Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung zu zwingen. Diese Eigenschaft wird verwendet, Wechselstrom in Gleichstrom durch den Prozess des Gleichrichtens umzuwandeln. Dies wird von einem Diodensystem durchgeführt.

Wenn eine zusätzliche Elektrode, das Steuergitter, nahe der Kathode hinzugefügt wird, erhalten wir ein Gerät, das Triode genannt wird und selbst kleine Spannungsänderungen im Steuergitter relativ zur Kathode erheblich verstärkt. Im Ergebnis ändert dies den Strom und die Spannung der Ladung, die mit der Vakuumröhre in Reihe geschaltet ist, in Bezug auf die Stromquelle. Dieses System, Verstärker genannt, wird verwendet, um verschiedene Signale zu steigern.

Die Nutzung von Vakuumröhren mit einer großen Anzahl Steuergitter wie bei Tetroden, Pentoden und selbst Fünfgitter-Mischröhren, die über sieben Elektroden verfügen, galt bei der Erzeugung und Verstärkung von Funksignalen als revolutionär und ermöglichte moderne Systeme wie Radio- und Fernsehübertragung.

Moderner Videoprojektor

Radio wurde zuerst entwickelt, da es vergleichsweise einfach war, Möglichkeiten zu entwerfen, um relativ geringe Frequenzsignale zu wandeln und zu senden und ein Schaltkreisdesign für Empfängergeräte zu entwerfen, die Funkfrequenzen verstärken und mischen, um sie in ein akustisches Signal durch den Prozess der Demodulation zu wandeln.

Als das Fernsehen erfunden wurde, wurden Vakuumröhren, Ikonoskope genannt, verwendet, um Elektronen durch den fotoelektrischen Effekt des auf sie fallenden Lichts abzugeben. Eine weitere Stärkung des Signals wurde durch einen Vakuumröhrenverstärker erreicht. Um das erfasste und gesendete Bild anzuzeigen wurden Kathodenstrahlenröhren (cathode ray tube, CRT) verwendet, die ebenfalls Vakuumröhren waren. In der Kathodenstrahlröhre wurde das Bild mithilfe einer Rückumwandlung des Signals auf den Bildschirm erzeugt. Dies geschah durch die Beschleunigung von Elektronen auf eine hohe Geschwindigkeit anhand einer (oder drei für Farbfernsehen) Elektronenkanone in einem starken elektrischen Feld. Das elektrische Feld wurde durch Anlegen einer hohen Spannung zwischen der Kathode der Elektronenkanone und der Anode der Kathodenstrahlröhre geschaffen. Hochgeschwindigkeitselektronenstrahlen wurden auf den Bildschirm gerichtet, der mit einem fluoreszierenden Material beschichtet war, und das sichtbare Licht wurde von ihm abgestrahlt. Das Bild wurde von zwei gegenseitig synchronisierten Systemen erzeugt: eins, das das Signal von dem Ikonoskop ablas, und eins, das einen Rasterscan ausführte. Die ersten Kathodenstrahlenröhren waren einfarbig.

SU3500-Rasterelektronenmikroskop. Department of Materials Science and Engineering. University of Toronto

Farbfernsehen wurde bald darauf entwickelt. Die Ikonoskope beim Farbfernsehen waren Hybridsysteme, die nur auf das Licht einer bestimmten Farbe, entweder rot, blau oder grün, reagierten. Die Farbphosphorpunkte einer TV-Kathodenstrahlröhre gaben aufgrund des von der Elektronenkanone erzeugten elektrischen Stroms Licht ab. Sie reagierten auf die beschleunigten Elektronen, die auf sie trafen, und strahlten Licht einer bestimmten Farbe und Helligkeit aus. Spezielle Schattenmasken wurden genutzt, um sicherzustellen, dass die Strahlen jeder Farbelektronenkanone die Phosphorpunke der richtigen Farbe trafen.

Moderne Fernseh- und Radioübertragungstechnologien verwenden weiterentwickelte Materialien auf Grundlage von Halbleitern, die weniger Energie benötigen.

Eine der weitverbreiteten Methoden zur Erzeugung eines Bilds der inneren Organe ist die Fluoroskopie. Eine Kathode gibt Elektronen ab, die auf eine solche Geschwindigkeit beschleunigt werden, dass sie, wenn sie auf eine Anode treffen, Röntgenstrahlen erzeugen, die weiches Gewebe des menschlichen Körpers durchdringen können. Röntgenbilder bieten Ärzten einzigartige Informationen über den Zustand von Knochen, Zähnen und einigen inneren Organen und können die Diagnose von Krankheiten wie zum Beispiel Lungenkrebs unterstützen.

C-Band-Wanderfeldröhre. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Im Allgemeinen findet elektrischer Strom, der von der Bewegung von Elektronen in einem Vakuum erzeugt wird, eine großes Anwendungsgebiet. Vakuumröhren, Teilchenbeschleuniger, Massenspektrometer, Elektronenmikroskope, Vakuumgeneratoren hoher Frequenz wie Wanderfeldröhren, Klystrone und Hohlraummagnetrons sind nur einige Beispiele, wie wir diese Art elektrischen Strom nutzen. Magnetrons erhitzen unsere Lebensmittel in Mikrowellenherden.

Eine kürzlich entwickelte wertvolle Technologie für den Einsatz von elektrischem Strom im Vakuum ist die Dünnschichtablage im Vakuum. Diese Schichten haben eine dekorative oder schützende Funktion. Die bei dieser Technik verwendeten Materialien sind Metalle, ihre Legierungen und ihre Zusammensetzungen mit Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Diese Schichten ändern oder kombinieren die elektrischen, optischen, mechanischen, magnetischen, katalytischen und korrosionsbezogenen Eigenschaften der Oberfläche, die sie bewegen.

Um eine komplexe Zusammensetzung für die Schicht zu erhalten, wird die Technologie der Ionenstrahlablagerung verwendet. Beispiele dieser Technologie sind die Kathaphorese und seine gewerbliche Variante von Sputtern mittels Hochleistungsimpulsmagnetron. Letztendlich ist es der elektrische Strom, der die Schicht auf der Oberfläche dank der Ionen erzeugt.

Ionenstrahlsputtern erzeugt Schichten von Nitriden, Karbiden und Metalloxiden, die eine außergewöhnliche Reihe von mechanischen, thermophysischen und optischen Eigenschaften einschließlich Härte, Dauerhaftigkeit, Elektro- und Thermoleitfähigkeit und optische Dichte aufweisen. Es ist nicht möglich, diese Ergebnisse auf andere Weise zu erzielen.

Elektrischer Strom in Biologie und Medizin

Imitation eines Operationssaals des Li Ka Shing Knowledge Institute, Toronto, Kanada. Das Patienten-Robotermannequin, das zwinkert, atmet, weint, blutet und Krankheiten simuliert, wird für die Schulung genutzt

Ein Verständnis von elektrischem Strom in biologischen Systemen bietet Medizinern und Biologen ein leistungsstarkes Hilfsmittel in der Forschung, in der Diagnostik und bei der Behandlung.

Aus der Sicht der Elektrochemie enthalten alle biologischen Objekte Elektrolyte, unabhängig von ihrer Struktur.

Bei der Überlegung, wie elektrischer Strom durch ein biologisches Objekt fließt, muss der Zustand der Zellen dieses Objekt berücksichtigt werden. In dieser Hinsicht ist die Zellmembran eine wichtige, zu beachtende Struktur. Es ist die äußere Schicht jeder Zelle, die die Zelle vor den negativen Auswirkungen der Umwelt schützt, indem sie eine selektive Durchlässigkeit für unterschiedliche Substanzen aufweist. Mit anderen Worten: Sie lässt einige Substanzen durch und andere nicht. Aus der physikalischen Sicht kann man diese Membran als Äquivalentkreis sehen, der aus einer parallelen Verbindung eines Kondensators mit mehreren Kreisen besteht, die in Reihe mit einer Stromquelle und einem Widerstand geschaltet sind. Dank dieser Struktur hängt die elektrische Leitfähigkeit des biologischen Objekts von der Frequenz und dem Typ der angelegten Spannung ab.

Eine 3-D-Darstellung der Faserbahnen, die unterschiedliche Regionen des Gehirns verbinden. Das Bild wurde mithilfe der nicht invasiven Diffusions-Tensor-Bildgebung (diffusion tensor imaging, DTI) erhalten

Biologisches Gewebe besteht aus Zellen, Extrazellularflüssigkeit, Blutgefäßen und Nervenzellen. Wird elektrischer Strom angesetzt, werden die Nervenzellen gereizt und senden Signale, die Muskeln und Blutgefäße zusammenzuziehen oder zu entspannen. Der Fluss elektrischen Stroms in biologischem Gewebe ist nicht linear.

Das klassische Beispiel der Wirkung elektrischen Stroms an einem biologischen Objekt ist die Experimentreihe des italienischen Physikers, Arztes und Biologen Luigi Galvani, der als einer der Väter der Elektrochemie gesehen wird. Bei diesen Experimenten legte er elektrischen Strom an die Nerven eines Froschbeins, was eine Kontraktion der Muskeln und die Bewegung des Beins verursachte. 1791 wurden seine Ergebnisse im Bericht zur elektrischen Kraft auf Muskelbewegung beschrieben. In Lehrbüchern wurde dieses von Galvani entdeckte Phänomen lange als Galvanismus bezeichnet und fällt heute unter den Begriff Elektrophysiologie. Selbst heute wird der Begriff noch gelegentlich für bestimmte Prozesse und Geräte verwendet.

Die Weiterentwicklung der Elektrophysiologie hängt eng mit der Neurophysiologie zusammen. 1875 zeigten der britische Arzt Richard Caton und der russische Arzt Vasily Danilewsky unabhängig voneinander, dass das Gehirn Elektrizität erzeugen kann. Mit anderen Worten entdeckten sie den Ionenstrom, der im Gehirn fließt.

Biologische Objekte können nicht nur Mikroströme, sondern auch erhebliche Spannungen und Stromstärken im Rahmen der alltäglichen Funktion erzeugen. Lange vor Galvanis Arbeit bewies der britische Biologe John Walsh die elektrische Charakteristik des Verteidigungssystems eines Zitterrochens. Der schottische Arzt und Physiologe John Hunter beschrieb den Mechanismus, anhand dessen ein Zitterrochen Elektrizität erzeugt, detailliert. Die Ergebnisse ihrer Forschungen wurden 1773 veröffentlicht.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI) ist eine nicht invasive Methode, anhand derer Ärzte die Aktivitäten des Gehirns durch Erkennen von Änderungen im Blutfluss messen können

Die moderne Medizin und Biologie verwenden andere Methoden zur Erforschung lebender Organismen. Dazu gehören sowohl invasive als auch nicht invasive Verfahren.

Ein klassisches Beispiel einer invasiven Methode ist die Studie von Ratten, die durch ein Labyrinth laufen oder Aufgaben ausführen, nachdem in ihrem Gehirn Elektroden implantiert wurden.

Nicht invasive Methoden sind Diagnoseverfahren wie die Elektroenzephalographie und die Elektrokardiographie. Bei diesen Verfahren werden Elektroden, mithilfe derer die elektrischen Ströme im Gehirn oder im Herzen beobachtet werden, verwendet, um Messungen über die Haut einer Person oder eines Tieres durchzuführen. Um den Kontakt mit den Elektroden zu verbessern wird eine salzhaltige Lösung auf die Haut aufgetragen, da sie ein gutes Elektrolyt ist und elektrischen Strom gut leitet.

Neben dem Einsatz des elektrischen Stroms in der Forschung und bei der Überwachung unterschiedlicher chemischer Prozesse und Reaktionen, gehört die Defibrillation zu den dramatischsten Anwendungsgebieten der Elektrizität. In Filmen wird dies gelegentlich als „Wiederbelebung“ eines nicht mehr arbeitenden Herzens gezeigt.

Schulung Automatisierte Externe Defibrillatoren (AED)

Tatsächlich kann ein kurzzeitiger Impuls von beträchtlichem Umfang manchmal (aber sehr selten) ein Herz wiederbeleben. Defibrillatoren werden jedoch eher dazu verwendet, Herzen mit Rhythmusstörungen zu normalisieren. Die chaotischen nicht rhythmischen Kontraktionen sind als Fibrillation der Herzkammern bekannt. Daher rührt der Name DEfibrillator für das Gerät, das den regulären Rhythmus des Herzens wiederherstellt. Moderne automatische externe Defibrillatoren erfassen die elektrische Aktivität des Herzens, bestimmen die Fibrillation der Herzkammern und berechnen dann auf Grundlage dieser Faktoren die benötigte Stromstärke für den Patienten. An vielen öffentlichen Orten befinden sich heute Defibrillatoren und Mediziner hoffen, dass diese Maßnahme viele Todesfälle aufgrund von Herzfehlfunktionen verhindert.

Sanitäter werden ausgebildet, den physiologischen Zustand des Herzmuskels anhand eines Elektrokardiogramms festzustellen und schnell Entscheidungen zur Behandlung zu treffen – sehr viel schneller, als die öffentlich verfügbaren automatisierten externen Defibrillatoren dies können.

Künstliche Herzschrittmacher steuern ebenfalls die Kontraktionen des Herzens elektrisch. Die Geräte werden unter die Haut oder unter den Brustmuskel des Patienten eingesetzt und senden Impulse von elektrischem Strom mit einer Spannung von etwa 3 V durch die Elektrode und zum Herzmuskel. Dies stimuliert einen normalen Herzrhythmus. Moderne Schrittmacher funktionieren 6–14 Jahre, bevor sie ersetzt werden müssen.

Eigenschaften elektrischen Stroms, seine Erzeugung und Nutzung

Elektrischer Strom wird durch seinen Stärke und seine Art charakterisiert. Abhängig von seinem Verhalten werden die Arten von elektrischem Strom in Gleichstrom (direct current, DC; ändert sich nicht mit der Zeit), unharmonischen Strom (ändert sich mit der Zeit zufallsbestimmt) und Wechselstrom (alternating current, AC; ändert sich mit der Zeit gemäß einem bestimmten Muster, im Allgemeinen durch ein periodisches Gesetz geregelt) unterteilt. Einige Anwendungsbereiche erfordern sowohl Gleich- als auch Wechselstrom. In diesem Fall sprechen wir von einem Wechselstrom mit Gleichstromkomponente.

Kernfusionsreaktor Tokamak de Varennes. Varennes, Quebec 1981. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Der erste triboelektrische Generator von elektrischem Strom, eine Wimshurst-Maschine, erzeugte diesen durch Reiben von Wolle auf einem Stück Bernstein. Fortschrittlichere Generatoren der gleichen Art werden nun Van-de-Graaff-Generatoren genannt, nach dem Erfinder der frühen Versionen dieser Maschinen.

Wie bereits erwähnt wurde ein elektrochemischer Generator von dem italienischen Physiker Alessandro Volta erfunden. Dieser Generator wurde zu heutigen Trockenbatterien, wiederaufladbaren Batterien und Brennstoffzellen weiterentwickelt. Sie sind sehr komfortable Energiequellen für alle möglichen Geräte, von Uhren und Smartphones bis hin zu Autobatterien und Batterien für elektrische Fahrzeuge.

Neben den oben beschriebenen Gleichstromgeneratoren gibt es auch Generatoren, die die Kernspaltung von Isotopen nutzen und Atombatterie genannt werden, sowie magnetohydrodynamische Generatoren, die heute nur sehr begrenzt eingesetzt werden. Sie liefern unter anderem zu geringe Leistung und weisen technische Einschränkungen im Design auf. Nichtsdestotrotz werden Radionuklidgeneratoren in energieautonomen Systemen wie im Weltraum, in autonomen Unterwasserfahrzeugen und Sonarstationen, in Leuchttürmen, bei der Seezeichenbeleuchtung sowie in der Arktis und Antarktis eingesetzt.

Kommutator im Motor-Generator-Satz, 1904. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

In der Elektrotechnik werden Generatoren in Gleichstrom und in Wechselstrom erzeugende Generatoren unterteilt.

Alle diese Generatoren funktionieren dank der elektromagnetischen Induktion, die 1831 von Michael Faraday entdeckt wurde. Faraday baute den ersten Schwachstrom-Gleichpolgenerator, der Gleichstrom erzeugte. Hinsichtlich des ersten Generators für Wechselstrom ist überliefert, dass dieser Faraday 1832 in einem anonymen mit „P. M.“ unterzeichneten Brief beschrieben wurde. Nachdem Faraday diesen Brief veröffentlicht hatte, erhielt Faraday ein Jahr später einen weiteren, in dem ihm gedankt und Verbesserungen zum Aufbau vorgeschlagen wurden. Ein hinzuzufügender Stahlring sollte den Magnetfluss der magnetischen Pole der Spulen transportieren. Es ist nicht eindeutig geklärt, ob diese Geschichte wahr ist.

Zu der Zeit war das Einsatzgebiet für Wechselstrom noch nicht gefunden. Alle praktischen Anwendungen von Elektrizität erforderten Gleichstrom, so beispielsweise elektrischer Strom im Minenkrieg, in der Elektrochemie, in der gerade entwickelten Telegrafie und bei den ersten Elektromotoren. Daher haben sich viele Erfinder auf die Verbesserung der Generatoren für Gleichstrom konzentriert und entwickelten verschiedene Schaltanlagen hierzu.

Einer der ersten Generatoren, der praktischen Einsatz fand, war der magnetelektrische Generator von dem deutschen und russischen Wissenschaftler Moritz von Jacobi, der von 1835 bis 1874 in Russland arbeitete. Er wurde von den Marineeinheiten der russischen Armee verwendet, um die Zünder von Seeminen zu aktivieren. Verbesserte Generatoren dieser Art werden auch heute noch zum Zünden von Minen verwendet. Man sieht sie auch häufig in Historienkriegsfilmen, wo sie von Guerillakämpfern oder Saboteuren eingesetzt werden, um beispielsweise Brücken zu sprengen oder Züge entgleisen zu lassen.

Laserlinse von CD-Laufwerk

Mit der Zeit wetteiferten führende Ingenieure, um die Gleich- und Wechselstromgeneratoren zu verbessern, mit der letztendlichen Pattsituation der zwei Giganten des neuen Felds der Elektrizitätserzeugung mit Thomas Edison von General Electric auf der einen und Nicola Tesla von Westinghouse auf der anderen Seite. Das größere Kapital gewann und Teslas Technologien zur Erzeugung, zum Transport und zur Umwandlung von Wechselstrom wurden zum Vermächtnis für die amerikanische Gesellschaft. Dies sorgte für ein bedeutendes Wachstum in der amerikanischen Wirtschaft und führte das Land an die Spitzenposition in der Welt.

Neben der Fähigkeit, für unterschiedliche Bedürfnisse Elektrizität zu erzeugen, die auf der Wandlung mechanischer Bewegung in Elektrizität aufgrund der Umkehrbarkeit der elektrischen Maschine beruhte, wurde eine andere Möglichkeit zur Rückumwandlung von elektrischem Strom in mechanische Bewegung umgesetzt. Dies wurde durch elektrische Motoren möglich, die mit Gleich- und Wechselstrom arbeiteten. Man könnte sagen, dass diese Maschinen zu den meistgenutzten Technologien gehören und sie umfassen Auto- und Motorradstarter, Triebwerke gewerblicher Maschinen und Maschinenwerkzeuge sowie Verbrauchergeräte und -elektronik. Wir verfügen über Fähigkeiten für verschiedene Aufgaben wie Schneiden, Bohren und Formen dank dieser Geräte. Wir verwenden optische Medien wie CDs und Festplatten in unseren Computern dank dieser Technologien. Ohne sie wäre die Schaffung kleinster Gleichstrom-Präzisionsmotoren nicht möglich gewesen.

Neben elektromechanischen Motoren, die wir gewohnt sind, funktionieren auch Ionendüsen dank elektrischen Stroms. Diese Motoren basieren auf dem Prinzip des Antriebs, indem beschleunigte Ionen einer bestimmten Substanz ausgestoßen werden. Sie werden derzeit in der Raumtechnologie für den Transport kleiner Satelliten in den Orbit genutzt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass Technologien des 22. Jahrhunderts wie Photonen-Laser-Düsen, die derzeit noch in Entwicklung sind und die unsere Raumschiffe auf Geschwindigkeiten nahe Lichtgeschwindigkeit bringen, ebenfalls von elektrischem Strom abhängen.

Analoges Vielfachmessgerät mit entferntem Gehäusedeckel

Ein weiteres Einsatzgebiet für Gleichstromgeneratoren besteht im Erzeugen von Kristallen für elektronische Komponenten. Dieser Prozess erfordert sehr stabile Generatoren von Gleichstrom. Solche Festkörper-Präzisionsgeneratoren für elektrischen Strom werden Stromstabilisatoren genannt.

Messen des elektrischen Stroms

Geräte zur Messung elektrischen Stroms wie Mikroamperemeter, Milliamperemeter und Amperemeter sind voneinander verschieden, abhängig von ihrer Struktur und den Messgrundsetzen, auf denen sie beruhen. Sie umfassen Gleichstromamperemeter, Niedrigfrequenz-Wechselstromamperemeter und Hochfrequenz-Wechselstromamperemeter.

Die Messmechanismen dieser Geräte können unterteilt werden in Drehspul-, Dreheisen-, Drehmagnet-, elektrodynamische, Induktions-, Hitzedraht- und digitale Amperemeter. Die meisten der analogen Amperemeter enthalten ein bewegliches oder ein stationäres Gehäuse mit gewickelter Spule und stationären oder beweglichen Magneten. Aufgrund dieser Struktur verfügt ein reguläres Amperemeter über einen Äquivalentkreis, der mit einem Induktor und einem Resistor sowie einem mit diesen parallel verbundenen Kondensator in Reihe geschaltet ist. Daher sind analoge Amperemeter nicht sensibel genug, um Strommessungen unter Hochfrequenzbedingungen durchzuführen.

Die Drehspule mit Nadel und Spiralfedern eines Messgeräts wie dem oben gezeigten analogen Vielfachmessgerät. Einige Personen bevorzugen analoge Vielfachmessgeräte, die sich seit den 1890ern nicht sehr geändert haben.

Das Basismessgerät für ein Amperemeter besteht aus einem Miniaturgalvanometer. Der Messbereich wird durch Einsatz von zusätzlichen Nebenschlusswiderständen mit geringem Widerstand erzeugt. Dieser Widerstand ist geringer als der eines regulären Galvanometers. Auf diese Weise, mit der Nutzung eines Geräts als Basis, kann man verschiedene Messgeräte zur Messung von Strom unterschiedlicher Bereiche herstellen, einschließlich Mikroamperemeter, Milliamperemeter, Amperemeter und sogar Kiloamperemeter.

Im Allgemeinen ist bei elektrischen Messungen das Verhalten von Strom wichtig. Er kann als zeitabhängige Funktion gemessen werden und unterschiedlicher Art sein, beispielsweise konstant, harmonisch, unharmonisch, pulsierend usw. Seine Größe charakterisiert die Weise, wie elektronische Kreise und Geräte funktionieren. Die folgenden Werte für Strom wurden identifiziert:

Augenblickswert,
Spitze-Spitze-Wert (Spitze-Tal-Wert),
Mittelwert,
Effektivwert.

Momentan- oder Augenblicksstrom Ii ist der Wert der Stromstärke zu jedem Zeitpunkt. Er kann für jeden Zeitpunkt auf dem Bildschirm eines Oszilloskops abgelesen werden.

Die Spitze-Spitze-Amplitude Im ist der größte Momentanwert von Strom für einen Zeitraum.

Der Stromwert der Effektivamplitude I ist die Quadratwurzel des arithmetischen Mittels des Augenblickswerts im Quadrat für den Zeitraum einer Wellenform.

Alle analogen Amperemeter werden in Effektivwert des Stroms eingeteilt

Der mittleren Wert des Stroms ist ein Mittel aller Werte des Augenblicksstroms für die Dauer der gemessenen Zeit.

Der Unterschied zwischen dem Höchst- und dem kleinsten Wert elektrischen Stroms wird Signalbereich genannt.

Heute werden in der Regel Vielfachmessgeräte und Oszilloskope genutzt, um elektrischen Strom zu messen. Beide Geräte liefern Informationen nicht nur über die Form des Stroms oder der Spannung, sondern auch anderen wichtigen Eigenschaften des Signals. Dazu gehört die Frequenz des periodischen Signals. Daher ist es wichtig zu wissen, für das Messen des elektrischen Stroms, die Frequenzgrenze der Messgeröte zu kennen.

Messen des elektrischen Stroms mit einem Oszilloskop

Illustrieren wir das obige anhand einer Serie mit Experimenten zur Messung der aktiven und der Spitzenwerte von Strom der sinusförmigen und dreieckigen Signale. Wir werden einen Signalgenerator, ein Oszilloskop und ein Vielfachmessgerät verwenden.

Der Aufbau von Experiment 1 ist unten dargestellt:

Der Signalgenerator FG ist mit der Ladung verbunden, die aus einem Vielfachmessgerät (Multimeter, MM) mit Nebenschlusswiderstand Rs und einem Lastwiderstand R in Reihe geschaltet besteht. Der Widerstand des Nebenschlusswiderstands Rs beträgt 100 Ω und der Widerstand des Lastwiderstands R beträgt 1 kΩ. Das Oszilloskop OS ist parallel mit dem Nebenschlusswiderstand Rs geschaltet. Der Wert eines Nebenschlusswiderstands wird gemäß der Bedingung Rs << R gewählt. Bei diesem Experiment müssen wir berücksichtigen, dass die Arbeitsfrequenz des Oszilloskops viel höher als die Arbeitsfrequenz des Vielfachmessgeräts ist.

Test 1

Legen wir ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von 60 Hz und einer Amplitude von 9 V an den Lastwiderstand an. Moderne Oszilloskope verfügen über eine automatische Einstellungsfunktion, wodurch die Anzeige jedes gemessenen Signals ohne Beeinträchtigung anderer Steuerungseinstellungen möglich ist. Drücken wir den Knopf für die automatische Einstellung, um das Signal auf dem Bildschirm zu sehen, wie in Illustration 1. Der Umfang des Signals umfasst etwa fünf große Abschnitte mit jeweils einem Wert von 200 mV. Das Vielfachmessgerät zeigt den Wert der Stromstärke als 3,1 mA. Das Oszilloskop bestimmt die Effektivamplitude für den Widerstand U=312 mV. Die Effektivamplitude (quadratische Mittelwert, root mean square = RMS) für die Stromstärke des Widerstands Rs kann gemäß dem Ohmschen Gesetz ermittelt werden:

IRMS = URMS/R = 0,31 V / 100 Ω = 3,1 mA,

was dem Wert des Vielfachmessgeräts von 3,1 mA entspricht. Beachten Sie: Der Umfang der Stromstärke durch den Kreis aus zwei Widerständen und einem Vielfachmessgerät in Reihe entspricht

IP-P = UP-P/R = 0,89 V / 100 Ω = 8,9 mA

Wir wissen, dass der Unterschied der Spitze und des tatsächlichen Werts für die elektrische Stromstärke und Spannung die Quadratwurzel beträgt. Wenn wir IRMS = 3,1 mA mit √2 multiplizieren, erhalten wir 4,38. Verdoppeln wir diesen Wert, erhalten wir 8,8 mА, was sehr nahe dem Wert ist, der mit dem Oszilloskop gemessen wurde (8,9 mА).

Test 2

Verringern wir nun das erzeugte Signal um die Hälfte. Der Umfang des Signals auf dem Oszilloskop wird auch um etwa die Hälfte reduziert (463 mV); das Vielfachmessgerät wird ebenfalls einen Wert zeigen, der ungefähr der Hälfte, 1,55 mA, entspricht. Ermitteln wir den Wert der aktiven Stromstärke auf dem Oszilloskop:

IRMS = URMS/R = 0,152 V / 100 Ω = 1,52 mA,

was in etwa der gleiche Wert ist, den das Vielfachmessgerät anzeigt (1,55 mA).

Test 3

Erhöhen wir nun die Frequenz des Generators auf 10 kHz. Das Bild auf dem Oszilloskop wird sich ändern, aber der Umfang des Signals wird gleich bleiben. Der Wert auf dem Vielfachmessgerät wird aufgrund der Frequenzbreite auf dem Vielfachmessgerät kleiner werden.

Test 4

Verwenden wir wieder die ursprüngliche Frequenz von 60 Hz und die Spannung von 9 V. Ändern wir nun aber die Form des Signals beim Generator von sinusförmig nach dreieckig. Der Umfang des Signals beim Oszilloskop bleibt gleich, aber der Wert auf dem Vielfachmessgerät verringert sich im Vergleich zum Wert der Stromstärke, der bei Test 1 angezeigt wurde. Das liegt daran, dass der Effektivwert der Stromstärke sich geändert hat. Das Oszilloskop zeigt einen geringeren Wert für die Effektivspannung, wie sie sich am Widerstand Rs=100 Ω messen lässt.

Sicherheitsvorkehrungen beim Messen elektrischer Stromstärke und Spannung

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Wenn man Stromstärke und Spannung misst, muss man bedenken, dass bereits relativ geringe Spannung wie 12–36 V gefährlich oder lebensbedrohlich sein kann, je nachdem wie sicher ein Gebäude ist. Daher ist es unumgänglich, Sicherheitsvorkehrungen zu befolgen.
Messen Sie nicht die Stromstärke, wenn die Messung spezielle Kenntnisse erfordert (beispielsweise Messen der Stromstärke in Schaltkreisen, bei denen die Spannung über 1000 V beträgt).
Messen Sie nicht die Stromstärke in schwer zu erreichenden oder an erhöhten Orten.
Beim Messen von Stromstärken im Verteilernetzwerk für Wohngebiete sollte Schutzausrüstung wie Gummihandschuhe, -matten oder -stiefel verwendet werden.
Verwenden Sie keine beschädigten oder nicht funktionstüchtigen Messgeräte.
Bei der Verwendung von Vielfachmessgeräten stellen Sie sicher, dass die Messparameter und der richtige Messumfang eingestellt sind.
Verwenden Sie keine Messgeräte mit defekten Messsensoren.
Folgen Sie sorgfältig den Anweisungen des Herstellers für die Nutzung des Messgeräts.

Dieser Artikel wurde von Sergey Akishkin verfasst.

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Length and Distance ConverterMass ConverterDry Volume and Common Cooking MeasurementsArea ConverterVolume and Common Cooking Measurement ConverterTemperature ConverterPressure, Stress, Young’s Modulus ConverterEnergy and Work ConverterPower ConverterForce ConverterTime ConverterLinear Speed and Velocity ConverterAngle ConverterFuel Efficiency, Fuel Consumption, and Fuel Economy ConverterNumbers ConverterConverter of Units of Information and Data StorageCurrency Exchange RatesWomen’s Clothing and Shoe SizesMen’s Clothing and Shoe SizesAngular Velocity and Rotational Frequency ConverterAcceleration ConverterAngular Acceleration ConverterDensity ConverterSpecific Volume ConverterMoment of Inertia ConverterMoment of Force ConverterMomentumImpulseTorque ConverterSpecific Energy, Heat of Combustion (per Mass) ConverterSpecific energy, Heat of Combustion (per Volume) ConverterTemperature Interval ConverterCoefficient of Thermal Expansion ConverterThermal Resistance ConverterThermal Conductivity ConverterSpecific Heat Capacity ConverterHeat Density, Fire Load DensityHeat Flux Density ConverterHeat Transfer Coefficient ConverterVolumetric Flow Rate ConverterMass Flow Rate ConverterMolar Flow Rate ConverterMass Flux ConverterMolar Concentration ConverterMass Concentration in a Solution ConverterDynamic (Absolute) Viscosity ConverterKinematic Viscosity ConverterSurface Tension ConverterPermeation, Permeance, Water Vapor Permeability ConverterMoisture Vapor Transmission Rate ConverterSound Level ConverterMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLuminance ConverterLuminous Intensity ConverterIlluminance ConverterDigital Image Resolution ConverterFrequency and Wavelength ConverterOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) ConverterElectric Charge ConverterLinear Charge Density ConverterSurface Charge Density ConverterVolume Charge Density ConverterElectric Current ConverterLinear Current Density ConverterSurface Current Density ConverterElectric Field Strength ConverterElectric Potential and Voltage ConverterElectrical Resistance ConverterElectrical Resistivity ConverterElectrical Conductance ConverterElectrical Conductivity ConverterCapacitance ConverterInductance ConverterReactive AC Power ConverterAmerican Wire Gauge ConverterConversion of Levels in dBm, dBV, Watts and Other UnitsMagnetomotive Force ConverterMagnetic Field Strength ConverterMagnetic Flux ConverterMagnetic Flux Density ConverterRadiation Absorbed Dose Rate, Total Ionizing Radiation Dose Rate ConverterRadioactivity. Radioactive Decay ConverterRadiation Exposure ConverterRadiation. Absorbed Dose ConverterMetric Prefixes ConverterData Transfer ConverterTypography and Digital Imaging Units ConverterLumber Volume Measures ConverterMolar Mass CalculatorPeriodic Table

Battle of Chesma by Ivan Aivazovsky

We owe the comforts of our everyday lives to electric current. It generates radiation in the visible spectrum and not only lights our houses, but also cooks and reheats our food in various electric appliances like electrical stoves, microwave ovens, and toasters. Because we have electricity, we do not have to scavenge for fuel to light a fire. Thanks to electricity we can also move fast along a horizontal plane inside trains, subway trains, and high-speed trains, and along vertical planes on escalators and in elevators. We owe the warmth and the comfort of our homes to the electric current as well because it powers our electric heaters, air conditioners, and fans. Various electrically powered machines make our work much easier, both in everyday life and in various industries. Indeed, we live in the age of electricity, because it is electricity that enables us to use our computers, smartphones, the Internet, television, and other smart electronic technologies. Given how convenient electricity is as a form of energy, it is no wonder that we spend so much effort on generating it.

It may sound unusual, but the idea of practical use of electricity was first adopted by some of the most conservative members of the society — naval officers. It was hard to move up in this elitist society, and it was equally difficult to convince the admirals, who started out as cabin boys during the age of sail, of the necessity of switching to ironclad warships with steam engines, but the younger officers favored and supported innovation. Due to the success of using fire ships during the Russo-Turkish war in 1770, which led to victory during the Battle of Chesma, the navy started to consider upgrading the port defense systems by using the old coastal artillery in combination with naval mines, which were innovative at the time.

A shipboard radio station, ca. 1910. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

The development of various types of naval mines started at the beginning of the 19th century, and the most successful designs included autonomous mines activated by electricity. In the 1870-s a device for detonating anchored mines using electricity was developed by the German physicist Heinrich Hertz. One of the variations of this device, a horned naval mine, is notorious and often appears in historical war movies. Its lead “horn” has a container with an electrolyte, which is crushed when it comes in contact with the body of a ship. The electrolyte energizes a simple battery that in turn detonates the mine.

Hudson's Bay Company radio station, ca. 1937. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Naval officers were among the first people to appreciate the potential of Yablochkov candles, which were the early electric light sources. They were far from perfect but produced light by an electric arc and a glowing white-hot positive electrode made from coal. They were used for battlefield signaling and to illuminate the battlefield. The use of powerful floodlights gave an advantage to the side that used them to illuminate the battlefield during night battles or to transmit information and coordinate action of different naval units during naval battles. Floodlights used in lighthouses improved navigation in the dangerous coastal waters.

Vacuum tube, ca 1921. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

It is not surprising that the navy was also excited to adapt the technologies that allowed for wireless transmission of information. The large size of the early transmitting devices was not a problem for the navy, because their ships had enough space to accommodate these convenient but at times large machines.

Electrical machinery was used to simplify the loading of cannons on board of the ships, while power electrical machinery was used to rotate the gun turrets and increased the accuracy and effectiveness of the cannons. The engine order telegraph allowed the crew to communicate and increased its efficiency, which gave a significant advantage in battle.

One of the most horrifying uses of electric current in naval battle was the use by the Third Reich of raider U-boats. Hitler’s submarines, which operated using the tactics of Wolfpack sank many of the transportation convoys of the Allies. The well-known story of Convoy PQ 17 is one example.

Drummondville Radio transmitter, ca. 1926. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

The British navy was able to obtain several Enigma machines used by the Germans for coding messages, and they managed to break its code with the help of Alan Turing, who is known as the father of modern computing. The Allies intercepted radio communication of the German admiral Karl Dönitz, and with this information were able to use the coastal air force to corner the Wolfpack and force it back to the shores of Norway, Germany, and Denmark. Thanks to this from 1943 the raids were limited to short ones.

Wireless telegraph key, ca. 1915. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Hitler planned to add V-2 rockets to his submarines so that they can be used to attack the USA’s East Coast. However, the rapid advance of allies on the Western and the Eastern fronts prevented him from doing this.

It is hard to imagine the modern navy without aircraft carriers and nuclear submarines. They are powered by nuclear reactors, which combine technologies from the 19th century based on steam, the technologies of the 20th century based on electricity, and the nuclear technologies of the 21st century. The energy generation systems of the nuclear submarines generate enough electric energy to supply the energy needs of a large town.

In addition to the uses for electricity that we already discussed, recently the navy started considering other applications of electricity such as the use of a railgun. A railgun is an electric cannon that uses kinetic energy projectiles, which have a vast potential for destruction.

James Clerk Maxwell. A statue by Alexander Stoddart. Photo by Ad Meskens / Wikimedia Commons

Some History

With the development of reliable energy sources for direct current (DC) like the voltaic pile, created by the Italian physicist Alessandro Volta, many eminent scientists across the globe started exploring the properties of the electric current and the physical phenomena caused by it, as well as its practical uses in science and technology. The “star list” of scientists includes Georg Ohm, who derived Ohm’s Law to describe the electric current behavior in a basic electric circuit; the German physicist Gustav Kirchhoff who developed calculations for more complex electric circuits; and the French physicist André Marie Ampère, who discovered the law that describes the properties within a closed loop that has a magnetic field acting upon it and an electric current passing through it. This law is known now as Ampère's circuital law. The independent work of the English physicist James Prescott Joule and the Russian scientist Heinrich Lenz culminated in the discovery of the law of Joule heating, which quantifies the thermal effect of electric current.

Hendrik Antoon Lorentz, painted in 1916 by Menso Kamerlingh Onnes (1860–1925).

The works of James Clerk Maxwell focused on further research of the properties of the electric current and set the foundation for modern electrodynamics. Now, these works are known as Maxwell's equations. Maxwell also developed the theory of electromagnetic radiation and predicted many of the phenomena such as electromagnetic waves, radiation pressure, and others. Later the existence of electromagnetic waves was proven experimentally by the German physicist Heinrich Rudolf Hertz. His work on reflection, interference, diffraction, and polarization of electromagnetic waves was used when inventing the radio.

Jean-Baptiste Biot (1774–1862)

Several experimental works by the French physicists Jean-Baptiste Biot and Félix Savart on the manifestation of magnetism in the presence of electric current, summarized in the Biot–Savart law, and the research of the brilliant French mathematician Pierre-Simon Laplace, which generalized the experimental results above as a mathematical abstraction, drew a connection for the first time between the two sides of one phenomenon and gave birth to the study of electromagnetism. The brilliant British physicist Michael Faraday continued their work and discovered electromagnetic induction. Modern electrical engineering is built on Faraday’s work.

A physicist from the Netherlands, Hendrik Lorentz, made a valuable contribution to explaining the nature of electric current. He developed the classical electron theory and theorized that atoms were made up of smaller charged particles, and that light was a result of the oscillations of these particles. He also derived the equation to describe the force that acts upon the moving charge from within the electromagnetic field. This force is known as the Lorentz force.

Defining Electric Current

Electric current can be defined as an orderly movement of charged particles. Given this definition electric current is measured by the number of charged particles that pass through a cross-section of a conductor within a given unit of time.

I = q / t, where q is the charge in coulombs, t is the time in seconds, and I is the electric current in amperes.

Another definition of electric current depends on the properties of conductors and is described by Ohm’s law:

I = V/R, where V is the voltage in volts, R is the resistance in ohms, and I is the current in amperes.

Electric current is measured in amperes (A) and units derived from them such as nanoamperes (one billionth of an ampere, nA), microamperes (one-millionth of an ampere, μA), milliamperes (a thousandth of an ampere, mA), kiloamperes (a thousand amperes, kA), and megaamperes (a million amperes, MA).

In SI the unit for electric current is derived as

[А] = [C] / [s]

Aluminum is a very good conductor and is widely used in electrical wiring

When considering electric current, we have to take into account the media that carries it, specifically the charged particles present in the material or substance in the current state. This material or substance may be a solid, a liquid, or a gas. A unique example of different states of a substance is the dihydrogen monoxide, or hydrogen oxide, known to us simply as water. We can see it as a solid when looking at the ice from the freezer that we made for cooling drinks — most of them are based on water. On the other hand, when making tea or instant coffee we use boiling water. If we waited for the water to boil before we pour it into the teapot, we would see the “fog” coming out of the spout of the teapot — this fog consists of water drops that formed from the gaseous state of water (steam) that is coming out of the spout and comes in contact with cold air.

There is also another state of matter known as plasma. Low-temperature plasma makes up the upper layers of stars, the ionosphere of the Earth, flame, an electric arc, and the substance inside the fluorescent lamps, just to name a few examples. High-temperature plasma is hard to recreate in the lab because it requires extremely high temperatures of more than 1,000,000 K.

These high voltage circuit breakers contain two major components: the interrupting contacts and an insulator that connects two wires together.

Based on their structure, solid materials can be further divided into crystalline and amorphous. The former have a structured crystal lattice. The atoms and the molecules of such a substance create two- or three-dimensional crystal lattices. Crystalline solids include metals, their alloys, and semiconductors. We can easily visualize crystalline solids by imagining snowflakes, which are uniquely shaped crystals. Amorphous substances do not have crystal lattice. Dielectrics are usually amorphous.

Under normal conditions, electric current flows through solids thanks to the movement of free electrons, which become unbonded as a result of valence electrons detaching from the atom. We can also divide solids based on the nature of the electricity flow within them into conductors, semiconductors, and insulators. The properties of different materials are determined based on the discrete electronic band structure. It depends on the width of the band gap, where no electrons can be present. Insulators have the widest band gap, which can sometimes extend to 15 eV. Insulators and semiconductors do not have electrons in the conduction gap at the temperature of absolute zero, but at room temperature there would be some electrons that were removed from the valence bands due to heat energy. In conductors such as metals, the conduction band overlaps with the valence bands. This is why even at absolute zero there is a large number of electrons, and this is still true as the temperatures rise to the melting point. These electrons enable electric current to run through the material. Semiconductors have small band gaps and their ability to conduct electricity greatly depends on the temperature, radiation, and other factors, such as the presence of dopants.

Laminated core transformer. I-shaped and E-shaped steel sheets are clearly visible on the sides.

Superconductors create special conditions for electric current. They are the materials that have zero resistance to the flow of electric current. Conduction electrons of these materials form groups of particles, which are linked to each other due to quantum effects.

As their name implies, insulators do not conduct electric current well. This property of insulators is used to limit the flow of electric current between the conductive surfaces of different materials.

In addition to the electric current running through conductors when the magnetic field is constant, when the magnetic field is variable, its changes cause a phenomenon known as eddy currents, which are also called Foucault currents. The greater the rate of change of the magnetic field, the stronger the eddy currents. They do not flow along a specific route, but instead, they flow in closed loops in the conductor.

Eddy currents cause a skin effect, which is a tendency of alternating electric current (AC) and magnetic flux flow mainly along the surface layer of the conductor, which results in the loss of energy. To reduce these eddy current losses in transformer cores, their magnetic circuits are divided. This is made by stacking layers of thin steel insulated plates, which form the transformer core.

Chrome-plated plastic shower head

Electric Current in Liquids (Electrolytes)

All liquids can conduct electric current to a certain degree when an electric voltage is applied to them. Liquids that conduct electric current are called electrolytes. Electric current is carried by the positively and negatively charged ions, known respectively as cations and anions, which are present in the liquid due to electrolytic dissociation. In electrolytes, the current flows due to the movement of ions compared with the current created due to the movement of electrons in metals. This current in electrolytes is characterized by the movement of the substance to the electrodes and the formation of new chemical elements around the electrodes or deposition of these new substances on the electrode.

This phenomenon was the basis for electrochemistry and it allows us to quantify the equivalent weight of different chemical substances. This enabled us to turn inorganic chemistry into an exact science. Further development of the chemistry of electrolytes allowed us to create chemical sources of energy in the form of primary (or disposable) and rechargeable batteries and fuel cells. These, in turn, enabled a leap in the development of technology. Just taking a peek under the hood of your car and examining the car battery will give you a glimpse of the results of decades of work of researchers and engineers.

Car battery installed in 2012 Honda Civic

Many of the industrial processes which depend on the electric current flow in electrolytes can give an appealing finish to the final product (for example chrome and nickel electroplating), and protect the objects from corrosion. Electrodeposition and electroetching are fundamental processes in modern electrical engineering when making various electronic components. These processes are very commonly used, for example in microfabrication, and the number of electronic components produced using these techniques reaches tens of billions per year.

Electric Current in Gases

The flow of electric current in gases depends on the number of free electrons and ions in it. Because of the greater separation between gas particles compared to liquids and solids, it is common for molecules and ions in gases to travel longer distances before they collide. Due to this, the flow of electricity in gases under normal circumstances is difficult. The same is true for mixtures of gases. An example of a mixture of gases is air, which is considered in electrical engineering to be a good insulator. Under regular conditions, many other mixes of gases are also good insulators.

A neon screwdriver test light is showing that a voltage of 220 V is present

The flow of electricity in gases depends on the different physical factors such as pressure, temperature, and the components that comprise this mixture. In addition, ionizing radiation also plays a role. For example, the gas can conduct electricity if it is being irradiated with ultraviolet or x-ray radiation if it is being affected by the cathode or anode particles or particles emitted by a radioactive substance, or even if the temperature of this gas is high.

When energy is absorbed by electrically neutral atoms or molecules of a gas and when ions are formed, this endothermic process is called ionization. When the energy reaches a certain threshold, the electron or a group of electrons overcome the potential barrier and leave the atom or the molecule, thus becoming free electrons. The atom or the molecule which the electrons left is also not neutral anymore, it is positively charged. Free electrons can join neutrally charged atoms or molecules and form negatively charged ions. Positively charged ions can take back the negatively charged electrons when colliding with them, and thus become neutral again. This process is called recombination.

As electric current flows through the gas its state changes. This results in a complicated dependency between the electric current and the voltage, which is more or less regulated by Ohm’s law but only when the electric currents are low.

Electric discharges in gases can be either non-self-sustained or self-sustained. Non-self-sustained discharges create an electric current that is possible only in the presence of external ionizing factors. When these are absent, electric current does not flow through the gas. On the other hand, during the self-maintained discharges, an electric current is maintained due to the ionization of neutral atoms and molecules within the gas that were accelerated by the electric field upon collision with the free electrons and ions. In these circumstances, the electric current is possible even without external ionizing factors.

Current-voltage characteristics of a silent discharge

When the difference of potentials between the anode and the cathode is small, the non-self-sustained discharge is called a silent or a Townsend discharge. As the voltage increases the current intensity also increases. At first, this increase is proportional to the voltage (section OA on the volt-ampere characteristic of the silent discharge), but gradually the rate of increase slows (section AB on the graph). When all the detached particles that were released due to the ionization process move towards the cathode and the anode at the same time, there is no increase in the current (section BC on the graph). If the voltage is increased again, the current increases also, and the silent discharge becomes a non-self-sustained avalanche charge. An example of a non-self-sustained discharge is a glow discharge in high-pressure discharge lamps of various purposes.

When the non-self-sustained discharge is transformed into a self-sustained discharge, the electric current increases (point E on the curve). This point is known as an electrical breakdown.

Electronic photo flash with a xenon tube (red rectangle)

All of the different types of charges described above are stationary or steady-state discharges. Their properties do not depend on time. Besides these discharges, there are also unsteady discharges, which usually occur in very uneven electric fields, for example in pointed or warped surfaces of conductors or electrodes. There are two types of uneven discharges: corona discharges and spark discharges.

Ionization during a corona discharge does not cause an electrical breakdown. This discharge causes a repetitive process of starting a non-self-sustained discharge in a small constricted space around the conductor. A good example of corona discharge is the glow in the air around antennas, lightning rods, or power lines high above the ground. Corona discharge around the power lines causes energy loss. In the past this glow was familiar to seafarers — the glow around the masts of the ships was known as St. Elmo's fire. Corona discharge is used in laser printers and photocopiers. It is generated by a corona-producing device, a metal string to which high voltage is applied. A corona discharge ionizes the gas, which, in turn, ionizes the photosensitive drum. In this case, a corona discharge is useful.

Compared to a corona discharge, an electrostatic discharge causes an electrical breakdown. It looks like intermittent bright threads that branch out and are filled with ionized gas. They appear and disappear, and produce a large amount of heat and light. A common example of a naturally occurring electrostatic discharge is lightning. Electric current within it can reach tens of kiloamperes. Before the lightning can occur, a downward leader formation, known as a leader or a spark has to be created. It creates a leader formation together with the stepped leader. Lightning usually consists of multiple electrostatic discharges in the downward leader formation for a bolt of negative cloud-to-ground lightning. A powerful electrostatic discharge is used in electronic flashes in photography. The discharge there is formed between the electrodes of a flash tube made of quartz glass, which is filled with a mixture of noble ionized gases.

When an electrical discharge is sustained over a long period of time it is called an electric arc. Electric arcs are used in arc welding, which is an indispensable technique in modern construction, used for building steel constructions of various sizes and purposes, from skyscrapers to aircraft carriers to cars. An electric arc is used not only to join materials together but also for cutting them. The difference between these two processes is in the strength of the current used. Welding occurs at relatively lower currents while cutting requires higher currents for the electric arc. The cutting itself occurs when melted metal is removed, and different techniques are used for removing it.

Another use for an electric arc in gases is in gas discharge lamps, which chase away the darkness on our streets, squares, and stadiums (sodium-vapor lamps are usually used in these settings). Metal-halide lamps, which replaced the incandescent light bulbs in the car headlamps, also use this technology.

Electric Current in Vacuum

Vacuum tube in the transmitter station. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Television cameras like this one were in use in the 1980s. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Modern video projector

SU3500 Scanning Electron Microscope. Department of Materials Science and Engineering. University of Toronto

Modern television and radio broadcasting technologies use more advanced materials based on semiconductors that use less energy.

C-band traveling wave tube. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Electric Current in Biology and Medicine

Mock operating room in Li Ka Shing Knowledge Institute, Toronto, Canada. Robot mannequin patients that can blink, breathe, cry, bleed and simulate diseases are used for teaching

The understanding of the behavior of electric current inside biological systems gives biologists and doctors a powerful tool for research, diagnostics, and treatment.

From the point of view of electrochemistry, all biological objects contain electrolytes, regardless of their structure.

A 3D representation of the fiber pathways that connect different regions of the brain. This image was acquired using the non-invasive Diffusion Tensor Imaging (DTI) technique

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is a non-invasive technique that allows doctors to measure brain activity by detecting changes in the blood flow

Modern medicine and biology use different methods to explore live organisms, which include both invasive and non-invasive techniques.

A classic example of an invasive method is the study of rats that run through a maze or complete other tasks with electrodes implanted in their brains.

Training automatic external defibrillator (AED)

Characteristics of Electric Current, Its Generation, and Uses

Tokamak de Varennes nuclear fusion reactor. Varennes, Quebec 1981. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Commutator in the motor-generator set, 1904. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

In electrical engineering, generators are divided into those that generate DC versus those that generate AC current.

CD drive laser lens

Analog multimeter with the upper cover removed

Measuring Electric Current

The moving coil with a needle and spiral springs of a meter used in the analog multimeter above. Some people still prefer analog multimeters that did not change much since the 1890s.

instantaneous,
peak-to-peak amplitude,
mean,
root mean square amplitude.

Instantaneous current Ii is the value of the current at any given time. It can be viewed on the screen of an oscilloscope and measured for every moment in time by looking at the oscilloscope.

Peak-to-peak amplitude current Im is the largest instantaneous value of current for a given time period.

Root mean square amplitude value of current I is found as a square root of the arithmetic mean of the squares of instantaneous currents for a period of the waveform.

All analog ammeters usually measure root mean square amplitude value of current.

Mean value of current is a mean of all of the values of instantaneous current for the duration of the time being measured.

The difference between the maximum and the minimum value of electric current is known as the peak-to-peak value of a signal.

Measuring Electric Current Using an Oscilloscope

The outline of experiment 1 is shown below:

Test 1

IRMS = URMS/R = 0.31 V / 100 Ω = 3.1 mA,

which corresponds with the value on the multimeter of 3.1 mA. Note that the range of the current through our circuit made from two resistors and a multimeter in series equals

IP-P = UP-P/R = 0.89 V / 100 Ω = 8.9 mA

Test 2

IRMS = URMS/R = 0.152 V / 100 Ω = 1.52 mA,

which is roughly the same value that the multimeter shows (1.55 mA).

Test 3

Test 4

Safety Precautions for Measuring Electric Current and Voltage

DIY Camera Pedestal with Teleprompter and Three Monitors for a Home Video Studio

When measuring current and voltage we have to keep in mind that depending on how safe the building is, such relatively small voltage as 12–36 V may be dangerous and even life-threatening. Therefore it is paramount to follow the following safety precautions.
Do not measure currents if the measurement requires special skills (such as measuring currents in circuits where voltage is above 1000 V).
Do not measure currents in difficult to reach places and in high places.
When measuring currents in the residential distribution network, use special protective gear such as rubber gloves, mats, or boots.
Do not use broken or damaged measuring devices.
When using multimeters, ensure that the measuring parameters and the correct measurement range are set.
Do not use a measuring device with broken probes.
Carefully follow the manufacturer instructions for the usage of the measuring device.

This article was written by Sergey Akishkin

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Longitud y DistanciaCalculadora de Equivalencias de MasaMedidas comunes de volumen seco y de cocinaConvertidor de áreaVolumen. Unidades comunes de volumen empleadas en la cocina.Calculadora de Equivalencias de TemperaturaPresión, esfuerzo y módulo de YoungCalculadora de Equivalencias de Energía y TrabajoPotenciaFuerzaCalculadora de equivalencias de tiempoCalculadora de Equivalencias de Velocidad Lineal y Velocidad AngularConvertidor del ánguloCalculadora de Equivalencias de Rendimiento de Combustible, Consumo de Combustible y Economía de CombustibleNúmerosConvertidor de Unidades de almacenamiento de datos e informaciónTasas de Cambio de DivisasTallas de Ropa y de Calzado de MujerTallas de prendas de vestir y de calzado masculinoConvertidor de la frecuencia de rotación y velocidad angularConvertidor de aceleraciónConvertidor de aceleración angularCalculadora de Equivalencias de DensidadVolumen específicoMomento de inerciaMomento de fuerzaMomentumImpulsePar de torsiónConvertidor de Energía Específica y Calor de Combustión (por Masa)Convertidor de Energía Específica y Calor de Combustión (por Volumen)Convertidor de Intervalos de TemperaturaConvertidor del Coeficiente de expansión térmicaCalculadora de Equivalencias de Resistencia TérmicaConvertidor de Conductividad TérmicaConvertidor de Capacidad Calorífica EspecíficaDensidad de Calor, Densidad de Carga de FuegoConvertidor de Densidad de Flujo de CalorConvertidor de coeficiente de transferencia de calorCalculadora de Equivalencias de Caudal VolumétricoGasto MásicoConvertidor de caudal molarFlujo másicoConvertidor de concentraciones molaresConvertidor de concentración de masa en una soluciónViscosidad dinámica (absoluta)Calculadora de Equivalencias de Viscosidad CinemáticaTensión superficialConvertidor de Permeación, Permeancia y Permeabilidad al Vapor de AguaConvertidor de Velocidad de Transmisión de Vapor de HumedadCalculadora de Equivalencias de Nivel de SonidoConvertidor de sensibilidad de micrófonosConvertidor de Nivel de Presión Acústica (SPL)Convertidor de Nivel de Presión Acústica Con Presión de Referencia SeleccionableConvertidor de luminanciaConvertidor de intensidad luminosaConvertidor de iluminanciaConvertidor de Resolución de Imágenes DigitalesConvertidor de frecuencia y longitud de ondaConvertidor de Potencia Óptica (Dioptrías) en Distancia FocalConvertidor de Potencia Óptica (Dioptrías) en Aumento (X)Calculadora de Equivalencias de Carga EléctricaConvertidor de densidad de carga linealCalculadora de Equivalencias de Densidad de Carga SuperficialConversor de densidad de carga volumétricaCalculadora de Equivalencias de Corriente EléctricaConvertidor de densidad de corriente linealConversor de densidad de corriente de superficieConvertidor de intensidad del campo eléctricoConvertidor para potencial eléctrico y voltajeConvertidor de resistencia eléctricaConvertidor de resistividad eléctricaConvertidor de conductancia eléctricaConvertidor de conductividad eléctricaCapacitanciaConvertidor de inductanciaConvertidor de Potencia Reactiva de CAConvertidor estadounidense del calibre de cableConversión de los valores en dBm, dBV, Watts y Otras UnidadesConvertidor para fuerza magnetomotrizConvertidor de intensidad del campo magnéticoConvertidor de Flujo MagnéticoConvertidor para densidad de flujo magnéticoConvertidor de tasa de dosis absorbida de radiación y de tasa total de dosis de radiación ionizanteRadioactividad. Convertidor de desintegración radioactiva.Convertidor de exposición a la radiaciónRadiación. Convertidor de dosis absorbida de radiación.Convertidor de Prefijos MétricosTransmisión de DatosTipografía e imágenes digitalesVolumen de maderaCalculadora de masa molarTabla periódica

Batalla de Chesma de Ivan Aivazovsky

Debemos las comodidades de nuestras vidas cotidianas a la corriente eléctrica. Genera radiación en el espectro visible y no solo ilumina nuestras casas, sino también cocina y recalienta nuestro alimento en varios aparatos eléctricos como estufas, hornos de microonda, y tostadoras. Debido a que tenemos electricidad, no tenemos que buscar combustible para encender un fuego. Gracias a la electricidad también podemos movernos rápidamente en un plano horizontal en trenes, metros, y trenes de alta velocidad, y en el plano vertical en escaleras móviles y ascensores. Igualmente, debemos el calor y la comodidad de nuestros hogares a la corriente eléctrica, porque es ella quien proporciona la energía a nuestros calentadores eléctricos, acondicionadores de aire, y ventiladores. Varias máquinas que se alimentan de electricidad hacen nuestro trabajo mucho más fácil, tanto en la vida cotidiana como en varias industrias. De hecho, vivimos en la era de la electricidad, porque es la electricidad lo que nos permite utilizar nuestras computadoras, los smartphones, la Internet, la televisión, y otras tecnologías electrónicas inteligentes. Teniendo en cuenta cuán conveniente es la electricidad como forma de energía, no debe sorprendernos que invirtamos tanto esfuerzo en generarla.

Puede sonar inusual, pero la idea del uso práctico de la electricidad fue adoptada por primera vez por algunos de los miembros más conservadores de la sociedad — los oficiales de la marina. Fue difícil progresar en esta sociedad elitista, e igualmente difícil convencer a los almirantes, que comenzaron como grumetes durante la era de la vela, de que era necesario cambiar a buques de guerra acorazados con motores de vapor, pero los oficiales más jóvenes favorecieron y apoyaron la innovación. Gracias al éxito que tuvo el uso de brulotes durante la guerra Ruso-Turca en 1770, que condujo a la victoria durante la batalla de Chesma, la marina comenzó a pensar en aumentar los sistemas de defensa en los puertos usando la vieja artillería costera conjuntamente con minas navales, que eran innovadoras en ese entonces.

Estación de radio Shipboard, alrededor de 1910. Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, Ottawa

El desarrollo de varios tipos de minas navales comenzó a principios del siglo XIX, y entre los diseños más exitosos estaban las minas autónomas activadas por electricidad. En la década de 1870, el físico alemán Heinrich Hertz desarrollo un dispositivo eléctrico para detonar las minas ancladas. Una de las variaciones de este dispositivo, una mina naval en forma de cuerno, es notoria y a menudo aparece en películas históricas de la guerra. Su "cuerno" de plomo posee un envase con un electrólito, que se aplasta al entrar en contacto con el casco de una nave. El electrólito activa una batería simple que a su vez detona la mina.

Estación de radio Hudson's Bay Company alrededor de 1937. Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, Ottawa

Los oficiales navales fueron uno de los primeros en apreciar el potencial de las velas de Yablochkov, que fueron las primeras fuentes de la luz eléctrica. Estaban lejos de ser perfectas pero producían luz mediante un arco voltaico y un electrodo positivo blanco caliente hecho de carbón que brillaba intensamente. Fueron utilizadas para señalizar e iluminar el campo de batalla. El uso de potentes reflectores dio ventaja a quienes los usaban para iluminar el campo de batalla durante batallas nocturnas o para transmitir información y coordinar acciones de varias unidades navales durante batallas navales. El uso de los reflectores en los faros mejoró la navegación en las peligrosas aguas costeras.

Tubo de vacío, alrededor de 1921. Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, Ottawa

Tampoco resulta sorpresivo que la marina también se haya sentido animada a adaptar las tecnologías que permitieron la transmisión inalámbrica de la información. El gran tamaño de los primeros dispositivos de transmisión no fue un problema para la marina, porque sus buques tenían suficiente espacio para dar cabida a estas convenientes pero en ese entonces grandes máquinas.

La maquinaria eléctrica se utilizó para simplificar la operación de carga de los cañones a bordo de los buques, mientras la maquinaria de energía eléctrica se utilizó para rotar las torretas de los cañones y aumentar la exactitud y la eficacia de los cañones. El telégrafo de órdenes a las máquinas permitió a la tripulación comunicarse y aumentar su eficiencia, lo cual les dio una ventaja significativa en batalla.

Una de las aplicaciones más temidas de la corriente eléctrica en las batallas navales fue el uso de submarinos de ataque por parte del Tercer Reich. Los submarinos de Hitler, que funcionaban con las tácticas de Wolfpack hundieron muchos de los convoyes de transporte de los aliados. La conocida historia del Convoy PQ 17 es un ejemplo.

Transmisor de radio de Drummondville, alrededor de 1926. Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, Ottawa

La marina británica pudo adquirir varias máquinas Enigma usadas por los alemanes para codificar los mensajes, y lograron descifrar su código con la ayuda de Alan Turing, conocido como el padre de la computación moderna. Los aliados interceptaron la comunicación por radio del almirante alemán Karl Dönitz, y con esta información pudieron utilizar la fuerza aérea costera para arrinconar al Wolfpack y forzarlo a regresar a las costas de Noruega, Alemania, y Dinamarca. Gracias a esto a partir de 1943 las incursiones solo fueron breves.

Tecla de telégrafo inalámbrico, alrededor de 1915. Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, Ottawa

Hitler planeó incorporar cohetes V-2 a sus submarinos, para poder utilizarlos para atacar la costa este de los E.E.U.U. Gracias a los ataques rápidos contra los frentes occidental y oriental se pudo evitar que lo hiciera.

Es difícil imaginar la marina moderna sin portaaviones y submarinos nucleares. Son accionados por reactores nucleares, que combinan tecnologías del siglo XIX a base de vapor, tecnologías del siglo XX a base de electricidad, y tecnologías nucleares del siglo XXI. Los sistemas de generación de energía de los submarinos nucleares producen suficiente energía eléctrica como para satisfacer las necesidades energéticas de una gran ciudad.

Además de las aplicaciones de la electricidad ya mencionadas, recientemente la marina comenzó a considerar otras aplicaciones de la electricidad tales como el uso de un railgun. Un railgun es un cañón eléctrico que utiliza proyectiles de energía cinética, que tienen un vasto potencial destructivo.

James Clerk Maxwell. Estatua confeccionada por Alexander Stoddart. Foto tomada por Ad Meskens / Wikimedia Commons

Algo de historia

Con el desarrollo de fuentes de energía confiables de corriente directa (CD) como la pila voltaica, creada por el físico italiano Alessandro Volta, muchos eminentes científicos del mundo comenzaron a explorar las propiedades de la corriente eléctrica y los fenómenos físicos causados por ella, así como sus aplicaciones prácticas en la ciencia y la tecnología. La "lista estrella" de científicos incluye a Georg Ohm, que elaboró la Ley de Ohm para describir el comportamiento de la corriente eléctrica en un circuito eléctrico básico; al físico alemán Gustav Kirchhoff que desarrolló los cálculos para circuitos eléctricos más complejos; y al físico francés André Marie Ampère, que descubrió la ley que describe las propiedades dentro de un bucle cerrado sobre el que actúa un campo magnético y es atravesado por una corriente eléctrica. Esta ley se conoce ahora como Ley de circuitos de Ampere. El trabajo independiente del físico inglés James Prescott Joule y del científico ruso Heinrich Lenz culminó en el descubrimiento de la Ley de Joule, que cuantifica el efecto térmico de la corriente eléctrica.

Hendrik Antoon Lorentz, pintado en 1916 por Menso Kamerlingh Onnes (1860 –1925).

Los trabajos de James Clerk Maxwell se centraron en continuar investigando las propiedades de la corriente eléctrica, y constituyeron la base de la electrodinámica moderna. Ahora estos trabajos se conocen como ecuaciones de Maxwell. Maxwell también desarrolló la teoría de la radiación electromagnética y predijo muchos fenómenos tales como ondas electromagnéticas, presión de radiación, y otras. La existencia de las ondas electromagnéticas fue demostrada más delante de forma experimental por el físico alemán Heinrich Rudolf Hertz. Su trabajo sobre reflexión, interferencia, difracción, y polarización de ondas electromagnéticas se utilizó al inventar la radio.

Jean-Baptiste Biot (1774 –1862)

Varios trabajos experimentales de los físicos franceses Jean-Baptiste Biot y Félix Savart sobre la manifestación del magnetismo en presencia de la corriente eléctrica, resumidos en la ley de Biot– Savart, y la investigación del brillante matemático francés Pierre-Simon Laplace, que generalizó como abstracción matemática los resultados experimentales mencionados anteriormente, establecieron por primera vez una conexión entre los dos lados de un fenómeno y dieron origen al estudio del electromagnetismo. El brillante físico británico Michael Faraday continuó su trabajo y descubrió la inducción electromagnética. La ingeniería eléctrica moderna se basa en el trabajo de Faraday.

Un físico de los Países Bajos, Hendrik Lorentz, hizo una valiosa contribución para explicar la naturaleza de la corriente eléctrica. Lorentz desarrolló la teoría clásica del electrón y teorizó que los átomos estaban compuestos por partículas más pequeñas cargadas, y que la luz era resultado de las oscilaciones de estas partículas. También derivó la ecuación para describir la fuerza que actúa sobre la carga que se mueve dentro del campo electromagnético. Esta fuerza se conoce como fuerza de Lorentz.

Definición de Corriente Eléctrica

La corriente eléctrica se puede definir como movimiento ordenado de partículas cargadas. Según esta definición la corriente eléctrica se mide por el número de partículas cargadas que atraviesan una sección transversal de un conductor dentro de una unidad de tiempo dada.

I = q / t donde q es la carga en culombios, t es el tiempo en segundos, e I es la corriente eléctrica en amperios.

Otra definición de la corriente eléctrica depende de las propiedades de los conductores y es descrita por la ley de Ohm:

I = V / R, donde V es el voltaje en voltios, R es la resistencia en ohmios, e I es la corriente en amperios.

La corriente eléctrica se mide en amperios (A) y las unidades derivadas de estos tales como nanoamperios (una billonésima parte de un amperio, nA), microamperios (una millonésima parte de un amperio, μA), una milésima parte de un amperio, mA), kiloamperios (mil amperios, ka), y megamperios (un millón de amperios, mA).

En el SI la unidad para la corriente eléctrica se deriva como

[А] = [C] / [s]

El aluminio es un conductor muy bueno y es utilizado ampliamente en el cableado eléctrico

Al pensar en la corriente eléctrica, debemos tener en cuenta los medios portadores, específicamente las partículas cargadas presentes en el material o la sustancia en el estado de la corriente. Este material o sustancia puede ser un sólido, un líquido, o un gas. Un ejemplo único de diferentes estados de una sustancia es el monóxido de dihidrógeno, u óxido de hidrógeno, que conocemos simplemente como agua. Podemos verla como sólido cuando observamos el hielo del congelador que hicimos para enfriar bebidas — la mayoría de ellas a base de agua. Por otra parte, al hacer té o café instantáneo utilizamos agua hirviendo. Si esperamos a que el agua hierva antes de verterla en la tetera, veremos el "humo" que sale del pitorro de la tetera — ese humo está compuesto por gotas de agua formadas del estado gaseoso del agua (vapor) que sale del pitorro y entra en contacto con el aire frío.

También se conocen otros estados como el plasma. El plasma a baja temperatura conforma las capas superiores de las estrellas, de la ionosfera de la tierra, de la llama, de un arco voltaico, y de la sustancia dentro de las lámparas fluorescentes, por solo nombrar algunos ejemplos. El plasma de alta temperatura es difícil de reconstruir en el laboratorio porque requiere temperaturas extremadamente altas superiores a 1.000.000 K.

Estos interruptores de alto voltaje contienen dos componentes importantes: los contactos de interrupción y un aislador que conecta dos alambres.

Según su estructura, los materiales sólidos se pueden dividir además en cristalinos y amorfos. Los primeros tienen una retícula cristalina estructurada. Los átomos y las moléculas de esa sustancia crean retículas bi- o tridimensionales. Los sólidos cristalinos incluyen los metales, sus aleaciones, y los semiconductores. Podemos visualizar fácilmente los sólidos cristalinos si imaginamos los copos de nieve, que son únicamente cristales con forma. Las sustancias amorfas no tienen retícula cristalina. Los dieléctricos son generalmente amorfos.

En condiciones normales la corriente eléctrica fluye a través de los sólidos gracias al movimiento de los electrones libres, que se separan como resultado de que los electrones de valencia separan del átomo. También podemos dividir los sólidos según la naturaleza del flujo de electricidad dentro de ellos en conductores, semiconductores, y aisladores o aislantes. Las propiedades de diferentes materiales se determinan a partir de la estructura de la banda electrónica discreta. Depende del ancho del espacio de banda, en el que no puede haber ningún electrón. Los aisladores tienen un espacio de banda más amplio, que en ocasiones puede extenderse a 15 eV. Los aisladores y los semiconductores no tienen electrones en el espacio de conducción a la temperatura del cero absoluto, pero a temperatura ambiente, algunos electrones serían eliminados de las bandas de valencia debido a la energía calórica. En conductores tales como los metales, la banda de conducción se traslapa con las bandas de valencia. Esta es la razón por la cual incluso en el cero absoluto hay una gran cantidad de electrones, y ello sigue siendo así incluso cuando las temperaturas se elevan hasta el punto de fusión. Estos electrones permiten que la corriente eléctrica corra por el material. Los semiconductores tienen espacios de banda pequeños y su capacidad de conducir electricidad depende en gran medida de la temperatura, de la radiación, y de otros factores, tales como la presencia de dopantes.

Transformador de núcleo laminado. Láminas de acero en forma de I y en forma de E son claramente visibles a los lados.

Los superconductores crean condiciones especiales para la corriente eléctrica. Son materiales que tienen cero resistencia al flujo de corriente eléctrica. Los electrones de conducción de estos materiales forman grupos de partículas, enlazadas entre sí debido a los efectos del quántum.

Como su nombre implica, los aisladores no conducen bien la corriente eléctrica. Esta propiedad de los aisladores se utiliza para limitar el flujo de corriente eléctrica entre las superficies conductoras de diferentes materiales.

Además de la corriente eléctrica que corre a través de los conductores cuando el campo magnético es constante, cuando el campo magnético es variable, sus cambios causan un fenómeno conocido como corrientes parásitas, también llamadas corrientes de Foucault. Mientras mayor es el índice de cambio del campo magnético, más fuertes son las corrientes de Foucault. No fluyen a lo largo de una ruta específica, sino en bucles cerrados en el conductor.

Las corrientes de Foucault causan un efecto de superficie, que es una tendencia de flujo de corriente eléctrica alterna (CA) y corriente magnética principalmente a lo largo de la capa superficial del conductor, dando lugar a la pérdida de energía. Para reducir estas pérdidas de corriente parásita en los núcleos del transformador, se dividen sus circuitos magnéticos. Esto se logra apilando capas de placas aisladas de acero fino, que conforman el núcleo del transformador.

Ducha plástica cromada

Corriente eléctrica en los líquidos (electrólitos)

Todos los líquidos pueden conducir la corriente eléctrica en cierto grado cuando se les aplica voltaje eléctrico. Los líquidos que conducen la corriente eléctrica se llaman electrólitos. La corriente eléctrica es transportada por iones con carga positiva y negativa, conocidos respectivamente como cationes y aniones, que están presentes en el líquido debido a la disociación electrolítica. En los electrólitos la corriente fluye debido al movimiento de iones a diferencia de la corriente creada debido al movimiento de electrones en los metales. Esta corriente en los electrólitos se caracteriza por el movimiento de la sustancia hacia los electrodos y a la formación de nuevos elementos químicos alrededor de los electrodos o a la deposición de estas sustancias nuevas en el electrodo.

Este fenómeno fue la base de la electroquímica y nos permite cuantificar el peso equivalente de diferentes sustancias químicas. Ello nos permitió convertir la química inorgánica en una ciencia exacta. El desarrollo posterior de la química de electrólitos nos permitió crear fuentes químicas de energía en forma de baterías primarias recargables (o desechables) y de celdas de combustible. A su vez, esto permitió un salto en el desarrollo de la tecnología. Con solo echar un vistazo bajo el capó de su coche y examinar la batería del coche se podrá apreciar los resultados de décadas de trabajo de investigadores e ingenieros.

Batería de coche instalada en un Honda Civic 2012

Muchos de los procesos industriales que dependen del flujo de corriente eléctrica en electrólitos pueden dar una terminación atractiva al producto final (por ejemplo galvanización con cromo y níquel), y protegen los objetos contra la corrosión. La electrodeposición y el electrograbado son procesos fundamentales en la ingeniería eléctrica moderna al fabricar varios componentes electrónicos. Estos procesos se utilizan con mucha frecuencia, por ejemplo en la microfabricación, y el número de componentes electrónicos producidos utilizando estas técnicas asciende a decenas de billones por año.

Corriente eléctrica en gases

El flujo de corriente eléctrica en los gases depende del número de electrones e iones libres que contengan. Debido a que la separación entre las partículas de gas es mayor en comparación con la de los líquidos y los sólidos, es común que las moléculas y los iones en los gases recorran largas distancias antes de chocar. Debido a esto resulta difícil el flujo de la electricidad en los gases en circunstancias normales. Lo mismo ocurre con las mezclas de gases. Un ejemplo de una mezcla de gases es el aire, que en la ingeniería eléctrica se considera un buen aislador. En condiciones regulares muchas otras mezclas de gases son también buenos aisladores.

La luz de neón del destornillador de prueba muestra que hay un voltaje de 220 V

El flujo de la electricidad en los gases depende de diferentes factores físicos tales como presión, temperatura, y los componentes que constituyen esta mezcla. Además, la radiación de ionización también desempeña un papel. Por ejemplo, el gas puede conducir electricidad si se irradia con radiación de rayos ultravioletas o rayos X, si está afectado por partículas de cátodo o de ánodo o partículas emitidas por una sustancia radiactiva, o incluso si la temperatura de este gas es alta.

Cuando la energía es absorbida por átomos eléctricamente neutros o moléculas de un gas y cuando se forman iones, este proceso endotérmico se llama ionización. Cuando la energía alcanza cierto umbral, el electrón o un grupo de electrones superan la barrera potencial y sale del átomo o de la molécula, convirtiéndose así en electrones libres. El átomo o la molécula abandonada por los electrones también dejan de ser neutras y se cargan positivamente. Los electrones libres pueden unirse a átomos o moléculas con carga neutra y formar iones con carga negativa. Los iones con carga positiva pueden retomar los electrones con carga negativa al chocar con ellos, y convertirse de nuevo en neutros. Este proceso se llama recombinación.

A medida que la corriente eléctrica atraviesa el gas su estado cambia. Esto da lugar a una dependencia complicada entre la corriente eléctrica y el voltaje, que es más o menos regulada por la ley de Ohm, pero solo cuando las corrientes eléctricas son bajas.

Las descargas eléctricas en los gases pueden ser no autosostenidas o autosostenidas. Las descargas no autosostenidas crean una corriente eléctrica que solo es posible en presencia de factores de ionización externos. Cuando estos están ausentes, la corriente eléctrica no atraviesa el gas. Por otra parte, durante las descargas autosostenidas, la corriente eléctrica se mantiene debido a la ionización de los átomos y moléculas neutros dentro del gas que fueron acelerados por el campo eléctrico una vez que colisionan con los electrones y los iones libres. En estas circunstancias la corriente eléctrica es posible incluso sin factores de ionización externos.

Corriente–voltaje característicos de una descarga silenciosa

Cuando la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo es pequeña, la descarga no autosostenida se llama descarga silenciosa o de Townsend. A medida que aumenta el voltaje la intensidad de la corriente también aumenta. Al principio, este aumento es proporcional al voltaje (sección OA en la característica volt-amperio de la descarga silenciosa), pero el coeficiente de incremento se retarda gradualmente (sección AB en el gráfico). Cuando todas las partículas separadas que fueron liberadas debido a que el proceso de ionización se mueve hacia el cátodo y el ánodo al mismo tiempo, no hay ningún aumento de la corriente (sección BC en el gráfico). Si se aumenta otra vez el voltaje, la corriente también aumenta, y la descarga silenciosa se convierte en una carga de avalancha no autosostenida. Un ejemplo de descarga no autosostenida es una descarga luminiscente en las lámparas de descarga a alta presión de varios propósitos.

Cuando la descarga no autosostenida se transforma en una descarga autosostenida, la corriente eléctrica aumenta (punto E en la curva). Este punto se conoce como interrupción eléctrica.

Flash fotográfico electrónico con un tubo de xenón (rectángulo rojo)

Todos los diferentes tipos de cargas descritas anteriormente son descargas estacionarias o estables. Sus propiedades no dependen del tiempo. Además de estas descargas, también existen descargas inestables, que ocurren generalmente en campos eléctricos muy irregulares, por ejemplo en superficies acentuadas o combadas de conductores o electrodos. Existen dos tipos de descargas irregulares: descargas de corona y descargas de chispa.

La ionización durante una descarga de corona no causa una interrupción eléctrica. Esta descarga causa un proceso repetitivo de inicio de una descarga no autosostenida en un espacio pequeño restringido alrededor del conductor. Un buen ejemplo de una descarga de corona es el resplandor en el aire alrededor de antenas, pararrayos, o líneas de alto voltaje sobre la superficie. La descarga de corona alrededor de las líneas de alto voltaje provoca pérdida de energía. En el pasado este resplandor era familiar para los navegantes — el resplandor alrededor de los mástiles de los buques era conocido como fuego del St. Elmo. La descarga de corona se utiliza en las impresoras láser y fotocopiadoras. Es generada por un dispositivo que produce corona, una cuerda metálica a la que se aplica alto voltaje. Una descarga de corona ioniza el gas, que, a su vez, ioniza el tambor fotosensible. En este caso la descarga de corona es útil.

A diferencia de la descarga de corona, una descarga electrostática provoca una interrupción eléctrica. Se asemeja a hebras brillantes intermitentes que se ramifican y están llenas de gas ionizado. Aparecen y desaparecen, y producen una gran cantidad de calor y de luz. Un ejemplo común de una descarga electrostática que ocurre de manera natural es el relámpago. La corriente eléctrica dentro del relámpago puede alcanzar decenas de kiloamperios. Antes de que pueda ocurrir el relámpago, tiene que crearse una formación guía descendente, conocida como guía o chispa. Crea una formación guía junto con una trayectoria irregular. El relámpago consiste generalmente en una descarga electrostática múltiple en la formación guía descendente para que la nube negativa ponga a tierra el relámpago. Una descarga electrostática de gran alcance se utiliza en los flashes electrónicos en fotografía. En ese caso, la descarga se forma entre los electrodos de un flash electrónico de cristal de cuarzo, que está llena de una mezcla de gases nobles ionizados.

Cuando una descarga eléctrica se mantiene durante un período de tiempo largo se llama arco voltaico. Los arcos voltaicos se utilizan en la soldadura de arco, que es una técnica imprescindible en la construcción moderna, usada para construir estructuras de acero de varios tamaños y propósitos, desde rascacielos y portaaviones hasta coches. Un arco voltaico se utiliza no solo para ensamblar materiales, sino también para cortarlos. La diferencia entre estos dos procesos radica en la fuerza de la corriente que se utiliza. La soldadura se realiza con corrientes relativamente más bajas mientras el corte requiere corrientes más altas para el arco voltaico. El corte en sí mismo ocurre cuando se retira el metal derretido, y se utilizan diferentes técnicas para retirarlo.

Otro uso del arco voltaico en gases es en las lámparas de descarga de gas, que ahuyentan la oscuridad en nuestras calles, plazas, y estadios (las lámparas de vapor de sodio se utilizan generalmente en estos ambientes). Las lámparas de haluro de metal, que substituyeron las bombillas incandescentes en los faros de los coches, también utilizan esta tecnología.

Corriente eléctrica en vacío

Tubo de vacío en la estación de transmisión. Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, Ottawa

El vacío es un dieléctrico perfecto, y debido a esto, la corriente eléctrica en vacío solo es posible si se generan portadores libres de corriente tales como electrones o iones mediante emisión termoiónica, emisión fotoeléctrica, o de otras maneras.

Las cámaras de televisión como esta se usaban en los años 80. Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, Ottawa

El método principal de generación de la corriente eléctrica en vacío con el uso de electrones es la emisión termoeléctrica de electrones por parte de los metales. Cuando un electrodo se calienta (lo que se conoce como cátodo caliente), emite electrones hacia el tubo. Esos electrones hacen que la corriente eléctrica fluya mientras esté presente otro electrodo (llamado ánodo), y mientras haya cierto voltaje de polaridad requerida entre ambos. Tales tubos de vacío se llaman diodos y conducen la corriente eléctrica solo en una dirección. Bloquean la corriente si se intenta forzar la corriente para que fluya en la dirección opuesta. Esta propiedad se utiliza para convertir la corriente alterna (CA) en corriente directa (CD) mediante el proceso de rectificación. Esto se logra con un sistema de diodos.

Si cerca del cátodo se agrega un electrodo adicional conocido como rejilla, obtenemos un dispositivo llamado triodo, que amplifica perceptiblemente incluso los pequeños cambios de voltaje en la rejilla de control en relación con el cátodo. Como consecuencia, esto cambia la corriente y el voltaje en la carga, que está conectada en serie con el tubo de vacío, en relación con la fuente de energía. Este sistema llamado amplificador se utiliza para amplificar varias señales.

El uso de tubos de vacío con una gran cantidad de rejillas de control tales como tetrodos, pentodos, e incluso convertidores de pentarrejillas que tienen siete electrodos fue revolucionario en la generación y amplificación de señales de radio, y permitió la creación de los sistemas modernos de difusión de radio y TV.

Proyector de video moderno

Desde el punto de vista histórico, la radio se desarrolló primero, porque era relativamente fácil diseñar los métodos para convertir y transmitir señales de frecuencia relativamente baja, así como crear el diseño de circuitos para dispositivos receptores que puedan amplificar y mezclar las radiofrecuencias para convertirlas en una señal acústica mediante el proceso de la demodulación.

Cuando se inventó la televisión, se utilizaron tubos de vacío llamados iconoscopios para emitir electrones a través del efecto fotoeléctrico de la luz que caía sobre ellos. La posterior consolidación de la señal se logró con un amplificador del tubo de vacío. Para ver la imagen capturada y transmitida, se utilizaron tubos catódicos (CRTs), que también eran tubos de vacío. En el CRT la imagen se creaba en la pantalla mediante la conversión invertida de la señal. Esto se hacía acelerando electrones a alta velocidad usando un (o tres para la TV a color) cañón de electrones en un campo eléctrico fuerte. El campo se creaba aplicando alto voltaje entre el cátodo del cañón de electrones y el ánodo del CRT. Se dirigían rayos de electrones a alta velocidad hacia la pantalla cubierta con material fluorescente y de ella se emitía luz visible. La imagen era creada por dos sistemas mutuamente sincronizados: uno que leía la señal del iconoscopio y otro que realizaba un barrido por rastreo. Los primeros tubos catódicos eran monocromáticos.

Microscopio electrónico de barrido SU3500. Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Universidad de Toronto

La televisión a color se desarrolló pronto después. Los iconoscopios en la televisión a color eran sistemas híbridos que reaccionaban solo a la luz de un color dado, rojo, azul, o verde. Los puntos fosfóricos del color de los tubos catódicos de la TV emitían luz debido a la corriente eléctrica producida por el cañón de electrones. Reaccionaban a los electrones acelerados que los golpeaban y emitían luz de un color y un brillo específicos. Se utilizaban máscaras de sombra especiales para garantizar que los rayos de cada cañón de electrones de color golpearan los puntos fosfóricos del color correcto.

Las tecnologías modernas de difusión de televisión y radio usan materiales más avanzados a base de semiconductores que utilizan menos energía.

Uno de los métodos más usados para generar una imagen de los órganos internos es la fluoroscopia. Un cátodo emite electrones, que se aceleran a tal velocidad que cuando golpean el ánodo generan radiación de rayos X, que puede penetrar el tejido blando del cuerpo humano. Las radiografías dan a los médicos una información única sobre la condición de los huesos, los dientes, y algunos órganos internos, e incluso pueden ayudar a determinar enfermedades tales como el cáncer de pulmón.

Tubo de onda viajera en la banda C. Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, Ottawa

En general, las corrientes eléctricas formadas por el movimiento de electrones en vacío tienen una amplia gama de aplicaciones. Los tubos de vacío, los aceleradores de partículas, los espectrómetros de masa, los microscopios electrónicos, los generadores de vacío de alta frecuencia tales como los tubos de ondas de propagación, los klistrones, y los magnetrones de cavidad son solo algunos de los ejemplos de cómo utilizamos este tipo de corriente eléctrica. Debemos señalar que son los magnetrones los que calientan y cocinan nuestro alimento dentro de los hornos de microonda.

Una reciente tecnología muy valiosa que utiliza la corriente eléctrica en vacío es la deposición de película fina en vacío. Estas películas tienen una función decorativa o protectora. Los materiales usados en esta técnica son metales, sus aleaciones, y sus compuestos con oxígeno, nitrógeno, y carbón. Estas películas cambian o combinan las propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas, magnéticas, catalíticas, y corrosivas de la superficie que cubren.

Para lograr un compuesto complejo para la película se utiliza la tecnología de deposición de rayos iónicos. Algunos ejemplos de esta tecnología son la deposición de arco catódico y su variante comercial de deposición de magnetrón de impulso de alta potencia. En última instancia es la corriente eléctrica la que crea una película recubridora en la superficie, gracias a los iones.

La deposición del rayo iónico crea películas de nitruros, carburos, y óxidos de metal, que tienen un sistema extraordinario de propiedades mecánicas, termofísicas, y ópticas incluida dureza, durabilidad, electro- y termoconductividad, y densidad óptica. Estos resultados no se pueden lograr de ninguna otra manera.

Corriente eléctrica en la biología y la medicina

Sala de simulación de operaciones en el Instituto de Conocimientos Li Ka Shing, Toronto, Canadá. Para enseñar se utilizan como pacientes maniquíes robóticos que pueden pestañar, respirar, gritar, sangrar y simular enfermedades

Conocer como se comporta la corriente eléctrica en el interior de los sistemas biológicos proporciona a los biólogos y médicos una poderosa herramienta para la investigación, el diagnóstico, y el tratamiento.

Desde el punto de vista de la electroquímica, todos los objetos biológicos contienen electrólitos, independientemente de su estructura.

Al analizar cómo fluye la corriente eléctrica a través de un objeto biológico debemos tener en cuenta el estado de las células de este objeto. En este sentido, la membrana celular es una estructura importante a considerar. Es la capa externa de cada célula, que protege la célula contra los efectos negativos del ambiente y tiene una permeabilidad selectiva a diferentes sustancias. O sea, deja entrar algunas sustancias, mientras detiene otras. Desde el punto de vista de la física podemos considerar esta membrana como equivalente a un circuito compuesto por una conexión paralela de un condensador con varios circuitos conectados en serie entre una fuente de corriente eléctrica y un reóstato. Gracias a esta estructura, la conductividad eléctrica de este objeto biológico depende de la frecuencia del voltaje aplicado y de los tipos de voltaje.

Una representación en 3D de las trayectorias de las fibras que conectan diferentes regiones del cerebro. Esta imagen se obtuvo usando la técnica no invasiva de la imagen del tensor de difusión (ITD)

El tejido biológico está compuesto por células, líquido extracelular, vasos sanguíneos, y células nerviosas. Al aplicar corriente eléctrica, las células nerviosas se excitan y envían señales para contraer o relajar los músculos y los vasos sanguíneos del animal. Debemos señalar que el flujo de corriente eléctrica en los tejidos biológicos es no linear.

El ejemplo clásico del efecto de una corriente eléctrica en un objeto biológico es el conjunto de experimentos realizados por el físico, médico y biólogo italiano Luigi Galvani, quien se considera uno de los padres fundadores de la electroquímica. En estos experimentos envió una corriente eléctrica a través de los nervios en un anca de rana, y esto provocó la contracción de los músculos y el movimiento del anca. Sus hallazgos se describieron en 1791 en el informe sobre las fuerzas eléctricas en el movimiento muscular. Durante mucho tiempo los libros de textos se refirieron al fenómeno descubierto por Galvani como galvanismo. Incluso ahora este término se utiliza en ocasiones para ciertos procesos y dispositivos.

El desarrollo posterior de la electrofisiología está muy relacionado con la neurofisiología. En 1875 un cirujano y médico británico Richard Caton y un médico ruso Vasily Danilewsky demostraron por separado que el cerebro puede generar electricidad. Es decir descubrieron la corriente iónica que fluye dentro del cerebro.

Los objetos biológicos pueden generar no solo microcorrientes sino también voltajes y corrientes significativos como parte de su funcionamiento diario. Mucho antes del trabajo de Galvani, un biólogo británico, John Walsh, probó la naturaleza eléctrica del sistema de defensa de un rayo eléctrico. Un cirujano y fisiólogo escocés, John Hunter, describió detalladamente el mecanismo mediante el cual los rayos eléctricos generan electricidad. Los resultados de su investigación fueron publicados en 1773.

La Imagen de Resonancia Magnética funcional (IRMf) es una técnica no invasiva que permite a los médicos medir la actividad del cerebro detectando cambios en el flujo sanguíneo

La medicina y la biología modernas utilizan diferentes métodos para explorar los organismos vivos, que incluyen técnicas invasivas y no invasivas.

Un ejemplo clásico de un método invasivo es el estudio de las ratas que corren a través de un laberinto o terminan otras tareas con electrodos implantados en sus cerebros.

Por otro lado, los métodos no invasivos son diagnósticos bien conocidos tales como la electroencefalografía y la electrocardiografía. En esos procedimientos los electrodos que monitorean las corrientes eléctricas dentro del cerebro o del corazón se utilizan para realizar mediciones en la piel de la persona o del animal sometido a observación. Para mejorar el contacto con los electrodos se aplica una solución salina a la piel porque es un buen electrólito y puede conducir bien la corriente eléctrica.

Además de usar la corriente eléctrica para investigar y monitorear el estado de varios procesos y reacciones químicos, una de las aplicaciones más importantes de la electricidad es la desfibrilación, que en las películas se muestra a veces como un "reinicio" de un corazón que ha dejado de funcionar.

Desfibrilador externo automático de adiestramiento (DEA)

De hecho, aplicar un impulso a corto plazo de una magnitud significativa puede en ocasiones (pero muy raramente) reiniciar un corazón. Sin embargo, los desfibriladores se utilizan más a menudo para corregir la arritmia cardiaca y restaurar los latidos al ritmo normal. Las contracciones arrítmicas caóticas se conocen como fibrilación ventricular, y por tanto el dispositivo que hace que el corazón regrese a su estado normal se llama desfibrilador. Los desfibriladores externos automatizados modernos pueden registrar la actividad eléctrica del corazón, determinan la fibrilación de los ventrículos del corazón, y después calculan la fuerza de la corriente que necesita el paciente basado en estos factores. Actualmente, muchos espacios públicos cuentan con desfibriladores y la comunidad médica espera que esta medida evite muchas muertes causadas por un paro cardiaco del paciente.

Los paramédicos están entrenados para determinar la condición fisiológica del músculo cardiaco mediante un electrocardiograma y para tomar decisiones sobre el tratamiento rápidamente, mucho más rápido de lo que pueden hacerlo los desfibriladores externos automatizados disponibles para el público.

También debemos mencionar los marcapasos cardiacos artificiales, que controlan las contracciones del corazón. Estos dispositivos se implantan debajo de la piel o debajo del músculo torácico del paciente y transmiten impulsos de una corriente eléctrica de aproximadamente 3 V a través del electrodo y al músculo del corazón. Esto estimula el ritmo normal del corazón. Los marcapasos modernos pueden funcionar durante 6 –14 años antes de que sea necesario sustituirlos.

Propiedades de la corriente eléctrica, su generación, y sus usos

La corriente eléctrica se caracteriza por su magnitud y su tipo. En dependencia de su comportamiento los tipos de corriente eléctrica se dividen en corriente directa o CD (no cambia con el tiempo), corriente no armónica (cambia al azar con tiempo), y corriente alterna o CA (cambia con el tiempo según un patrón específico, generalmente se rige por una ley periódica). Algunas tareas requieren tanto CD como CA. En este caso hablamos de una corriente CA con un componente de CD.

Reactor de fusión nuclear Tokamak de Varennes. Varennes, Quebec 1981. Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, Ottawa

Desde el punto de vista histórico, el primer generador electrostático de corriente eléctrica, una máquina Wimshurst, la generaba frotando lana en un pedazo de ámbar. Los generadores más avanzados del mismo tipo ahora se llaman generadores de Van de Graaff — deben su nombre al inventor de la primera de estas máquinas.

Como analizamos anteriormente, el físico italiano Alessandro Volta inventó un generador electroquímico. Este generador se desarrolló aún más en las baterías modernas de pila seca, las baterías recargables y las celdas de combustible. Todavía las utilizamos, porque son fuentes de energía muy convenientes para todos los tipos de dispositivos, desde relojes y teléfonos inteligentes hasta las baterías de coches y las baterías de los coches eléctricos Tesla.

Además de los generadores de CD descritos arriba, también existen generadores que utilizan la fisión nuclear de isótopos, conocida como baterías atómicas, así como generadores magnetohidrodinámicos, que tienen un uso muy limitado actualmente debido a su baja potencia, a las limitaciones técnicas de su diseño, y a muchas otras razones. No obstante, los generadores radionúclidos se utilizan en sistemas de energía autónoma, por ejemplo, en el espacio, en vehículos subacuáticos autónomos y estaciones de sonar, en faros, marcas en el mar, y en el Ártico y el Antártico.

Conmutador en el sistema motor-generador, 1904. Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, Ottawa

En la ingeniería eléctrica, los generadores se dividen generadores de CD y generadores de CA.

Todos estos generadores funcionan gracias a la inducción electromagnética, que fue descubierta por Michael Faraday en 1831. Faraday construyó el primer generador homopolar de baja potencia, que generó CD. Al igual que ocurrió con el primer generador de corriente CA, la historia plantea que Faraday recibió su descripción en 1832 en una carta anónima firmada como "P. M." Después de publicar esta carta, Faraday recibió otra al año siguiente que le agradecía y le sugería mejoras al diseño agregando un anillo de acero para transportar el flujo magnético de los polos magnéticos de las bobinas. Sin embargo, no está claro si esta historia es cierta o no.

En esos momentos, aún no se había descubierto el uso de la CA, puesto que todas las aplicaciones prácticas de la electricidad necesitaban en ese entonces CD, incluida la corriente usada en la guerra con minas, la electroquímica, la telegrafía eléctrica recién desarrollada, y los primeros motores eléctricos. Esta es la razón por la que en esa época muchos de los inventores se enfocaban en mejorar los generadores de CD, inventando varios dispositivos de conmutación para este fin.

Uno de los primeros generadores que tuvo uso práctico fue el generador magnetoeléctrico creado por el investigador germano-ruso Moritz von Jacobi, que trabajó en Rusia entre 1835 y 1874. Fue utilizado por los pelotones de minas navales del ejército ruso para activar los fusibles de las minas navales. Generadores de este tipo mejorados se utilizan hasta nuestros días para activar minas, y pueden ser vistos a menudo en películas históricas sobre la guerra, donde guerrilleros o saboteadores las utilizan para volar puentes, descarrilar trenes, y en otros usos similares.

Lente láser del lector de discos compactos

Desde entonces, los principales ingenieros compitieron entre sí para mejorar los generadores de CA y de CD, con el enfrentamiento entre los dos titanes del campo moderno de generación de electricidad, Thomas Edison de General Electric por un lado, y Nicola Tesla de Westinghouse en el otro. El mayor capital ganó, y las tecnologías de Tesla para generar, transportar, y convertir la corriente CA se convirtieron en el legado de la sociedad norteamericana. Esto proporcionó un impulso significativo a la economía de los EE.UU. y llevó al país a la posición de liderazgo en el mundo.

Además de la capacidad de generar electricidad para satisfacer varias necesidades, que dependía de la conversión del movimiento mecánico en electricidad debido a la reversibilidad de las máquinas eléctricas, se hizo realidad otra posibilidad de conversión inversa de la corriente eléctrica en movimiento mecánico. Ello se logró con motores eléctricos que funcionaban con CD y CA. Podría decirse que estos tipos de máquinas son algunas de las tecnologías más usadas, e incluyen los motores de arranque de coches y motocicletas, los motores de máquinas y máquinas herramientas comerciales, y los dispositivos para el consumidor y aparatos electrónicos. Nos convertimos en expertos en varias tareas tales como cortar, perforar, y conformar gracias a estos dispositivos. También utilizamos discos ópticos tales como discos compactos y discos duros en nuestras computadoras gracias a estas tecnologías — sin ellas no habríamos podido crear los motores de precisión en miniatura de corriente CD.

Además de los motores electromecánicos a los que estamos acostumbrados, los propulsores de iones también funcionan gracias a la corriente eléctrica. Estos motores utilizan el principio de propulsión emitiendo iones acelerados de una sustancia dada. En la actualidad se utilizan en el espacio principalmente para poner en órbita satélites pequeños. Es muy probable que las tecnologías futuras del siglo XXII tales como propulsores de láser fotónico, que aún se están diseñando y que llevarán nuestras naves interestelares a velocidades que se acercan a la velocidad de la luz, también dependan de la corriente eléctrica.

Multímetro analógico sin la cubierta superior

Otro uso para los generadores de CD es la formación de cristales para componentes electrónicos. Este proceso requiere generadores extra estables de CD. Tales generadores de precisión en estado sólido de corriente eléctrica se llaman estabilizadores de corriente.

Medición de la Corriente Eléctrica

Debemos señalar que los dispositivos para medir la corriente eléctrica, tales como los microamperímetros, los miliamperímetros, y los amperímetros, son totalmente diferentes entre sí, dependiendo de su estructura y de los principios de medición que utilicen. Entre ellos se incluyen los amperímetros de corriente directa, los amperímetros de corriente alterna de baja frecuencia, y los amperímetros de corriente alterna de alta frecuencia.

Los mecanismos de medición de estos dispositivos se pueden subdividir en amperímetros de bobina móvil, de hierro móvil, de imán móvil, electrodinámicos, de inducción, de alambre caliente, y digitales. La mayoría de los amperímetros analógicos incluyen un marco móvil o un marco estacionario con una bobina enrollada e imanes estacionarios o movibles. Debido a esta estructura, un amperímetro típico tiene un circuito equivalente que es una conexión en serie de una inducción y un reóstato, con un condensador unido a ellas en paralelo. Por esta razón, los amperímetros analógicos no son lo suficientemente sensibles como para medir la corriente en condiciones de alta frecuencia.

La bobina móvil con una aguja y resortes espirales de un metro usada en el multímetro analógico que aparece arriba. Algunos aún prefieren los multímetros analógicos que no cambiaron mucho desde 1890.

El aparato de medición básico de un amperímetro consiste en un galvanómetro en miniatura. Sus rangos de medición se crean usando reóstatos de derivación adicionales con poca resistencia, y esta resistencia es más baja que la del galvanómetro regular. De esta manera, usando un dispositivo como base, es posible crear varios aparatos de medición para medir corrientes con diferentes rangos, incluidos microamperímetros, miliamperímetros, amperímetros, e incluso kiloamperímetros.

En general, en las mediciones eléctricas es importante el comportamiento de la corriente. Podría medirse en función del tiempo y ser de diferentes tipos, por ejemplo constante, armónica, no armónica, de pulso, etcétera. Su magnitud caracteriza la manera en que funcionan los circuitos y dispositivos electrónicos. Se han identificado los siguientes valores para la corriente:

instantánea,
amplitud pico a pico,
media,
amplitud de raíz cuadrada media.

La corriente instantánea Ii es el valor de la corriente en cualquier momento dado. Puede verse en la pantalla de un osciloscopio y medirse para cada momento mirando el osciloscopio.

La corriente de amplitud pico a pico Im es el mayor valor instantáneo de la corriente durante un período dado.

El valor de la amplitud de raíz cuadrada media de la corriente I se calcula como raíz cuadrada de la media aritmética de los cuadrados de las corrientes instantáneas durante un período de la forma de onda.

Todos los amperímetros analógicos se indexan en el valor de la amplitud de raíz cuadrada media de la corriente.

El valor medio de la corriente es una media de todos los valores de la corriente instantánea durante el tiempo en que se mide.

La diferencia entre el valor máximo y mínimo de la corriente eléctrica se conoce como rango de señal.

En la actualidad es común el uso de multímetros y osciloscopios para medir la corriente eléctrica. Ambos dispositivos proporcionan información no solo sobre la forma de la corriente o del voltaje, sino también sobre otras propiedades importantes de la señal. Entre ellas se incluyen la frecuencia de las señales periódicas, y esta es la razón por la cual al medir la corriente eléctrica es importante saber el límite de frecuencia del aparato de medición.

Medición de la corriente eléctrica usando un osciloscopio

Ilustremos lo anterior con una serie de experimentos para medir los valores activo y pico de la corriente de señales sinusoides y triangulares. Utilizaremos un generador de señal, un osciloscopio, y un multímetro.

A continuación se muestra el esbozo del experimento 1:

El generador de señal FG está conectado a la carga, que consiste en un multímetro (MM) conectado en serie a un reóstato de derivación Rs y un reóstato de carga R. La resistencia del reóstato de derivación Rs es 100 Ω, y la resistencia del reóstato de carga R es 1 kΩ. El osciloscopio OS está conectado en paralelo con el reóstato de derivación Rs. El valor del reóstato de derivación se selecciona usando la condición Rs << R. Al llevar a cabo este experimento, tengamos presente que la frecuencia operativa del osciloscopio es mucho más alta que la frecuencia operativa del multímetro.

Prueba 1

Suministremos al reóstato de carga una señal sinusoidal, con una frecuencia de 60 Hz y una amplitud de 9 V. Los osciloscopios modernos tienen un botón de autoconfiguración muy conveniente, que permite mostrar cualquier señal medida sin que haya que tocar ningún otro control del osciloscopio. Presionemos el botón de autoconfiguración y observemos la señal en la pantalla, como aparece en la ilustración 1. Aquí el rango de la señal es aproximadamente cinco divisiones de largo, y el valor de cada división es 200 mV. El multímetro muestra el valor de la corriente eléctrica como 3,1 mA. El osciloscopio determina la amplitud de raíz cuadrada media en el reóstato como U=312 mV. El valor de la raíz cuadrada media de la corriente en el reóstato Rs se puede determinar mediante la ley de Ohm:

IRMS = URMS/R = 0,31 V / 100 Ω = 3,1 mA,

que se corresponde con el valor en el multímetro de 3,1 mA. Observe que el rango de la corriente a través de nuestro circuito confeccionado a partir de dos reóstatos y un multímetro en serie es igual

IP-P = UP-P/R = 0,89 V / 100 Ω = 8,9 mA

Sabemos que los valores máximos y reales de la corriente eléctrica y el voltaje difieren por √2 veces. Si multiplicamos IRMS = 3,1 mA por √2, obtenemos 4,38. Duplicando este valor, obtenemos 8,8 mА, que está muy cerca de la corriente medida por el osciloscopio (8,9 mА).

Prueba 2

Ahora, reduzcamos a la mitad la señal generada. El rango de la señal en el osciloscopio también se reducirá aproximadamente a la mitad (463 mV), y el multímetro también mostrará que el valor se reduce casi a la mitad y es igual a 1,55 mA. Determinemos el valor de la corriente activa en el osciloscopio:

IRMS = URMS/R = 0,152 V / 100 Ω = 1,52 mA,

que es casi el mismo valor que muestra multímetro (1,55 mA).

Prueba 3

Aumentemos ahora la frecuencia del generador a 10 kHz. La imagen en el osciloscopio cambiará, pero el rango de la señal permanecerá igual. El valor en el multímetro disminuirá — ello se debe al rango de frecuencia del multímetro.

Prueba 4

Utilicemos de nuevo la frecuencia inicial de 60 Hz y el voltaje de 9 V, pero cambiemos la forma de la señal en el generador de sinusoidal a triangular. El rango de la señal en el osciloscopio permanece igual, pero el valor en el multímetro disminuye en comparación con el valor de la corriente mostrado en la prueba 1. Ello se debe a que ha cambiado el valor de la raíz cuadrada media de la corriente. El osciloscopio muestra el valor reducido del voltaje de la raíz cuadrada media, medida en el reóstato Rs=100 Ω.

Medidas de seguridad para medir la corriente eléctrica y el voltaje

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Al medir la corriente y el voltaje debemos que tener presente que en dependencia de cuán segura sea la construcción, un voltaje relativamente tan pequeño como 12–36 V puede ser peligroso e incluso mortal. Por tanto es importante seguir las siguientes medidas de seguridad.
No mida las corrientes si la medición requiere habilidades especiales (tales como medir corrientes en circuitos donde el voltaje es superior a 1000 V).
No mida las corrientes en lugares de difícil acceso y en lugares altos.
Al medir corrientes en la red de distribución residencial, utilice equipos de protección especial tales como guantes, esteras, o botas de goma.
No utilice dispositivos de medición rotos o dañados.
Al usar multímetros, asegúrese de que se hayan fijado los parámetros de medición y el rango de medición correcto.
No utilice un dispositivo de medición con sensores rotos.
Siga cuidadosamente las instrucciones del fabricante para el uso del dispositivo de medición.

Este artículo fue escrito por Sergey Akishkin.

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Convertisseur de longueur et de distanceConvertisseur de masseMesures de volume sec et de cuisson courantesConvertisseur d’aireConvertisseur de mesures courantes de volume et de cuissonConvertisseur de températuresConvertisseur de pression, de contrainte et de module de YoungConvertisseur d'énergie et de travailConvertisseur de puissanceConvertisseur de forceConvertisseur de tempsConvertisseur de vitesse et de vélocité linéairesConvertisseur d’angleConvertisseur d’efficacité en carburant, de consommation de carburant et d’économie de carburantConvertisseur de nombresUnités d'information et de stockage de donnéesTaux de change des devisesTaille des vêtements et chaussures pour femmeTailles des vêtements et chaussures pour hommeCalculateur de vitesse angulaire et de fréquence de rotationConvertisseur d’accélérationConvertisseur d’accélération angulaireMasse volumiqueConvertisseur de volume spécifiqueConvertisseur de moment d’inertieConvertisseur de moment d’une ForceMomentumImpulseConvertisseur de coupleConvertisseur d’énergie spécifique, de chaleur de combustion (par masse)Convertisseur d’énergie spécifique et de chaleur de combustion (par volume)Convertisseur d’intervalle de températureCoefficient de dilatation thermiqueConvertisseur de résistance thermiqueConvertisseur de conductivité thermiqueConvertisseur de capacité thermique spécifiqueDensité thermique, densité de charge calorifiqueConvertisseur de densité de flux thermiqueCoefficient de transfert thermiqueConvertisseur de débit volumétriqueConvertisseur de débit massiqueConvertisseur débit molaireConvertisseur de flux massiqueConvertisseur de concentration molaireConvertisseur de concentration massique en solutionConvertisseur de viscosité dynamique (absolue)Convertisseur de viscosité cinématiqueConvertisseur de tension superficielleConvertisseur de perméation, de perméance et de perméabilité à la vapeur d’eauConvertisseur du Coefficient de Diffusion de la Vapeur d’EauConvertisseur des Niveaux SonoresConvertisseur de Sensibilité des MicrophonesConvertisseur de niveau de pression acoustique (SPL)Convertisseur de niveau de pression acoustique avec pression de référence sélectionnableConvertisseur de luminanceConvertisseur d’intensité lumineuseConvertisseur de l’éclairement lumineuxConvertisseur de Résolution d’une Image NumériqueConvertisseur de Fréquence et de Longueur d’OndeConvertisseur de puissance optique (dioptrie) en distance focaleConvertisseur de la puissance optique (dioptrie) en grossissement (X)Convertisseur de charge électriqueConvertisseur linéaire de densité de chargeConvertisseur de Densité Surfacique de ChargeConvertisseur de densité de charge en volumeConvertisseur de courant électriqueConvertisseur linéaire de densité de courantConvertisseur de Densité Surfacique de CourantLe convertisseur d’intensité de champ électriqueLe convertisseur de potentiel et de tension électriqueConvertisseur de résistance électriqueConvertisseur de résistivité électriqueLe convertisseur de conductance électriqueLe convertisseur de conductivité électriqueCapacitance ou capacité électriqueConvertisseur d'inductanceConvertisseur de puissance réactive en courant alternatifJauge de fil américaine, convertisseurConversion des Niveaux en Unités dBm, dBV, Watts et Autres UnitésConvertisseur de force magnétomotriceConvertisseur d’intensité du champ magnétiqueConvertisseur du flux magnétiqueConvertisseur de densité de flux magnétiqueDébit de dose de rayonnement absorbée, Convertisseur de l’intégrale du débit de dose de rayonnement ionisantLa radioactivité. Le convertisseur de décroissance radioactiveConvertisseur d’exposition aux rayonnementsLe rayonnement. Le convertisseur de dose absorbéeConvertisseur de préfixes métriquesConvertisseur de transmission de donnéesConvertisseur d’unités de typographie et d’imagerie numériqueConvertisseur de mesures de volume de boisCalculateur de masse molaireTableau périodique

Bataille de Tchesmé par Ivan Aivazovsky

Nous devons le confort de notre vie quotidienne au courant électrique. Il génère des radiations dans le spectre visible et éclaire non seulement nos maisons, mais fait aussi cuire et réchauffe nos aliments dans divers appareils électriques comme les cuisinières électriques, les fours à micro-ondes et les grille-pain. Comme nous avons de l'électricité, nous n'avons pas besoin de chercher du combustible pour allumer un feu. Grâce à l'électricité, nous pouvons également nous déplacer rapidement sur un plan horizontal dans les trains, les métros et les trains à grande vitesse, et sur un plan vertical dans les escaliers roulants et les ascenseurs. Nous devons également la chaleur et le confort de nos maisons au courant électrique, car il alimente nos chauffages électriques, nos climatiseurs et nos ventilateurs. Diverses machines électriques facilitent grandement notre travail, tant quotidiennement que dans diverses industries. Nous vivons en effet à l'ère de l'électricité, car c'est elle qui nous permet d'utiliser nos ordinateurs, nos smartphones, Internet, la télévision et d'autres technologies électroniques intelligentes. Compte tenu de la commodité de l'électricité en tant que forme d'énergie, il n'est pas étonnant que nous consacrions tant d'efforts à sa production.

Cela peut paraître étonnant, mais l'idée d'une utilisation pratique de l'électricité a d'abord été adoptée par certains des membres les plus conservateurs de la société — les officiers de marine. Il était difficile de progresser dans cette société élitiste, et il était tout aussi difficile de convaincre les amiraux, qui ont commencé comme garçons de cabine à l'âge de la voile, de la nécessité de passer à des cuirassés en fer avec des machines à vapeur, mais les jeunes officiers favorisaient et soutenaient l'innovation. En raison du succès de l'utilisation des navires de feu pendant la guerre russo-turque de 1770, qui a conduit à la victoire lors de la bataille de Tchesmé, la marine a commencé à envisager de moderniser les systèmes de défense des ports en utilisant l'ancienne artillerie côtière en combinaison avec les mines navales, qui étaient révolutionnaires à l'époque.

Station radio de bord, vers 1910. Musée des sciences et de la technologie du Canada, Ottawa

Le développement de divers types de mines navales a commencé au début du XIXe siècle, et les conceptions les plus réussies comprenaient des mines autonomes activées par l'électricité. Dans les années 1870, le physicien allemand Heinrich Hertz a mis au point un dispositif permettant de faire exploser des mines ancrées à l'aide de l'électricité. Une des variantes de ce dispositif, une mine navale à cornes, est notoire et apparaît souvent dans les films de guerre historiques. Sa « corne » en plomb possède un récipient contenant un électrolyte, qui est écrasé lorsqu'il entre en contact avec le corps d'un navire. L'électrolyte alimente une simple batterie qui, à son tour, fait exploser la mine.

Station de radio de la Compagnie de la Baie d'Hudson, vers 1937. Musée des sciences et de la technologie du Canada, Ottawa

Les officiers de marine ont été parmi les premiers à apprécier le potentiel des bougies Yablochkov, qui ont été les premières sources de lumière électrique. Ces bougies étaient loin d'être parfaites mais produisaient de la lumière par un arc électrique et une électrode positive chaude blanche brillante faite de charbon. Elles étaient utilisées pour la signalisation du champ de bataille et pour éclairer le champ de bataille. L'utilisation de puissants projecteurs donnait un avantage au camp qui les utilisait pour éclairer le champ de bataille pendant les batailles de nuit ou pour transmettre des informations et coordonner l'action de différentes unités navales pendant les batailles navales. Les projecteurs utilisés dans les phares ont amélioré la navigation dans les eaux côtières dangereuses.

Tube à vide, vers 1921. Musée des sciences et de la technologie du Canada, Ottawa

Il n'est pas surprenant que la marine ait également été enthousiaste à l'idée d'adapter les technologies qui permettent la transmission d'informations sans fil. La grande taille des premiers dispositifs de transmission n'a pas posé de problème à la marine, car ses navires disposaient de suffisamment d'espace pour accueillir ces machines pratiques mais parfois volumineuses.

Des machines électriques étaient utilisées pour simplifier le chargement des canons à bord des navires, tandis que des machines électriques de puissance étaient utilisées pour faire tourner les tourelles de canon et augmenter la précision et l'efficacité des canons. Le télégraphe d'ordre des machines permettait à l'équipage de communiquer et augmentait son efficacité, ce qui lui donnait un avantage considérable dans la bataille.

L'une des utilisations les plus terrifiantes du courant électrique dans les batailles navales fut l'utilisation par le Troisième Reich de U-boote de raid. Les sous-marins d'Hitler, qui utilisaient la tactique du Wolfpack, ont coulé de nombreux convois de transport des Alliés. La célèbre histoire du convoi PQ 17 en est une illustration.

Émetteur radio de Drummondville, vers 1926. Musée des sciences et de la technologie du Canada, Ottawa

La marine britannique a pu obtenir plusieurs machines Enigma utilisées par les Allemands pour coder des messages, et ils ont réussi à déchiffrer son code avec l'aide d'Alan Turing, qui est connu comme le père de l'informatique moderne. Les Alliés ont intercepté la communication radio de l'amiral allemand Karl Dönitz, et grâce à cette information, ils ont pu utiliser l'aviation côtière pour coincer le Wolfpack et le repousser sur les côtes de la Norvège, de l'Allemagne et du Danemark. Grâce à cela, à partir de 1943, les raids furent limités à de courtes périodes.

Clé télégraphique sans fil, vers 1915. Musée des sciences et de la technologie du Canada, Ottawa

Hitler prévoyait d'ajouter des fusées V-2 à ses sous-marins, afin qu'ils puissent être utilisés pour attaquer la côte Est des États-Unis. Cependant, l'avance rapide des alliés sur les fronts Ouest et Est l'en a empêché.

Il est difficile d'imaginer la marine moderne sans porte-avions et sans sous-marins nucléaires. Ils sont propulsés par des réacteurs nucléaires, qui combinent les technologies du XIXe siècle basées sur la vapeur, les technologies du XXe siècle basées sur l'électricité et les technologies nucléaires du XXIe siècle. Les systèmes de production d'énergie des sous-marins nucléaires produisent suffisamment d'énergie électrique pour répondre aux besoins énergétiques d'une grande ville.

En plus des utilisations de l'électricité dont nous avons déjà parlé, la marine a récemment commencé à envisager d'autres applications de l'électricité, comme l'utilisation d'un canon à rail. Un canon à rail est un dispositif électrique qui utilise des projectiles à énergie cinétique ayant un vaste potentiel de destruction.

James Clerk Maxwell. Une statue d'Alexander Stoddart. Photo par Ad Meskens / Wikimedia Commons

Un peu d'histoire

Avec le développement de sources d'énergie fiables pour le courant continu (DC) comme la pile voltaïque, créée par le physicien italien Alessandro Volta, de nombreux scientifiques éminents du monde entier ont commencé à explorer les propriétés du courant électrique et les phénomènes physiques qu'il provoque, ainsi que ses utilisations pratiques dans les domaines de la science et de la technologie. La « liste d'étoiles » des scientifiques comprend Georg Ohm, qui a dérivé la loi d'Ohm pour décrire le comportement du courant électrique dans un circuit électrique de base ; le physicien allemand Gustav Kirchhoff qui a développé des calculs pour des circuits électriques plus complexes ; et le physicien français André Marie Ampère, qui a découvert la loi qui décrit les propriétés dans une boucle fermée sur laquelle agit un champ magnétique et qui est traversée par un courant électrique. Cette loi est maintenant connue sous le nom de loi de circuit d'Ampère. Les travaux indépendants du physicien anglais James Prescott Joule et du scientifique russe Heinrich Lenz ont abouti à la découverte de la loi de l'échauffement de Joule, qui quantifie l'effet thermique du courant électrique.

Hendrik Antoon Lorentz, peint en 1916 par Menso Kamerlingh Onnes (1860–1925).

Les travaux de James Clerk Maxwell se sont concentrés sur la poursuite des recherches sur les propriétés du courant électrique, et ont posé les bases de l'électrodynamique moderne. Ces travaux sont maintenant connus sous le nom d'équations de Maxwell. Maxwell a également développé la théorie des radiations électromagnétiques et a prédit de nombreux phénomènes tels que les ondes électromagnétiques, la pression des radiations, et d'autres encore. Plus tard, l'existence des ondes électromagnétiques a été prouvée expérimentalement par le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz. Ses travaux sur la réflexion, l'interférence, la diffraction et la polarisation des ondes électromagnétiques ont été exploités lors de l'invention de la radio.

Jean-Baptiste Biot (1774–1862)

Plusieurs travaux expérimentaux des physiciens français Jean-Baptiste Biot et Félix Savart sur la manifestation du magnétisme en présence de courant électrique, résumés dans la loi Biot-Savart, et les recherches du brillant mathématicien français Pierre-Simon Laplace, qui ont généralisé les résultats expérimentaux ci-dessus en tant qu'abstraction mathématique, ont établi pour la première fois un lien entre les deux côtés d'un phénomène et ont donné naissance à l'étude de l'électromagnétisme. Le brillant physicien britannique Michael Faraday a poursuivi leurs travaux et a découvert l'induction électromagnétique. L'ingénierie électrique moderne s'appuie sur les travaux de Faraday.

Un physicien des Pays-Bas, Hendrik Lorentz, a apporté une contribution précieuse à l'explication de la nature du courant électrique. Il a développé la théorie classique des électrons et a théorisé que les atomes étaient constitués de particules chargées plus petites, et que la lumière était le résultat des oscillations de ces particules. Il a également dérivé l'équation pour décrire la force qui agit sur la charge mobile à partir du champ électromagnétique. Cette force est connue sous le nom de force de Lorentz.

Définition du courant électrique

Le courant électrique peut être défini comme un mouvement ordonné de particules chargées. Selon cette définition, le courant électrique est mesuré par le nombre de particules chargées qui passent à travers une section transversale d'un conducteur dans une unité de temps donnée.

I = q / t, où q est la charge en coulombs, t est le temps en secondes, et I est le courant électrique en ampères.

Une autre définition du courant électrique dépend des propriétés des conducteurs et est décrite par la loi d'Ohm :

I = V / R, où V est la tension en volts, R est la résistance en ohms, et I est le courant en ampères.

Le courant électrique est mesuré en ampères (A) et en unités dérivées telles que les nanoampères (un milliardième d'ampère, nA), les microampères (un millionième d'ampère, μA), les milliampères (un millième d'ampère, mA), les kiloampères (un millier d'ampères, kA) et les méga-ampères (un million d'ampères, MA).

Dans le SI, l'unité du courant électrique est dérivée comme

[А] = [C] / [s]

L'aluminium est un très bon conducteur et est largement utilisé dans le câblage électrique

Lorsque l'on considère le courant électrique, il faut tenir compte du milieu qui le transporte, en particulier des particules chargées présentes dans le matériau ou la substance à l'état actuel. Ce matériau ou cette substance peut être un solide, un liquide ou un gaz. Un exemple unique de différents états d'une substance est le monoxyde de dihydrogène, ou oxyde d'hydrogène, que nous connaissons simplement sous le nom d'eau. Nous pouvons le considérer comme un solide lorsque nous regardons la glace du congélateur que nous avons fabriqué pour refroidir les boissons — la plupart de ces dernières sont fabriquées à base d'eau. En revanche, pour la préparation du thé ou du café instantané, nous utilisons de l'eau bouillante. Si nous attendions que l'eau bouille avant de la verser dans la théière, nous verrions le brouillard qui sort du bec de la théière — ce brouillard est constitué de gouttes d'eau qui se sont formées à partir de l'état gazeux de l'eau (vapeur) qui sort du bec et entre en contact avec l'air froid.

Il existe également un autre état de la matière appelé plasma. Le plasma à basse température constitue les couches supérieures des étoiles, l'ionosphère de la Terre, la flamme, un arc électrique et la substance à l'intérieur des lampes fluorescentes, pour ne citer que quelques exemples. Le plasma à haute température est difficile à recréer en laboratoire car il nécessite des températures extrêmement élevées, supérieures à 1 000 000 K.

Ces disjoncteurs haute tension contiennent deux composants principaux : les contacts de coupure et un isolant qui relie deux fils entre eux.

En fonction de leur structure, les matériaux solides peuvent être divisés en deux catégories : cristallins et amorphes. Les premiers ont un réseau cristallin structuré. Les atomes et les molécules d'une telle substance créent des réseaux cristallins bidimensionnels ou tridimensionnels. Les solides cristallins comprennent les métaux, leurs alliages et les semi-conducteurs. Nous pouvons facilement visualiser les solides cristallins en imaginant des flocons de neige, qui sont des cristaux de forme unique. Les substances amorphes, quant à elles, n'ont pas de réseau cristallin. Les diélectriques sont généralement amorphes.

Dans des conditions normales, le courant électrique circule à travers les solides grâce au mouvement des électrons libres, qui se détachent de l'atome par suite du détachement des électrons de valence. Nous pouvons également diviser les solides en fonction de la nature du flux d'électricité qu'ils contiennent en conducteurs, semi-conducteurs et isolants. Les propriétés des différents matériaux sont déterminées en fonction de la structure de la bande électronique discrète. Elle dépend de la largeur de la bande interdite, où aucun électron ne peut être présent. Les isolateurs ont la bande interdite la plus large, qui peut parfois atteindre 15 eV. Les isolants et les semi-conducteurs n'ont pas d'électrons dans la bande de conduction à la température du zéro absolu, mais à température ambiante, il y aurait des électrons qui seraient retirés des bandes de valence en raison de l'énergie thermique. Dans les conducteurs tels que les métaux, la bande de conduction chevauche les bandes de valence. C'est pourquoi, même au zéro absolu, il y a un grand nombre d'électrons, et cela reste vrai lorsque les températures augmentent jusqu'au point de fusion. Ces électrons permettent au courant électrique de circuler à travers le matériau. Les semi-conducteurs ont de petites bandes interdites et leur capacité à conduire l'électricité dépend fortement de la température, du rayonnement et d'autres facteurs, comme la présence de dopants.

Transformateur à noyau laminé. Des tôles d'acier en forme de I et de E sont clairement visibles sur les côtés.

Les supraconducteurs créent des conditions particulières pour le courant électrique. Ce sont les matériaux qui n'ont aucune résistance au passage du courant électrique. Les électrons de conduction de ces matériaux forment des groupes de particules liés les uns aux autres par des effets quantiques.

Comme leur nom l'indique, les isolants ne conduisent pas bien le courant électrique. Cette propriété des isolateurs est utilisée pour limiter le flux de courant électrique entre les surfaces conductrices de différents matériaux.

En plus du courant électrique qui circule dans les conducteurs lorsque le champ magnétique est constant, lorsque le champ magnétique est variable, ses variations provoquent un phénomène connu sous le nom de courants de Foucault. Plus le taux de variation du champ magnétique est élevé, plus les courants de Foucault sont forts. Ils ne suivent pas un trajet précis, mais circulent en boucle fermée dans le conducteur.

Les courants de Foucault provoquent un effet de peau, c'est-à-dire une tendance du courant électrique alternatif (AC) et du flux magnétique à circuler principalement le long de la couche superficielle du conducteur, ce qui entraîne une perte d'énergie. Pour réduire ces pertes par courants de Foucault dans les noyaux de transformateurs, leurs circuits magnétiques sont divisés. Cette réduction est réalisée par l'empilement de couches de fines plaques isolantes en acier, qui forment le noyau du transformateur.

Pommeau de douche en plastique chromé

Courant électrique dans les liquides (électrolytes)

Tous les liquides sont susceptibles de conduire le courant électrique dans une certaine mesure lorsqu'on leur applique une tension électrique. Ces liquides qui conduisent le courant électrique sont des électrolytes. Le courant électrique est transporté par les ions chargés positivement et négativement, appelés respectivement cations et anions, présents dans le liquide en raison de la dissociation électrolytique. Dans les électrolytes, la circulation du courant est due au mouvement des ions par rapport au courant créé en raison du mouvement des électrons dans les métaux. La présence de ce courant dans les électrolytes est caractérisée par le mouvement de la substance vers les électrodes et la formation de nouveaux éléments chimiques autour des électrodes ou le dépôt de ces nouvelles substances sur l'électrode.

Ce phénomène a été à la base de l'électrochimie et permet de quantifier le poids équivalent de différentes substances chimiques. Cela nous a permis de faire de la chimie inorganique une science exacte. Le développement de la chimie des électrolytes nous a permis de créer des sources chimiques d'énergie sous la forme de piles primaires (ou jetables) et rechargeables et de piles à combustible. Ces dernières ont à leur tour permis un bond dans le développement de la technologie. Il suffit de jeter un coup d'œil sous le capot de votre voiture et d'examiner la batterie pour avoir un aperçu des résultats de dizaines d'années de travail des chercheurs et des ingénieurs.

Batterie de voiture installée dans la Honda Civic 2012

De nombreux procédés industriels qui dépendent de la circulation du courant électrique dans les électrolytes peuvent donner une finition attrayante au produit final (par exemple le chromage et le nickelage par électrolyse), et protéger les objets de la corrosion. L'électrodéposition et l'électrogravure sont des procédés fondamentaux de l'électrotechnique moderne pour la fabrication de divers composants électroniques. Ces procédés sont très couramment utilisés, par exemple dans la microfabrication, et le nombre de composants électroniques produits à l'aide de ces techniques atteint des dizaines de milliards par an.

Le courant électrique dans les gaz

Le flux de courant électrique dans les gaz dépend du nombre d'électrons et d'ions libres qu'ils contiennent. En raison de la plus grande séparation entre les particules de gaz par rapport aux liquides et aux solides, il est courant que les molécules et les ions des gaz parcourent de plus longues distances avant d'entrer en collision. De ce fait, la circulation de l'électricité dans les gaz est difficile dans des circonstances normales. Il en va de même pour les mélanges de gaz. Un exemple de mélange de gaz est l'air, qui est considéré en électrotechnique comme un bon isolant. Dans des conditions normales, de nombreux autres mélanges de gaz sont également de bons isolants.

La lampe de test d'un tournevis au néon indique la présence d'une tension de 220 V

Le flux d'électricité dans les gaz dépend de différents facteurs physiques tels que la pression, la température et les composants qui composent ce mélange. En outre, les rayonnements ionisants jouent également un rôle. Par exemple, le gaz peut conduire l'électricité s'il est irradié par des rayons ultraviolets ou des rayons X, s'il est affecté par les particules de la cathode ou de l'anode ou par les particules émises par une substance radioactive, ou même si la température de ce gaz est élevée.

Lorsque l'énergie est absorbée par des atomes ou des molécules de gaz électriquement neutres et que des ions sont formés, ce processus endothermique est appelé ionisation. Lorsque l'énergie atteint un certain seuil, l'électron ou un groupe d'électrons franchit la barrière de potentiel et quitte l'atome ou la molécule, devenant ainsi des électrons libres. L'atome ou la molécule que les électrons ont quittée n'est plus neutre, il est chargé positivement. Les électrons libres peuvent rejoindre des atomes ou des molécules neutres et former des ions chargés négativement. Les ions chargés positivement peuvent reprendre les électrons chargés négativement lorsqu'ils entrent en collision avec eux, et redeviennent ainsi neutres. Ce processus est appelé recombinaison.

Lorsque le courant électrique circule dans le gaz, son état change. Il en résulte une dépendance complexe entre le courant électrique et la tension, qui est plus ou moins régulée par la loi d'Ohm, mais seulement lorsque les courants électriques sont faibles.

Les décharges électriques dans les gaz peuvent être soit non autonomes, soit autonomes. Les décharges non auto-entretenues créent un courant électrique qui n'est possible qu'en présence de facteurs ionisants externes. Lorsque ces derniers sont absents, le courant électrique ne circule pas dans le gaz. D'autre part, pendant les décharges auto-entretenues, le courant électrique est maintenu grâce à l'ionisation des atomes et des molécules neutres du gaz qui ont été accélérés par le champ électrique lors de la collision avec les électrons et les ions libres. Dans ces circonstances, l’existence du courant électrique est possible même sans facteurs ionisants externes.

Caractéristiques courant-tension d'une décharge silencieuse

Lorsque la différence de potentiel entre l'anode et la cathode est faible, la décharge non auto-entretenue est appelée une décharge silencieuse ou une décharge de Townsend. Lorsque la tension augmente, l'intensité du courant augmente également. Au début, cette augmentation est proportionnelle à la tension (section OA sur la caractéristique voltampère de la décharge silencieuse), mais progressivement le taux d'augmentation ralentit (section AB sur le graphique). Lorsque toutes les particules détachées qui ont été libérées par le processus d'ionisation se déplacent vers la cathode et l'anode en même temps, il n'y a pas d'augmentation du courant (section BC sur le graphique). Si la tension est à nouveau augmentée, le courant augmente également, et la décharge silencieuse devient une charge d'avalanche non auto-entretenue. Un exemple de décharge non auto-entretenue est une décharge luminescente dans des lampes à décharge à haute pression à usages divers.

Lorsque la décharge non auto-entretenue est transformée en décharge auto-entretenue, le courant électrique augmente (point E sur la courbe). Ce point est connu sous le nom de panne électrique.

Flash photo électronique avec un tube au xénon (rectangle rouge)

Tous les différents types de charges décrits ci-dessus sont des décharges stationnaires ou en régime permanent. Leurs propriétés ne dépendent pas du temps. Outre ces décharges, il existe également des décharges instationnaires, qui se produisent généralement dans des champs électriques très irréguliers, par exemple dans les surfaces pointues ou déformées de conducteurs ou d'électrodes. Il existe deux types de décharges irrégulières : les décharges corona et les décharges à étincelles.

L'ionisation lors de l’effet corona ne provoque pas de panne électrique. Il provoque, cependant, un processus répétitif de démarrage d'une décharge non autonome dans un petit espace restreint autour du conducteur. Un bon exemple d’effet corona est la lueur dans l'air autour des antennes, des paratonnerres ou des lignes électriques en hauteur. L’effet corona autour des lignes électriques entraîne une perte d'énergie. Dans le passé, cette lueur était familière aux marins — la lueur autour des mâts des navires était connue sous le nom de feu de Saint-Elme. L’effet corona est utilisé dans les imprimantes laser et les photocopieurs. Il est généré par un dispositif de production de corona, une corde métallique à laquelle est appliquée une haute tension. L’effet corona ionise, par ailleurs, le gaz qui, à son tour, ionise le tambour photosensible. Dans le cas d’espèce, un effet corona est utile.

Par rapport à un effet corona, une décharge électrostatique provoque une panne électrique. Elle ressemble à des fils brillants intermittents qui se ramifient et sont remplis de gaz ionisé. Ils apparaissent et disparaissent, et produisent une grande quantité de chaleur et de lumière. La foudre est un exemple de courant de décharge électrostatique naturelle. Le courant électrique qu'il contient peut atteindre des dizaines de kiloampères. Avant que la foudre ne se produise, une formation descendante, connue sous le nom de leader ou d'étincelle, doit être créée. Elle crée une formation de leader avec le leader en escalier. La foudre consiste généralement en une décharge électrostatique multiple dans la formation du guide descendant pour la foudre négative entre le nuage et le sol. Une puissante décharge électrostatique est utilisée dans les flashes électroniques en photographie. La décharge se forme entre les électrodes d'un tube flash en verre de quartz, rempli d'un mélange de gaz nobles ionisés.

Lorsqu'une décharge électrique se prolonge sur une longue période, on parle d'arc électrique. Les arcs électriques sont utilisés dans le soudage à l'arc, une technique indispensable dans la construction moderne, qui sert à construire des constructions en acier de tailles et de fonctions diverses, des gratte-ciel aux porte-avions en passant par les voitures. L'arc électrique sert non seulement à assembler des matériaux, mais aussi à les couper. La différence entre ces deux procédés réside dans l'intensité du courant utilisé. Le soudage s'effectue à des courants relativement faibles alors que la découpe nécessite des courants plus élevés pour l'arc électrique. La découpe elle-même se produit lorsque le métal fondu est retiré, et différentes techniques sont utilisées pour l'enlever.

Un autre usage de l'arc électrique dans les gaz est celui des lampes à décharge, qui chassent l'obscurité de nos rues, places et stades (les lampes à vapeur de sodium sont généralement utilisées dans ce cadre). Les lampes aux halogénures métalliques, qui ont remplacé les ampoules à incandescence des phares des voitures, utilisent également cette technologie.

Le courant électrique dans le vide

Tube à vide dans la station d'émission. Musée des sciences et de la technologie du Canada, Ottawa

Le vide est un diélectrique parfait et, de ce fait, le courant électrique dans le vide n'est possible que si les porteurs libres de courant tels que les électrons ou les ions sont générés par émission thermoionique, par émission photoélectrique ou par d'autres moyens.

Des caméras de télévision comme celle-ci étaient utilisées dans les années 1980. Musée des sciences et de la technologie du Canada, Ottawa

La principale méthode de génération de courant électrique dans le vide à l’aide d'électrons est l'émission thermoélectrique d'électrons par les métaux. Lorsqu'une électrode est chauffée (on parle alors de cathode chaude), elle émet des électrons dans le tube. Ces électrons font circuler le courant électrique tant qu'une autre électrode (appelée anode) est présente, et tant qu'il y a une certaine tension de polarité requise entre les deux. Ces tubes à vide sont appelés diodes et conduisent le courant électrique dans un seul sens. Ils bloquent le courant s'il y a une tentative de forcer le courant à circuler dans le sens opposé. Cette propriété sert à convertir le courant alternatif (AC) en courant continu (DC) au moyen du processus de redressement. Ceci est réalisé par un système de diodes.

Si une électrode supplémentaire appelée grille est ajoutée près de la cathode, on obtient un dispositif appelé triode, qui amplifie de manière significative même les petits changements de tension dans la grille de contrôle par rapport à la cathode. Cela a pour conséquence de modifier le courant et la tension de la charge, qui est connectée en série au tube à vide, par rapport à la source d'alimentation. Ce système appelé amplificateur sert à amplifier divers signaux.

L'utilisation de tubes à vide avec un grand nombre de grilles de contrôle telles que des tétrodes, des pentodes et même des convertisseurs pentagrid à sept électrodes a été révolutionnaire pour la génération et l'amplification des signaux radio, et a permis la création de systèmes modernes de diffusion radio et TV.

Vidéoprojecteur moderne

Historiquement, la radio a été développée en premier, car il était plus ou moins facile de concevoir des méthodes de conversion et de transmission de signaux à relativement basse fréquence, ainsi que de créer la conception de circuits pour des dispositifs récepteurs qui peuvent amplifier et mélanger les fréquences radio pour les convertir en un signal acoustique par le biais du processus de démodulation.

Lorsque la télévision a été inventée, des tubes à vide appelés iconoscopes ont été utilisés pour émettre des électrons par l'effet photoélectrique de la lumière qui les éclairait. Le signal était renforcé par un amplificateur à tube à vide. Pour visualiser l'image capturée et transmise, l’on se servait des tubes à rayons cathodiques (CRT), qui étaient également des tubes à vide. Dans le CRT, l'image était créée sur l'écran par conversion inverse du signal. Cela se faisait en accélérant les électrons à grande vitesse à l'aide d'un (ou trois pour la télévision couleur) canon à électrons dans un champ électrique puissant. Ce champ était créé en appliquant une forte tension entre la cathode du canon à électrons et l'anode du tube cathodique. Des faisceaux d'électrons à haute vitesse étaient dirigés sur l'écran recouvert de matériau fluorescent et la lumière visible était émise par celui-ci. L'image était créée par deux systèmes synchronisés entre eux : un qui lisait le signal de l'iconoscope et un autre qui effectuait un balayage de trame. Les premiers tubes à rayons cathodiques étaient monochromes.

Microscope électronique à balayage SU3500. Département des sciences et du génie des matériaux. Université de Toronto

La télévision couleur a été développée peu après. Les iconoscopes de la télévision couleur étaient des systèmes hybrides qui réagissaient uniquement à la lumière d'une couleur donnée, soit le rouge, le bleu ou le vert. Les points de phosphore coloré des tubes cathodiques des téléviseurs émettaient de la lumière en raison du courant électrique produit par le canon à électrons. Ils réagissaient aux électrons accélérés qui les frappaient et émettaient de la lumière d'une couleur et d'une luminosité spécifiques. Des masques d'ombre spéciaux ont été utilisés pour s'assurer que les rayons de chaque canon à électrons de couleur frappent les points de phosphore de la bonne couleur.

Les technologies modernes de télévision et de radiodiffusion utilisent des matériaux plus avancés basés sur des semi-conducteurs qui consomment moins d'énergie.

L'une des méthodes les plus utilisées pour générer une image des organes internes est la fluoroscopie. Une cathode émet des électrons, qui sont accélérés à une vitesse telle que lorsqu'ils touchent l'anode, ils génèrent des rayons X capables de pénétrer les tissus mous du corps humain. Les radiographies donnent aux médecins des informations uniques sur l'état des os, des dents et de certains organes internes, et peuvent même aider à déterminer des maladies telles que le cancer du poumon.

Tube à ondes progressives en bande C. Musée des sciences et de la technologie du Canada, Ottawa

En général, les courants électriques formés par le mouvement des électrons dans le vide ont un large éventail d'applications. Les tubes à vide, les accélérateurs de particules, les spectromètres de masse, les microscopes électroniques, les générateurs de vide à haute fréquence tels que les tubes à ondes progressives, les klystrons et les magnétrons à cavité ne sont que quelques exemples de la manière dont nous utilisons ce type de courant électrique. Il faut noter que ce sont les magnétrons qui chauffent et font cuire nos aliments dans les fours à micro-ondes.

Une technologie récente très précieuse qui utilise le courant électrique dans le vide est le dépôt de couches minces dans l’espace. Ces couches ont une fonction décorative ou protectrice. Les matériaux utilisés dans cette technique sont des métaux, leurs alliages et leurs composés avec l'oxygène, l'azote et le carbone. Ces couches modifient ou combinent les propriétés électriques, optiques, mécaniques, magnétiques, et catalytiques liées à la corrosion de la surface qu'ils recouvrent.

Afin d'obtenir un composé complexe pour cette mince couche, la technologie du dépôt par faisceau d'ions est utilisée. Quelques exemples de cette technologie sont le dépôt à l'arc cathodique et sa variante commerciale, la pulvérisation magnétron à impulsion de haute puissance. Au final, c'est le courant électrique qui crée une couverture de minces couches sur la surface, grâce aux ions.

La pulvérisation cathodique par faisceau d'ions crée de minces couches à partir de nitrures, de carbures et d'oxydes métalliques, qui présentent un ensemble extraordinaire de propriétés mécaniques, thermophysiques et optiques, notamment la dureté, la durabilité, l'électroconductivité et la thermoconductivité, ainsi que la densité optique. Il n'est pas possible d'obtenir ces résultats d'une autre manière.

Le courant électrique en biologie et en médecine

Simulation de salle d'opération au Li Ka Shing Knowledge Institute, Toronto, Canada. Les patients des mannequins robots qui peuvent cligner des yeux, respirer, pleurer, saigner et simuler des maladies sont utilisés pour l'enseignement

La compréhension du comportement du courant électrique à l'intérieur des systèmes biologiques donne aux biologistes et aux médecins un outil puissant pour la recherche, le diagnostic et le traitement.

Du point de vue de l'électrochimie, tous les objets biologiques contiennent des électrolytes, quelle que soit leur structure.

Lorsque l'on considère comment le courant électrique traverse un objet biologique, il faut tenir compte de l'état des cellules de cet objet. À cet égard, la membrane cellulaire est une structure importante à prendre en considération. C'est la couche extérieure de chaque cellule, qui la protège des effets négatifs de l'environnement en ayant une perméabilité sélective pour différentes substances. En d'autres termes, elle laisse entrer certaines substances et en arrête d'autres. Du point de vue de la physique, nous pouvons considérer cette membrane comme un circuit équivalent qui comprend une connexion parallèle d'un condensateur avec plusieurs circuits qui ont une connexion en série entre une source de courant électrique et une résistance. Grâce à cette structure, la conductivité électrique de cet objet biologique dépend de la fréquence de la tension appliquée et des types de tension.

Une représentation 3D des chemins des fibres qui relient les différentes régions du cerveau. Cette image a été acquise à l'aide de la technique non invasive d'imagerie du tenseur de diffusion (DTI)

Le tissu biologique est constitué de cellules, de liquide extracellulaire, de vaisseaux sanguins et de cellules nerveuses. Lorsqu'un courant électrique est appliqué, les cellules nerveuses sont excitées et envoient des signaux pour contracter ou détendre les muscles et les vaisseaux sanguins de l'animal. Il faut noter que le flux de courant électrique dans les tissus biologiques est non linéaire.

L'exemple classique de l'effet d'un courant électrique sur un objet biologique est l'ensemble des expériences du médecin, physicien et biologiste italien Luigi Galvani, considéré comme l'un des pères fondateurs de l'électrochimie. Au cours de ces expériences, il a envoyé un courant électrique à travers les nerfs d'une patte de grenouille, ce qui a provoqué la contraction des muscles et le mouvement de la patte. En 1791, ses découvertes ont été décrites dans le rapport sur les forces électriques dans le mouvement des muscles. Pendant longtemps, les manuels scolaires ont appelé « galvanisme » le phénomène découvert par Galvani. Aujourd'hui encore, ce terme s’emploie parfois pour certains procédés et appareils.

Le développement de l'électrophysiologie est étroitement lié à celui de la neurophysiologie. En 1875, un chirurgien et médecin britannique Richard Caton et un médecin russe Vasily Danilewsky ont montré, chacun en ce qui le concerne, que le cerveau peut produire de l'électricité. En d'autres termes, ils ont découvert le courant ionique qui circule dans le cerveau.

Les objets biologiques peuvent générer non seulement des micro-courants, mais aussi des tensions et des courants importants dans le cadre de leur fonctionnement quotidien. Bien avant les travaux de Galvani, un biologiste britannique, John Walsh, a prouvé la nature électrique du système de défense d'un rayon électrique. Un chirurgien et physiologiste écossais, John Hunter, a donné une description détaillée du mécanisme par lequel les rayons électriques produisent de l'électricité. Les résultats de leurs recherches ont été publiés en 1773.

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) est une technique non invasive qui permet aux médecins de mesurer l'activité cérébrale en détectant les changements dans le flux sanguin

La médecine et la biologie modernes utilisent différentes méthodes pour explorer les organismes vivants, qui comprennent des techniques à la fois invasives et non invasives.

Un exemple classique de méthode invasive est l'étude des rats qui courent dans un labyrinthe ou accomplissent d'autres tâches avec des électrodes implantées dans leur cerveau.

D'autre part, les méthodes non invasives sont des diagnostics bien connus tels que l'électroencéphalographie et l'électrocardiographie. Dans ces procédures, des électrodes qui contrôlent les courants électriques dans le cerveau ou le cœur sont utilisées pour prendre des mesures sur la peau de la personne ou de l'animal observé. Pour améliorer le contact avec les électrodes, une solution saline est appliquée sur la peau car c'est un bon électrolyte et elle peut bien conduire le courant électrique.

Outre l'utilisation du courant électrique pour la recherche et pour surveiller l'état de divers processus et réactions chimiques, l'une des utilisations les plus spectaculaires de l'électricité est la défibrillation, parfois montrée dans les films comme « redémarrage » d'un cœur qui a déjà cessé de fonctionner.

Formation au défibrillateur externe automatique (AED)

En effet, une impulsion de courte durée d'une ampleur significative peut parfois (mais très rarement) faire redémarrer un cœur. Cependant, le plus souvent, des défibrillateurs servent à corriger les battements arythmiques du cœur et à le ramener à la normale. Les contractions arythmiques chaotiques sont connues sous le nom de fibrillation ventriculaire, d'où le nom de défibrillateur pour le retour à la normale du cœur. Les défibrillateurs externes automatisés modernes ont la capacité d’enregistrer l'activité électrique du cœur, de déterminer la fibrillation des ventricules du cœur, puis de calculer la puissance d'un courant nécessaire au patient en fonction de ces facteurs. De nombreux espaces publics sont maintenant équipés de défibrillateurs et la communauté médicale espère que cette mesure permettra d'éviter de nombreux décès dus au dysfonctionnement du cœur du patient.

Les ambulanciers paramédicaux sont formés pour déterminer l'état physiologique du muscle cardiaque par l'électrocardiogramme et prendre des décisions sur le traitement rapidement, beaucoup plus vite que ne le peuvent les défibrillateurs externes automatisés mis à la disposition du public.

Il faut également mentionner les stimulateurs cardiaques artificiels, qui contrôlent les contractions du cœur. Ces dispositifs sont implantés sous la peau ou sous le muscle mammaire du patient et transmettent des impulsions d'un courant électrique d'environ 3 V à travers l'électrode et au muscle cardiaque. Cela stimule le rythme cardiaque normal. Les stimulateurs cardiaques modernes peuvent fonctionner pendant 6 à 14 ans avant de devoir être remplacés.

Caractéristiques du courant électrique, sa production et ses utilisations

Le courant électrique est caractérisé par son ampleur et son type. En fonction de son comportement, les types de courant électrique sont divisés en courant continu ou DC (il ne change pas avec le temps), courant inharmonique (il change au hasard avec le temps), et en courant alternatif ou AC (il change avec le temps selon un modèle spécifique, généralement il est régi par une loi périodique). Certaines tâches nécessitent à la fois du courant continu et du courant alternatif. Dans ce cas, nous parlons d'un courant alternatif avec une composante continue.

Le réacteur à fusion nucléaire du Tokamak de Varennes. Varennes, Québec 1981. Musée des sciences et de la technologie du Canada, Ottawa

Historiquement, le premier générateur triboélectrique de courant électrique, une machine Wimshurst, le générait en frottant de la laine sur un morceau d'ambre. Des générateurs plus avancés du même type sont maintenant appelés générateurs Van de Graaff — ils portent le nom de l'inventeur de la première de ces machines.

Comme nous l'avons vu précédemment, un générateur électrochimique a été inventé par le physicien italien Alessandro Volta. Ce générateur a ensuite été développé pour devenir des piles sèches, des batteries rechargeables et des piles à combustible modernes. Nous les utilisons toujours, car elles sont des sources d'énergie très pratiques pour toutes sortes d'appareils, des montres et des téléphones intelligents aux batteries de voiture et aux batteries des voitures électriques Tesla.

Outre les générateurs de courant continu décrits ci-dessus, il existe également des générateurs qui utilisent la fission nucléaire des isotopes, connus sous le nom de batteries atomiques, ainsi que des générateurs magnétohydrodynamiques, dont l'utilisation est très limitée aujourd'hui en raison de leur faible puissance, des limites techniques de leur conception et d'un certain nombre d'autres raisons. Néanmoins, les générateurs de radionucléides sont utilisés dans des systèmes autonomes sur le plan énergétique, comme dans l'espace, dans des véhicules sous-marins autonomes et des stations sonar, dans des phares, à l'intérieur de bouées de balisage, ainsi que dans l'Arctique et l'Antarctique.

Collecteur du groupe électrogène, 1904. Musée des sciences et de la technologie du Canada, Ottawa

En génie électrique, les générateurs sont divisés en deux catégories : ceux qui génèrent du courant continu et ceux qui génèrent du courant alternatif.

Tous ces générateurs fonctionnent grâce à l'induction électromagnétique, qui a été découverte par Michael Faraday en 1831. Faraday a construit le premier générateur homopolaire de faible puissance, qui générait du courant continu. Quant au premier générateur de courant alternatif, l'histoire raconte qu'il a été décrit à Faraday en 1832 dans une lettre anonyme signée « P. M. ». Après la publication de cette lettre, Faraday en reçut une autre un an plus tard pour le remercier et lui suggérer d'améliorer la conception en ajoutant un anneau en acier pour transporter le flux magnétique des pôles des bobines. Cependant, il n'est pas certain que cette histoire soit vraie ou non.

À l'époque, l'utilisation du courant alternatif n'avait pas encore été trouvée, car toutes les utilisations pratiques de l'électricité à l'époque nécessitaient du courant continu, y compris le courant utilisé dans la guerre des mines, l'électrochimie, la télégraphie électrique récemment développée et les premiers moteurs électriques. C'est pourquoi de nombreux inventeurs se sont concentrés pour l'instant sur l'amélioration des générateurs de courant continu, en inventant divers dispositifs de commutation à cette fin.

L'un des premiers générateurs qui a eu une utilisation pratique est le générateur magnéto-électrique créé par le chercheur allemand et russe Moritz von Jacobi qui a travaillé en Russie de 1835 à 1874. Il a été utilisé par les démineurs de la marine de l'armée russe pour allumer les fusées des mines de la marine. De tels générateurs améliorés sont encore utilisés aujourd'hui pour activer les mines, et on les voit souvent dans les films de la Seconde Guerre mondiale, où des guérilleros ou des saboteurs les utilisent pour faire sauter des ponts, faire dérailler des trains, et dans d'autres applications similaires.

Lentille laser du lecteur de CD

Dès lors, des ingénieurs de premier plan se sont mis en concurrence pour améliorer les générateurs de courant alternatif et de courant continu, ce qui a abouti à l'affrontement ultime entre les deux titans du domaine moderne de la production d'électricité, avec Thomas Edison de General Electric d'un côté, et Nicola Tesla de Westinghouse de l'autre. Le plus grand capital l'a emporté, et les technologies de Tesla pour la production, le transport et la conversion du courant alternatif sont devenus l'héritage de la société américaine. Cela a donné une impulsion importante à l'économie des États-Unis et a permis au pays de devenir le premier au monde.

Outre la capacité de produire de l'électricité pour divers besoins, qui dépendait de la conversion du mouvement mécanique en électricité en raison de la réversibilité des machines électriques, une autre possibilité de conversion inverse du courant électrique en mouvement mécanique est devenue réalité. Cela se faisait par des moteurs électriques qui fonctionnaient au courant continu et au courant alternatif. On pourrait dire que ces types de machines font partie des technologies les plus utilisées, et elles comprennent les démarreurs de voitures et de motos, les moteurs de machines commerciales et de machines-outils, ainsi que les appareils de consommation et l'électronique. Grâce à ces dispositifs, nous sommes devenus habiles dans diverses tâches telles que la coupe, le perçage et le façonnage. Nous utilisons également des disques optiques tels que les CD et les disques durs dans nos ordinateurs grâce à ces technologies — sans elles, nous n'aurions pas pu créer les moteurs miniatures de précision à courant continu.

En plus des moteurs électromécaniques auxquels nous sommes habitués, les propulseurs ioniques fonctionnent également grâce au courant électrique. Ces moteurs utilisent le principe de la propulsion en émettant des ions accélérés d'une substance donnée. Ils sont actuellement utilisés dans l'espace principalement pour amener de petits satellites en orbite. Il est très probable que les futures technologies du 22e siècle, comme les propulseurs de laser photonique, qui sont encore en cours de conception et qui emmèneront nos vaisseaux interstellaires à des vitesses proches de celle de la lumière, dépendront également du courant électrique.

Multimètre analogique dont le couvercle supérieur a été retiré

Une autre utilisation des générateurs de courant continu est la croissance de cristaux pour les composants électroniques. Ce processus nécessite des générateurs de courant continu très stables. Ces générateurs de courant électrique à semi-conducteurs de précision sont appelés stabilisateurs de courant.

Mesure du courant électrique

Il convient de noter que les appareils de mesure du courant électrique, tels que les microampères, les milliampères et les ampèremètres, sont très différents les uns des autres, en fonction de leur structure et des principes de mesure qu'ils utilisent. Ils comprennent les ampèremètres de courant continu, les ampèremètres de courant alternatif à basse fréquence et les ampèremètres de courant alternatif à haute fréquence.

Les mécanismes de mesure de ces appareils peuvent être subdivisés en bobine mobile, fer mobile, aimant mobile, électrodynamique, induction, fil chaud et ampèremètres numériques. La plupart des ampèremètres analogiques comprennent un cadre mobile ou fixe avec une bobine enroulée et des aimants fixes ou mobiles. En raison de cette structure, un ampèremètre typique a un circuit équivalent qui est une connexion en série d'une induction et d'une résistance avec un condensateur attaché en parallèle à celles-ci. De ce fait, les ampèremètres analogiques ne sont pas assez sensibles pour mesurer le courant dans des conditions de haute fréquence.

La bobine mobile avec une aiguille et des ressorts en spirale d'un compteur utilisé dans le multimètre analogique ci-dessus. Certaines personnes préfèrent encore les multimètres analogiques qui n'ont pas beaucoup changé depuis les années 1890.

L'appareil de mesure de base pour un ampèremètre est un galvanomètre miniature. Ses plages de mesure sont créées en utilisant des résistors shunt supplémentaires de faible résistance, et cette résistance est inférieure à celle du galvanomètre ordinaire. De cette façon, en utilisant un appareil comme base, il est possible de créer différents appareils de mesure pour mesurer des courants avec différentes gammes, y compris des microampères, des milliampères, des ampèremètres et même des kiloampères.

En général, dans les mesures électriques, le comportement du courant est important. Il peut être mesuré en fonction du temps et être de différents types, par exemple constant, harmonique, inharmonique, impulsionnel, etc. Son amplitude caractérise le fonctionnement des circuits et des dispositifs électroniques. Les valeurs de courant suivantes sont identifiées :

instantanée,
amplitude crête à crête,
moyenne,
amplitude moyenne quadratique.

Le courant instantané Ii représente la valeur du courant à un moment précis. Il peut être visualisé sur l'écran d'un oscilloscope et mesuré à chaque instant en regardant l'oscilloscope.

Le courant d'amplitude crête à crête Im représente la plus grande valeur instantanée du courant pour une période de temps donnée.

La valeur moyenne quadratique de l'amplitude du courant I se trouve être la racine carrée de la moyenne arithmétique des carrés des courants instantanés pour une période de la forme d'onde.

Tous les ampèremètres analogiques sont indexés en racine carrée de la valeur d'amplitude moyenne du courant.

La valeur moyenne du courant est une moyenne de toutes les valeurs de courant instantané pour la durée de la mesure.

La différence entre la valeur maximale et la valeur minimale du courant électrique est connue sous le nom la valeur crête à crête d'un signal.

De nos jours, il est courant d'utiliser des multimètres et des oscilloscopes pour mesurer le courant électrique. Ces deux appareils fournissent des informations non seulement sur la forme du courant ou de la tension, mais aussi sur d'autres caractéristiques importantes du signal. Il s'agit notamment de la fréquence des signaux périodiques, et c'est pourquoi il est important de connaître la limite de fréquence de l'appareil de mesure lors de la mesure du courant électrique.

Mesure du courant électrique à l'aide d'un oscilloscope

Illustrons ce qui précède par une série d'expériences de mesure des valeurs actives et de crête du courant de la sinusoïde et des signaux triangulaires. Nous utiliserons un générateur de signal, un oscilloscope et un multimètre.

Le schéma de l'expérience 1 est présenté ci-dessous :

Le générateur de signal FG est connecté à la charge, composée d’un multimètre (MM) connecté en série avec un shunt Rs et d’un résistor de charge R. La résistance du shunt Rs est de 100 Ω, et la résistance de charge R est de 1 kΩ. L'oscilloscope OS est connecté en parallèle à la résistance de shunt Rs. La valeur de la résistance shunt est choisie en utilisant la condition Rs << R. En faisant cette expérience, gardons à l'esprit que la fréquence de travail de l'oscilloscope est beaucoup plus élevée que la fréquence de travail du multimètre.

Test 1

Fournissons à la résistance de charge un signal sinusoïdal, d'une fréquence de 60 Hz et d'une amplitude de 9 V. Les oscilloscopes modernes disposent d’un bouton Auto Set très pratique, qui permet d'afficher tout signal mesuré sans toucher à aucune autre commande de l'oscilloscope. Appuyez sur le bouton Auto Set et observez le signal à l'écran, comme dans l'illustration 1. Ici, la portée du signal est d'environ cinq grandes divisions, et la valeur de chaque division est de 200 mV. Le multimètre indique la valeur du courant électrique comme étant de 3,1 mA. L'oscilloscope détermine l'amplitude quadratique moyenne de la résistance comme étant U=312 mV. La valeur quadratique moyenne du courant sur la résistance Rs peut être déterminée par la loi d'Ohm :

IRMS = URMS/R = 0,31 V / 100 Ω = 3,1 mA,

qui correspond à la valeur de 3,1 mA sur le multimètre. Il est à noter que la plage du courant à travers notre circuit composé de deux résistances et d'un multimètre en série est égale à

IP-P = UP-P/R = 0,89 V / 100 Ω = 8,9 mA

Nous savons que les valeurs de crête et les valeurs réelles du courant et de la tension électriques diffèrent selon les temps √2. Si nous multiplions IRMS = 3,1 mA par √2, nous obtenons 4,38. Doublons cette valeur — nous obtenons 8,8 mА, ce qui est très proche du courant mesuré par l'oscilloscope (8,9 mА).

Test 2

Réduisons maintenant de moitié le signal généré. La portée du signal sur l'oscilloscope sera également réduite de moitié environ (463 mV), et le multimètre indiquera la valeur qui est également réduite de moitié environ et égale à 1,55 mA. Déterminons la valeur du courant actif sur l'oscilloscope :

IRMS = URMS/R = 0,152 V / 100 Ω = 1,52 mA,

qui est à peu près la même valeur que celle indiquée par le multimètre (1,55 mA).

Test 3

Augmentons maintenant la fréquence du générateur à 10 kHz. L'image sur l'oscilloscope changera, mais la portée du signal restera la même. La valeur sur le multimètre diminuera — ceci est dû à la gamme de fréquence du multimètre.

Test 4

Utilisons à nouveau la fréquence initiale de 60 Hz et la tension de 9 V, mais faisons passer la forme du signal sur le générateur de la forme sinusoïdale à la forme triangulaire. La portée du signal sur l'oscilloscope reste la même, mais la valeur sur le multimètre diminue par rapport à la valeur du courant qu'il a montré dans le test 1, car la valeur moyenne quadratique du courant a changé. L'oscilloscope indique la valeur réduite de la tension quadratique moyenne, telle que mesurée sur la résistance Rs=100 Ω.

Précautions de sécurité pour la mesure du courant et de la tension électriques

DIY Camera Pedestal with Teleprompter and Three Monitors for a Home Video Studio

Lorsque nous mesurons le courant et la tension, nous devons garder à l'esprit qu'en fonction du degré de sécurité du bâtiment, une tension relativement faible comme 12–36 V peut être dangereuse, voire mortelle. Il est donc primordial de suivre les mesures de sécurité suivantes.
Ne mesurez pas les courants si des compétences particulières (comme la mesure de courants dans des circuits où la tension est supérieure à 1000 V) sont requises.
Ne mesurez pas les courants dans des endroits difficiles d'accès et dans des endroits élevés.
Lorsque vous mesurez des courants dans le réseau de distribution résidentiel, bien vouloir vous munir des équipements de protection spéciaux tels que des gants en caoutchouc, des tapis ou des bottes.
N'utilisez pas d'appareils de mesure en panne ou endommagés.
Lorsque vous utilisez des multimètres, assurez-vous que les paramètres de mesure et la plage de mesure correcte sont réglés.
N'utilisez pas un appareil de mesure dont les sondes sont cassées.
Suivez attentivement les instructions du fabricant pour l'utilisation de l'appareil de mesure.

Cet article a été rédigé par Sergey Akishkin.

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Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыИмпульс (количество движения)Импульс силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

И. К. Айвазовский. Чесменский бой

Современному комфорту нашей жизни мы обязаны именно электрическому току. Он освещает наши жилища, генерируя излучение в видимом диапазоне световых волн, готовит и подогревает пищу в разнообразных устройствах вроде электроплиток, микроволновых печей, тостеров, избавляя нас от необходимости поиска топлива для костра. Благодаря ему мы быстро перемещаемся в горизонтальной плоскости в электричках, метро и поездах, перемещаемся в вертикальной плоскости на эскалаторах и в кабинах лифтов. Теплу и комфорту в наших жилищах мы обязаны именно электрическому току, который течёт в кондиционерах, вентиляторах и электрообогревателях. Разнообразные электрические машины, приводимые в действие электрическим током, облегчают наш труд, как в быту, так и на производстве. Воистину мы живём в электрическом веке, поскольку именно благодаря электрическому току работают наши компьютеры и смартфоны, Интернет и телевидение, и другие умные электронные устройства. Недаром человечество столько усилий прилагает для выработки электричества на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях — электричество само по себе является самой удобной формой энергии.

Как бы это парадоксально не звучало, но идеи практического использования электрического тока одними из первых взяла на вооружение самая консервативная часть общества — флотские офицеры. Понятно, пробиться наверх в этой закрытой касте было сложным делом, трудно было доказать адмиралам, начинавшим юнгами на парусном флоте, необходимость перехода на цельнометаллические корабли с паровыми двигателями, поэтому младшие офицеры всегда делали ставку на нововведения. Именно успех применения брандеров во время русско-турецкой войны в 1770 году, решившими исход сражения в Чесменской бухте, поставил вопрос о защите портов не только береговыми батареями, но и более современными на тот день средствами защиты — минными заграждениями.

Корабельная радиостанция. 1910 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Разработка подводных мин различных систем велась с начала 19-го века, наиболее удачными конструкциями стали автономные мины, приводимые в действие электричеством. В 70-х гг. 19-го века немецким физиком Генрихом Герцем было изобретено устройство для электрической детонации якорных мин с глубиной постановки до 40 м. Её модификации знакомы нам по историческим фильмам на военно-морскую тематику — это печально известная «рогатая» мина, в которой свинцовый «рог», содержащий ампулу, наполненную электролитом, сминался при контакте с корпусом судна, в результате чего начинала работать простейшая батарея, энергии которой было достаточно для детонации мины.

Радиостанция компании Гудзонова залива. Около 1937 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Моряки первыми оценили потенциал тогда ещё несовершенных мощных источников света — модификаций свечей Яблочкова, у которых источником света служила электрическая дуга и светящийся раскалённый положительный угольный электрод — для использования в целях сигнализации и освещения поля боя. Использование прожекторов давало подавляющее преимущество стороне, применивших их в ночных сражениях или просто использующих их как средство сигнализации для передачи информации и координации действий морских соединений. А оснащённые мощными прожекторами маяки упрощали навигацию в прибрежных опасных водах.

Электронная вакуумная лампа, ок. 1921 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Не удивительно, что именно флот принял на ура способы беспроводной передачи информации — моряков не смущали большие размеры первых радиостанций, поскольку помещения кораблей позволяли разместить столь совершенные, хотя на тот момент и весьма громоздкие, устройства связи.

Электрические машины помогали упростить заряжание корабельных пушек, а электрические силовые агрегаты поворота орудийных башен повышали маневренность нанесения пушечных ударов. Команды, передаваемые по корабельному телеграфу, повышали оперативность взаимодействия всей команды, что давало немалое преимущество в боевых столкновениях.

Самым ужасающим применением электрического тока в истории флота было использование рейдерских дизель-электрических подлодок класса U Третьим Рейхом. Субмарины «Волчьей стаи» Гитлера потопили много судов транспортного флота союзников — достаточно вспомнить о печальной судьбе конвоя PQ-17.

Радиопередатчик из Дрюммонвилля, Квебек, ок. 1926. Канадский музей науки и техники, Оттава

Британским морякам удалось добыть несколько экземпляров шифровальных машин «Энигма» (Загадка), а британская разведка успешно расшифровала её код. Один из выдающихся ученых, который над этим работал — Алан Тьюринг, известный своим вкладом в основы информатики. Получив доступ к радиодепешам адмирала Дёница, союзный флот и береговая авиация смогли загнать «Волчью стаю» обратно к берегам Норвегии, Германии и Дании, поэтому операции с применением подлодок с 1943 года были ограничены краткосрочными рейдами.

Телеграфный ключ, ок. 1915. Канадский музей науки и техники, Оттава

Гитлер планировал оснастить свои подлодки ракетами Фау-2 для атак на восточное побережье США. К счастью, стремительные атаки союзников на Западном и Восточном фронтах не позволили этим планам осуществиться.

Современный флот немыслим без авианосцев и атомных подводных лодок, энергонезависимость которых обеспечивается атомными реакторами, удачно сочетающими в себе технологии 19-го века пара, технологии 20-го века электричества, и атомные технологии 21-го века. Реакторы атомоходов генерируют электрический ток в количестве, достаточном для обеспечения жизнедеятельности целого города.

Помимо этого, моряки вновь обратили своё внимание на электричество и апробируют применение рельсотронов — электрических пушек для стрельбы кинетическими снарядами, имеющими огромную разрушительную силу.

Джеймс Клерк Максвелл. Скульптура Александра Штоддарта. Фото Ад Мескенс. Wikimedia Commons.

Историческая справка

С появлением надёжных электрохимических источников постоянного тока, разработанных итальянским физиком Алессандро Вольта, целая плеяда замечательных учёных из разных стран занялись исследованием явлений, связанных с электрическим током, и разработкой его практического применения во многих областях науки и техники. Достаточно вспомнить немецкого учёного Георга Ома, сформулировавшего закон протекания тока для элементарной электрической цепи; немецкого физика Густава Роберта Кирхгофа, разработавшего методы расчёта сложных электрических цепей; французского физика Андре Мари Ампера, открывшего закон взаимодействия для постоянных электрических токов. Работы английского физика Джеймса Прескотта Джоуля и российского учёного Эмиля Христиановича Ленца, привели, независимо друг от друга, к открытию закона количественной оценки теплового действия электрического тока.

Портрет Хендрика Антона Лоренца (1916 г.) кисти Менсо Камерлинг-Оннеса (1860–1925)

Дальнейшим развитием исследования свойств электрического тока были работы британского физика Джеймса Кларка Максвелла, заложившего основы современной электродинамики, которые ныне известны как уравнения Максвелла. Также Максвелл разработал электромагнитную теорию света, предсказав многие явления (электромагнитные волны, давление электромагнитного излучения). Позднее немецкий учёный Генрих Рудольф Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн; его работы по исследованию отражения, интерференции, дифракции и поляризации электромагнитных волн легли в основу создания радио.

Жан-Батист Био (1774–1862)

Работы французских физиков Жана-Батиста Био и Феликса Савара, экспериментально открывшими проявления магнетизма при протекании постоянного тока, и замечательного французского математика Пьера-Симона Лапласа, обобщившего их результаты в виде математической закономерности, впервые связали две стороны одного явления, положив начало электромагнетизму. Эстафету от этих учёных принял гениальный британский физик Майкл Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции и положивший начало современной электротехнике.

Огромный вклад в объяснение природы электрического тока внёс нидерландский физик-теоретик Хендрик Антон Лоренц, создавший классическую электронную теорию и получивший выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля.

Электрический ток. Определения

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. В силу этого ток определяется как количество зарядов, прошедшее через сечение проводника в единицу времени:

I = q / t где q — заряд в кулонах, t — время в секундах, I — ток в амперах

Другое определение электрического тока связано со свойствами проводников и описывается законом Ома:

I = U/R где U — напряжение в вольтах, R — сопротивление в омах, I — ток в амперах

Электрический ток измеряется в амперах (А) и его десятичных кратных и дольных единицах — наноамперах (миллиардная доля ампера, нА), микроамперах (миллионная доля ампера, мкА), миллиамперах (тысячная доля ампера, мА), килоамперах (тысячах ампер, кА) и мегаамперах (миллионах ампер, МА).

Размерность тока в системе СИ определяется как

[А] = [Кл] / [сек]

Алюминий — прекрасный проводник и поэтому широко используется для изготовления электрических кабелей

При рассмотрении вопроса протекания электрического тока надо учитывать наличие различных носителей тока — элементарных зарядов — характерных для данного физического состояния вещества. Само по себе вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным. Уникальным примером таких состояний, наблюдаемых в обычных условиях, могут служить состояния дигидрогена монооксида, или, иначе, гидроксида водорода, а попросту — обыкновенной воды. Мы наблюдаем её твердую фазу, доставая кусочки льда из морозильника для охлаждения напитков, основой для большей части которых является вода в жидком состоянии. А при заварке чая или растворимого кофе мы заливаем его кипятком, причём готовность последнего контролируется появлением тумана, состоящего из капелек воды, которая конденсируется в холодном воздухе из газообразного водяного пара, выходящего из носика чайника.

Существует также четвёртое состояние вещества, называемое плазмой, из которой состоят верхние слои звёзд, ионосфера Земли, пламя, электрическая дуга и вещество в люминесцентных лампах. Высокотемпературная плазма с трудом воспроизводится в условиях земных лабораторий, поскольку требует очень высоких температур — более 1 000 000 K.

Эти высоковольтные воздушные коммутаторы содержат две основные детали: рубильник и изолятор, который устанавливаются в разрыв провода

С точки зрения структуры твёрдые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. Кристаллические вещества имеют упорядоченную геометрическую структуру; атомы или молекулы такого вещества образуют своеобразные объёмные или плоские решётки; к кристаллическим материалам относятся металлы, их сплавы и полупроводники. Та же вода в виде снежинок (кристаллов разнообразных не повторяющих форм) прекрасно иллюстрирует представление о кристаллических веществах. Аморфные вещества кристаллической решётки не имеют; такое строение характерно для диэлектриков.

В обычных условиях ток в твёрдых материалах протекает за счёт перемещения свободных электронов, образующихся из валентных электронов атомов. С точки зрения поведения материалов при пропускании через них электрического тока, последние подразделяются на проводники, полупроводники и изоляторы. Свойства различных материалов, согласно зонной теории проводимости, определяются шириной запрещённой зоны, в которой не могут находиться электроны. Изоляторы имеют самую широкую запрещённую зону, иногда достигающую 15 эВ. При температуре абсолютного нуля у изоляторов и полупроводников электронов в зоне проводимости нет, но при комнатной температуре в ней уже будет некоторое количество электронов, выбитых из валентной зоны за счет тепловой энергии. В проводниках (металлах) зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому при температуре абсолютного нуля имеется достаточно большое количество электронов — проводников тока, что сохраняется и при более высоких температурах материалов, вплоть до их полного расплавления. Полупроводники имеют небольшие запрещённые зоны, и их способность проводить электрический ток сильно зависит от температуры, радиации и других факторов, а также от наличия примесей.

Трансформатор с магнитопроводом из пластин. На краях хорошо видны Ш-образные и замыкающие пластины из трансформаторной стали

Отдельным случаем считается протекание электрического тока через так называемые сверхпроводники — материалы, имеющие нулевое сопротивление протеканию тока. Электроны проводимости таких материалов образуют ансамбли частиц, связанные между собой за счёт квантовых эффектов.

Изоляторы, как следует из их названия, крайне плохо проводят электрический ток. Это свойство изоляторов используется для ограничения протекания тока между проводящими поверхностями различных материалов.

Помимо существования токов в проводниках при неизменном магнитном поле, при наличии переменного тока и связанного с ним переменного магнитного поля возникают эффекты, связанные с его изменением или так называемые «вихревые» токи, иначе называемые токами Фуко. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи, которые не текут по определённым путям в проводах, а, замыкаясь в проводнике, образуют вихревые контуры.

Вихревые токи проявляют скин-эффект, сводящийся к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника, что приводит к потерям энергии. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют разделение магнитопроводов переменного тока на отдельные, электрически изолированные, пластины.

Хромированная пластмассовая душевая головка

Электрический ток в жидкостях (электролитах)

Все жидкости, в той или иной мере, способны проводить электрический ток при приложении электрического напряжения. Такие жидкости называются электролитами. Носителями тока в них являются положительно и отрицательно заряженные ионы — соответственно катионы и анионы, которые существуют в растворе веществ вследствие электролитической диссоциации. Ток в электролитах за счёт перемещения ионов, в отличие от тока за счёт перемещения электронов, характерного для металлов, сопровождается переносом вещества к электродам с образованием вблизи них новых химических соединений или осаждением этих веществ или новых соединений на электродах.

Это явление заложило основу современной электрохимии, дав количественные определения грамм-эквивалентам различных химических веществ, тем самым превратив неорганическую химию в точную науку. Дальнейшее развитие химии электролитов позволило создать однократно заряжаемые и перезаряжаемые источники химического тока (сухие батареи, аккумуляторы и топливные элементы), которые, в свою очередь, дали огромный толчок в развитии техники. Достаточно заглянуть под капот своего автомобиля, чтобы увидеть результаты усилий поколений учёных и инженеров-химиков в виде автомобильного аккумулятора.

Автомобильный аккумулятор, установленный в автомобиле Honda 2012 г.

Большое количество технологических процессов, основанных на протекании тока в электролитах, позволяет не только придать эффектный вид конечным изделиям (хромирование и никелирование), но и защитить их от коррозии. Процессы электрохимического осаждения и электрохимического травления составляют основу производства современной электроники. Ныне это самые востребованные технологические процессы, число изготавливаемых компонентов по этим технологиям исчисляется десятками миллиардов единиц в год.

Электрический ток в газах

Электрический ток в газах обусловлен наличием в них свободных электронов и ионов. Для газов, в силу их разрежённости, характерна большая длина пробега до столкновения молекул и ионов; из-за этого протекание тока в нормальных условиях через них относительно затруднено. То же самое можно утверждать относительно смесей газов. Природной смесью газов является атмосферный воздух, который в электротехнике считается неплохим изолятором. Это характерно и для других газов и их смесей при обычных физических условиях.

Отвертка-пробник с неоновой лампой, показывающая наличие напряжения 220 В

Протекание тока в газах очень сильно зависит от различных физических факторов, как-то: давления, температуры, состава смеси. Помимо этого, действие оказывают различного рода ионизирующие излучения. Так, например, будучи освещёнными ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, или находясь под действием катодных или анодных частиц или частиц, испускаемых радиоактивными веществами, или, наконец, под действием высокой температуры, газы приобретают свойство лучше проводить электрический ток.

Эндотермический процесс образования ионов в результате поглощения энергии электрически нейтральными атомами или молекулами газа называется ионизацией. Получив достаточную энергию, электрон или несколько электронов внешней электронной оболочки, преодолевая потенциальный барьер, покидают атом или молекулу, становясь свободными электронами. Атом или молекула газа становятся при этом положительно заряженными ионами. Свободные электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, образуя отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы могут обратно захватывать свободные электроны при столкновении, становясь при этом опять электрически нейтральными. Этот процесс называется рекомбинацией.

Прохождение тока через газовую среду сопровождается изменением состояния газа, что предопределяет сложный характер зависимости тока от приложенного напряжения и, в общем, подчиняется закону Ома только при малых токах.

Различают несамостоятельный и самостоятельные разряды в газах. При несамостоятельном разряде ток в газе существует только при наличии внешних ионизирующих факторов, при их отсутствии сколь-нибудь значительного тока в газе нет. При самостоятельном разряде ток поддерживается за счёт ударной ионизации нейтральных атомов и молекул при столкновении с ускоренными электрическим полем свободными электронами и ионами даже после снятия внешних ионизирующих воздействий.

Тихий разряд. Вольт-амперная характеристика.

Несамостоятельный разряд при малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе называется тихим разрядом. При повышении напряжения сила тока сначала увеличивается пропорционально напряжению (участок ОА на вольт-амперной характеристике тихого разряда), затем рост тока замедляется (участок кривой АВ). Когда все частицы, возникшие под действием ионизатора, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок графика ВС). При дальнейшем повышении напряжения ток снова возрастает, и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд. Разновидность несамостоятельного разряда — тлеющий разряд, который создаёт свет в газоразрядных лампах различного цвета и назначения.

Переход несамостоятельного электрического разряда в газе в самостоятельный разряд характеризуется резким увеличением тока (точка Е на кривой вольт-амперной характеристики). Он называется электрическим пробоем газа.

Электронная лампа-вспышка с наполненной ксеноном трубкой (обведена красным прямоугольником)

Все вышеперечисленные типы разрядов относятся к установившимся типам разрядов, основные характеристики которых не зависят от времени. Помимо установившихся разрядов, существуют разряды неустановившиеся, возникающие обычно в сильных неоднородных электрических полях, например у заостренных и искривлённых поверхностей проводников и электродов. Различают два типа неустановившихся разрядов: коронный и искровой разряды.

При коронном разряде ионизация не приводит к пробою, просто он представляет собой повторяющийся процесс поджига несамостоятельного разряда в ограниченном пространстве возле проводников. Примером коронного разряда может служить свечение атмосферного воздуха вблизи высоко поднятых антенн, громоотводов или высоковольтных линий электропередач. Возникновение коронного разряда на линиях электропередач приводит к потерям электроэнергии. В прежние времена это свечение на верхушках мачт было знакомо морякам парусного флота как огоньки святого Эльма. Коронный разряд применяется в лазерных принтерах и электрографических копировальных устройствах, где он формируется коротроном — металлической струной, на которую подано высокое напряжение. Это необходимо для ионизации газа с целью нанесения заряда на фоточувствительный барабан. В данном случае коронный разряд приносит пользу.

Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою и имеет вид прерывистых ярких разветвляющихся, заполненных ионизированным газом нитей-каналов, возникающих и исчезающих, сопровождаемые выделением большого количества теплоты и ярким свечением. Примером естественного искрового разряда может служить молния, где ток может достигать значений в десятки килоампер. Образованию собственно молнии предшествует создание канала проводимости, так называемого нисходящего «тёмного» лидера, образующего совместно с индуцированным восходящим лидером проводящий канал. Молния представляет собой обычно многократный искровой разряд в образованном канале проводимости. Мощный искровой разряд нашёл своё техническое применение также и в компактных фотовспышках, в которых разряд происходит между электродами трубки из кварцевого стекла, наполненной смесью ионизированных благородных газов.

Длительный поддерживаемый пробой газа носит название дугового разряда и применяется в сварочной технике, являющейся краеугольным камнем технологий создания стальных конструкций нашего времени, от небоскрёбов до авианосцев и автомобилей. Он применяется как для сварки, так и для резки металлов; различие в процессах обусловлено силой протекающего тока. При относительно меньших значениях тока происходит сварка металлов, при более высоких значениях тока дугового разряда — идёт резка металла за счёт удаления расплавленного металла из-под электрической дуги различными методами.

Другим применением дугового разряда в газах служат газоразрядные лампы освещения, которые разгоняют тьму на наших улицах, площадях и стадионах (натриевые лампы) или автомобильные галогенные лампы, которые сейчас заменили обычные лампы накаливания в автомобильных фарах.

Электрический ток в вакууме

Электронная лампа в радиопередающей станции. Канадский музей науки и техники, Оттава

Вакуум является идеальным диэлектриком, поэтому электрический ток в вакууме возможен только при наличии свободных носителей в виде электронов или ионов, которые генерируются за счёт термо- или фотоэмиссии, или иными методами.

Такие передающие телевизионные камеры использовались в восьмидесятых годах прошлого века. Канадский музей науки и техники, Оттава

Основным методом получения тока в вакууме за счёт электронов является метод термоэлектронной эмиссии электронов металлами. Вокруг разогретого электрода, называемого катодом, образуется облако из свободных электронов, которые и обеспечивают протекание электрического тока при наличии второго электрода, называемого анодом, при условии наличия между ними соответствующего напряжения требуемой полярности. Такие электровакуумные приборы называются диодами и обладают свойством односторонней проводимости тока, запираясь при обратном напряжении. Это свойство применяется для выпрямления переменного тока, преобразуемого системой из диодов в импульсный ток постоянного направления.

Добавление дополнительного электрода, называемого сеткой, расположенной вблизи катода, позволяет получить усилительный элемент триод, в котором малые изменения напряжения на сетке относительно катода позволяют получить значительные изменения протекающего тока, и, соответственно, значительные изменения напряжения на нагрузке, включённой последовательно с лампой относительно источника питания, что и используется для усиления различных сигналов.

Применение электровакуумных приборов в виде триодов и приборов с большим числом сеток различного назначения (тетродов, пентодов и даже гептодов), произвело революцию в деле генерации и усиления радиочастотных сигналов, и привело к созданию современных систем радио и телевещания.

Современный видеопроектор

Исторически первым было развитие именно радиовещания, так как методы преобразования относительно низкочастотных сигналов и их передача, равно как и схемотехника приёмных устройств с усилением и преобразованием радиочастоты и превращением её в акустический сигнал были относительно просты.

При создании телевидения для преобразования оптических сигналов применялись электровакуумные приборы — иконоскопы, где электроны эмитировались за счёт фотоэмиссии от падающего света. Дальнейшее усиление сигнала выполнялось усилителями на электронных лампах. Для обратного преобразования телевизионного сигнала служили кинескопы, дающие изображение за счёт флюоресценции материала экрана под воздействием электронов, разгоняемых до высоких энергий под воздействием ускоряющего напряжения. Синхронизированная система считывания сигналов иконоскопа и система развёртки изображения кинескопа создавали телевизионное изображение. Первые кинескопы были монохромными.

Сканирующий электронный микроскоп SU3500 в Университете Торонто, факультет технологии материалов

В дальнейшем были созданы системы цветного телевидения, в котором считывающие изображение иконоскопы реагировали только на свой цвет (красный, синий или зелёный). Излучающие элементы кинескопов (цветной люминофор), за счёт протекания тока, вырабатываемого так называемыми «электронными пушками», реагируя на попадание в них ускоренных электронов, излучали свет в определённом диапазоне соответствующей интенсивности. Чтобы лучи от пушек каждого цвета попадали на свой люминофор, использовали специальные экранирующие маски.

Современная аппаратура телевидения и радиовещания выполняется на более прогрессивных элементах с меньшим энергопотреблением — полупроводниках.

Одним из широко распространённых методов получения изображения внутренних органов является метод рентгеноскопии, при котором эмитируемые катодом электроны получают столь значительное ускорение, что при попадании на анод генерируют рентгеновское излучение, способное проникать через мягкие ткани тела человека. Рентгенограммы дают в руки медиков уникальную информацию о повреждениях костей, состоянии зубов и некоторых внутренних органов, выявляя даже такое грозное заболевание, как рак лёгких.

Лампа бегущей волны (ЛБВ) диапазона С. Канадский музей науки и техники, Оттава

Вообще, электрические токи, сформированные в результате движения электронов в вакууме, имеют широчайшую область применения, к которой относятся все без исключения радиолампы, ускорители заряженных частиц, масс-спектрометры, электронные микроскопы, вакуумные генераторы сверхвысокой частоты, в виде ламп бегущей волны, клистронов и магнетронов. Именно магнетроны, кстати, подогревают или готовят нам пищу в микроволновых печах.

Большое значение в последнее время имеет технология нанесения плёночных покрытий в вакууме, которые играют роль как защитно-декоративного, так и функционального покрытия. В качестве таких покрытий применяются покрытия металлами и их сплавами, и их соединениями с кислородом, азотом и углеродом. Такие покрытия изменяют электрические, оптические, механические, магнитные, коррозионные и каталитические свойства покрываемых поверхностей, либо сочетают сразу несколько свойств.

Сложный химический состав покрытий можно получать только с использованием техники ионного распыления в вакууме, разновидностями которой являются катодное распыление или его промышленная модификация — магнетронное распыление. В конечном итоге именно электрический ток за счёт ионов производит осаждение компонентов на осаждаемую поверхность, придавая ей новые свойства.

Именно таким способом можно получать так называемые ионные реактивные покрытия (плёнки нитридов, карбидов, оксидов металлов), обладающих комплексом экстраординарных механических, теплофизических и оптических свойств (с высокой твёрдостью, износостойкостью, электро- и теплопроводностью, оптической плотностью), которые невозможно получить иными методами.

Электрический ток в биологии и медицине

Учебная операционная в Научно-исследовательском институте им. Ли Кашина, Торонто, Канада. Используемые при обучении роботизированные пациенты-манекены умеют моргать, дышать, кричать, демонстрировать симптомы болезней и кровотечения

Знание поведения токов в биологических объектах даёт в руки биологов и медиков мощный метод исследования, диагностики и лечения.

С точки зрения электрохимии все биологические объекты содержат электролиты, вне зависимости от особенностей структуры данного объекта.

При рассмотрении протекания тока через биологические объекты необходимо учитывать их клеточное строение. Существенным элементом клетки является клеточная мембрана — внешняя оболочка, ограждающая клетку от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды за счёт ее избирательной проницаемости для различных веществ. С точки зрения физики, клеточную мембрану можно представить себе в виде параллельного соединения конденсатора и нескольких цепочек из соединенных последовательно источника тока и резистора. Это предопределяет зависимость электропроводности биологического материала от частоты прилагаемого напряжения и формы его колебаний.

Объемное представление нервных путей, соединяющих различные области мозга. Изображение получено с помощью диффузионной тензорной визуализации (ДТВ) — неинвазивного метода исследований мозга.

Биологическая ткань состоит из клеток собственно органа, межклеточной жидкости (лимфы), кровеносных сосудов и нервных клеток. Последние в ответ на воздействие электрического тока отвечают возбуждением, заставляя сокращаться и расслабляться мышцы и кровеносные сосуды животного. Следует отметить, что протекание тока в биологической ткани носит нелинейный характер.

Классическим примером воздействия электрического тока на биологический объект могут служить опыты итальянского врача, анатома, физиолога и физика Луиджи Гальвани, ставшего одним из основателей электрофизиологии. В его опытах пропускание электрического тока через нервы лапки лягушки приводило к сокращению мышц и подергиванию ножки. В 1791 году в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие. Сами явления, открытые Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях назывались «гальванизмом». Этот термин и доныне сохраняется в названии некоторых аппаратов и процессов.

Дальнейшее развитие электрофизиологии тесно связано с нейрофизиологией. В 1875 году независимо друг от друга английский хирург и физиолог Ричард Кэтон и русский физиолог В. Я. Данилевский показали, что мозг является генератором электрической активности, то есть были открыты биотоки мозга.

Биологические объекты в ходе своей жизнедеятельности создают не только микротоки, но и большие напряжения и токи. Значительно раньше Гальвани английский анатом Джон Уолш доказал электрическую природу удара ската, а шотландский хирург и анатом Джон Хантер дал точное описание электрического органа этого животного. Исследования Уолша и Хантера были опубликованы в 1773 году.

Функциональная магнитно-резонансная томография или фМРТ — неинвазивная методика нейровизуализации, позволяющая измерять активность мозга по изменениям в токе крови в кровеносных сосудах

В современной биологии и медицине применяются различные методы исследования живых организмов, как инвазивные, так и неинвазивные.

Классическим примером инвазивных методов является лабораторная крыса с пучком вживлённых в мозг электродов, бегающая по лабиринтам или решающая другие задачки, поставленные перед ней учёными.

К неинвазивным методам относятся такие, всем знакомые исследования, как снятие энцефалограммы или электрокардиограммы. При этом электроды, считывающие биотоки сердца или мозга, снимают токи прямо с кожи обследуемого. Для улучшения контакта с электродами кожа смачивается физиологическим раствором, который является неплохим проводящим электролитом.

Помимо применения электрического тока при научных исследованиях и техническом контроле состояния различных химических процессов и реакций, одним из самых драматических моментов его применения, известного широкой публике, является запуск «остановившегося» сердца какого-либо героя современного фильма.

Автоматический дефибриллятор для обучения лиц, не являющихся медработниками

Действительно, протекание кратковременного импульса значительного тока лишь в единичных случаях способно запустить остановившееся сердце. Чаще всего происходит восстановление его нормального ритма из состояния хаотичных судорожных сокращений, называемого фибрилляцией сердца. Приборы, применяющиеся для восстановления нормального ритма сокращений сердца, называются дефибрилляторами. Современный автоматический дефибриллятор сам снимает кардиограмму, определяет фибрилляцию желудочков сердца и самостоятельно решает – бить током или не бить – может быть достаточно пропустить через сердце небольшой запускающий импульс. Существует тенденция установления автоматических дефибрилляторов в общественных местах, что может существенно сократить количество смертей из-за неожиданной остановки сердца.

У практикующих врачей скорой помощи не возникает никакого сомнения по поводу применения метода дефибрилляции – обученные быстро определять физическое состояние пациента по кардиограмме, они принимают решение значительно быстрее автоматического дефибриллятора, предназначенного для широкой публики.

Тут же уместно будет упомянуть об искусственных водителях сердечного ритма, иначе называемых кардиостимуляторами. Эти приборы вживляются под кожу или под грудную мышцу человека, и такой аппарат через электроды подаёт на миокард (сердечную мышцу) импульсы тока напряжением около 3 В, стимулируя нормальную работу сердца. Современные электрокардиостимуляторы способны обеспечить бесперебойную работу в течение 6–14 лет.

Характеристики электрического тока, его генерация и применение

Электрический ток характеризуется величиной и формой. По его поведению с течением времени различают постоянный ток (не изменяющийся с течением времени), апериодический ток (произвольно изменяющийся с течением времени) и переменный ток (изменяющийся с течением времени по определённому, как правило, периодическому закону). Иногда для решения различных задач требуется одновременное наличие постоянного и переменного тока. В таком случае говорят о переменном токе с постоянной составляющей.

Токамак-де-Варен — токамак-реактор в г. Варен, пров. Квебек в 1981 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Исторически первым появился трибоэлектрический генератор тока, который вырабатывал ток за счёт трения шерсти о кусок янтаря. Более совершенные генераторы тока такого типа сейчас называются генераторами Ван де Граафа, по имени изобретателя первого технического решения таких машин.

Как указывалось выше, итальянским физиком Алессандро Вольта был изобретён электрохимический генератор постоянного тока, ставший предшественником сухих батарей, аккумуляторов и топливных элементов, которые мы пользуемся и поныне как удобными источниками тока для разнообразных устройств — от наручных часов и смартфонов до просто автомобильных аккумуляторов и тяговых аккумуляторов электромобилей Tesla.

Помимо этих генераторов постоянного тока, существуют генераторы тока на прямом ядерном распаде изотопов и магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) тока, которые пока имеют ограниченное применение в силу своей маломощности, слабой технологической основы для широкого применения и по другим причинам. Тем не менее, радиоизотопные источники энергии широко применяются там, где нужна полная автономность: в космосе, на глубоководных аппаратах и гидроакустических станциях, на маяках, бакенах, а также на Крайнем Севере, в Арктике и Антарктике.

Коллектор в мотор-генераторе, ок. 1904 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

В электротехнике генераторы тока подразделяются на генераторы постоянного тока и генераторы переменного тока.

Все эти генераторы основаны на явлении электромагнитной индукции, открытой Майклом Фарадеем в 1831 году. Фарадей построил первый маломощный униполярный генератор, дающий постоянный ток. Первый генератор переменного тока был предложен анонимным автором под латинскими инициалами Р.М. в письме к Фарадею в 1832 году. После опубликования письма, Фарадей получил благодарственное письмо от того же анонима со схемой усовершенствованного генератора в 1833 году, в котором использовалось дополнительное стальное кольцо (ярмо) для замыкания магнитных потоков сердечников обмоток.

Однако в то время для переменного тока еще не нашлось применения, так как для всех практических применений электричества того времени (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели) требовался постоянный ток. Поэтому в последующем изобретатели направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей разнообразные коммутационные устройства.

Одним из первых генераторов, получившим практическое применение, был магнитоэлектрический генератор российского академика Б. С. Якоби. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов. Улучшенные модификации генератора Якоби до сих пор используются для удалённого приведения в действие минных зарядов, что нашло широкое отображение в военно-исторических фильмах, в которых диверсанты или партизаны подрывают мосты, поезда или другие объекты.

Объектив лазера в приводе компакт-диска

В дальнейшем борьба между генерацией постоянного или переменного тока с переменным успехом велась среди изобретателей и инженеров–практиков, приведшая к апогею противостояния титанов современной электроэнергетики: Томаса Эдисона с компанией Дженерал Электрик с одной стороны, и Николой Тесла с компанией Вестингауз, с другой стороны. Победил мощный капитал, и разработки Тесла в области генерации, передачи, и трансформации переменного электрического тока стали общенациональным достоянием американского общества, что, в немалой степени, позднее способствовало технологическому доминированию США.

Помимо собственно генерации электричества для разнообразных нужд, основанной на преобразовании механического движения в электричество, за счёт обратимости электрических машин появилась возможность обратного преобразования электрического тока в механическое движение, реализуемая электродвигателями постоянного и переменного тока. Пожалуй, это самые распространённые машины современности, включающие в себя стартеры автомобилей и мотоциклов, приводы промышленных станков и разнообразных бытовых устройств. Используя различные модификации подобных устройств, мы стали мастерами на все руки, мы умеем строгать, пилить, сверлить и фрезеровать. А в наших компьютерах, благодаря миниатюрным прецизионным двигателям постоянного тока, крутятся приводы жёстких и оптических дисков.

Кроме привычных электромеханических двигателей, за счёт протекания электрического тока работают ионные двигатели, использующие принцип реактивного движения при выбросе ускоренных ионов вещества, Пока, в основном, они применяются в космическом пространстве на малых спутниках для выведения их на нужные орбиты. А фотонные двигатели 22-го века, которые существуют пока только в проекте и которые понесут наши будущие межзвёздные корабли с субсветовой скоростью, скорее всего, тоже будут работать на электрическом токе.

Стрелочный мультиметр со снятой верхней крышкой

Для создания электронных элементов и при выращивании кристаллов различного назначения по технологическим причинам требуются сверхстабильные генераторы постоянного тока. Такие прецизионные генераторы постоянного тока на электронных компонентах называются стабилизаторами тока.

Измерение силы электрического тока

Необходимо отметить, что приборы для измерения тока (микроамперметры, миллиамперметры, амперметры) весьма отличаются друг от друга в первую очередь по типу конструкций и принципам действия — это могут быть приборы постоянного тока, переменного тока низкой частоты и переменного тока высокой частоты.

По принципу действия различают электромеханические, магнитоэлектрические, электромагнитные, магнитодинамические, электродинамические, индукционные, термоэлектрические и электронные приборы. Большинство стрелочных приборов для измерения токов состоит из комбинации подвижной/неподвижной рамки с намотанной катушкой и неподвижного/подвижного магнитов. Вследствие такой конструкции типичный амперметр имеет эквивалентную схему из последовательно соединённых индуктивности и сопротивления, шунтированных ёмкостью. Из-за этого частотная характеристика стрелочных амперметров имеет завал по высоким частотам.

Подвижная рамка с катушкой, стрелкой и пружинами, используемая в гальванометре показанного выше мультиметра. Некоторые до сих пор предпочитают пользоваться стрелочными приборами, конструкция которых с конца 19-го века остается практически неизменной

Основой для них является миниатюрный гальванометр, а различные пределы измерения достигаются применением дополнительных шунтов — резисторов с малым сопротивлением, которое на порядки ниже сопротивления измерительного гальванометра. Таким образом, на основе одного прибора могут быть созданы приборы для измерения токов различных диапазонов – микроамперметры, миллиамперметры, амперметры и даже килоамперметры.

Вообще, в измерительной практике важно поведение измеряемого тока — он может быть функцией времени и иметь различную форму — быть постоянным, гармоническим, негармоническим, импульсным и так далее, и его величиной принято характеризовать режимы работ радиотехнических цепей и устройств. Различают следующие значения токов:

мгновенное,
амплитудное,
среднее,
среднеквадратичное (действующее).

Мгновенное значение тока I i — это значение тока в определенный момент времени. Его можно наблюдать на экране осциллографа и определять для каждого момента времени по осциллограмме.

Амплитудное (пиковое) значение тока Im — это наибольшее мгновенное значение тока за период.

Среднее квадратичное (действующее) значение тока I определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений тока.

Все стрелочные амперметры обычно градуируются в среднеквадратических значениях тока.

Среднее значение (постоянная составляющая) тока — это среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения.

Разность между максимальным и минимальным значениями тока сигнала называют размахом сигнала.

Сейчас, в основном, для измерения тока используются как многофункциональные цифровые приборы, так и осциллографы — на их экранах отображается не только форма напряжения/тока, но и существенные характеристики сигнала. К таким характеристикам относится и частота изменения периодических сигналов, поэтому в технике измерений важен частотный предел измерений прибора.

Измерение тока с помощью осциллографа

Иллюстрацией к вышесказанному будет серия опытов по измерению действующего и пикового значения тока синусоидального и треугольного сигналов с использованием генератора сигналов, осциллографа и многофункционального цифрового прибора (мультиметра).

Общая схема эксперимента №1 представлена ниже:

Генератор сигналов (FG) нагружен на последовательное соединение мультиметра (MM), сопротивление шунта Rs=100 Ом и сопротивление нагрузки R в 1 кОм. Осциллограф OS подключен параллельно сопротивлению шунта Rs. Значение сопротивления шунта выбирается из условия Rs <<R. При проведении опытов учтём то обстоятельство, что рабочая частота осциллографа значительно выше рабочей частоты мультиметра.

Опыт 1

Подадим на сопротивление нагрузки сигнал синусоидальной формы с генератора частотой 60 Герц и амплитудой 9 Вольт. Нажмем очень удобную кнопку Auto Set и будем наблюдать на экране сигнал, показанный на рис. 1. Размах сигнала — около пяти больших делений при цене деления 200 мВ. Мультиметр при этом показывает значение тока в 3,1 мА. Осциллограф определяет среднеквадратичное значение напряжения сигнала на измерительном резисторе U=312 мВ. Действующее значение тока через резистор Rs определяется по закону Ома:

IRMS = URMS/R = 0,31 В / 100 Ом = 3,1 мА,

что соответствует показаниям мультиметра (3,10 мА). Отметим, что размах тока через нашу цепь из включенных последовательно двух резисторов и мультиметра равен

IP-P = UP-P/R = 0,89 В / 100 Ом = 8,9 мА

Известно, что пиковое и действующее значения тока и напряжения для синусоидального сигнала отличаются в √2 раз. Если умножить IRMS = 3,1 мА на √2, получим 4,38. Удвоим это значение и мы получим 8,8 мА, что почти соответствует току, измеренному с помощью осциллографа (8,9 мА).

Опыт 2

Уменьшим сигнал от генератора вдвое. Размах изображения на осциллографе уменьшится ровно приблизительно вдвое (464 мВ) и мультиметр покажет приблизительно уменьшенное вдвое значение тока 1,55 мА. Определим показания действующего значения тока на осциллографе:

IRMS = URMS/R = 0,152 В / 100 Ом = 1,52 мА,

что приблизительно соответствует показаниям мультиметра (1,55 мА).

Опыт 3

Увеличим частоту генератора до 10 кГц. При этом изображение на осциллографе изменится, но размах сигнала останется прежним, а показания мультиметра уменьшатся — сказывается допустимый рабочий частотный диапазон мультиметра.

Опыт 4

Вернёмся к исходной частоте 60 Герц и напряжению 9 В генератора сигналов, но изменим форму его сигнала с синусоидальной на треугольную. Размах изображения на осциллографе остался прежним, а показания мультиметра уменьшились по сравнению со значением тока, которое он показывал в опыте №1, так как изменилось действующее значение тока сигнала. Осциллограф также показывает уменьшение среднеквадратичного значения напряжения, измеренного на резисторе Rs=100 Ом.

Техника безопасности при измерении тока и напряжения

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Поскольку в зависимости от класса безопасности помещения и его состояния при измерении токов даже относительно невысокие напряжения уровня 12–36 В могут представлять опасность для жизни, необходимо выполнять следующие правила:
Не проводить измерения токов, требующих определённых профессиональных навыков ( при напряжении свыше 1000 В).
Не производить измерения токов в труднодоступных местах или на высоте.
При измерениях в бытовой сети применять специальные средства защиты от поражения электрическим током (резиновые перчатки, коврики, сапоги или боты).
Пользоваться исправным измерительным инструментом.
В случае использования многофункциональных приборов (мультиметров), следить за правильной установкой измеряемого параметра и его величины перед измерением.
Пользоваться измерительным прибором с исправными щупами.
Строго следовать рекомендациям производителя по использованию измерительного прибора.

Автор статьи: Сергей Акишкин

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