Jeśli w jakimkolwiek ośrodku znajdują się wolne nośniki ładunku (na przykład elektrony w metalu), to nie są one w spoczynku, ale poruszają się losowo. Ale możesz sprawić, by elektrony poruszały się w uporządkowany sposób w określonym kierunku. Ten ukierunkowany ruch naładowanych cząstek nazywa się prądem elektrycznym.
Zawartość
Jak generowany jest prąd elektryczny
Jeśli weźmiemy dwa przewodniki, a jeden z nich jest naładowany ujemnie (dodając do niego elektrony), a drugi dodatnio (odbierając z niego część elektronów), powstanie pole elektryczne. Jeśli połączysz obie elektrody przewodem, pole zmusi elektrony do ruchu w kierunku przeciwnym do wektora pola elektrycznego, zgodnie z kierunkiem wektora siły elektrycznej. Ujemnie naładowane cząstki przemieszczą się z elektrody, gdzie są w nadmiarze, do elektrody, na której są niedobory.
Do wystąpienia ruchu elektronów nie jest konieczne nadanie ładunku dodatniego drugiej elektrodzie. Najważniejsze, że ładunek ujemny pierwszego jest wyższy. Możliwe jest nawet naładowanie obu przewodników ujemnych, ale jeden przewodnik musi mieć ładunek większy od drugiego. W tym przypadku mówi się o różnicy potencjałów, która powoduje prąd elektryczny.
Analogicznie do wody, jeśli połączysz dwa naczynia wypełnione wodą na różnych poziomach, pojawi się strumień wody. Jego ciśnienie będzie zależeć od różnicy poziomów.
Interesujące jest to, że chaotyczny ruch elektronów pod działaniem pola elektrycznego jest ogólnie zachowany, ale ogólny wektor ruchu masy nośników ładunku nabiera charakteru ukierunkowanego. Jeśli „chaotyczna” składowa ruchu ma prędkość kilkudziesięciu, a nawet setek kilometrów na sekundę, to składowa kierunkowa wynosi kilka milimetrów na minutę. Ale uderzenie (kiedy elektrony poruszają się wzdłuż przewodnika) rozchodzi się z prędkością światła, więc mówią, że prąd elektryczny porusza się z prędkością 3 * 108 m/sek.
W ramach powyższego eksperymentu prąd w przewodniku nie będzie długo istniał - dopóki nadmiar elektronów w przewodniku naładowanym ujemnie się wyczerpie, a ich liczba na obu biegunach nie zostanie zrównoważona. Ten czas jest mały - znikome ułamki sekundy.
Powrót do początkowo naładowanej ujemnie elektrody i wytworzenie nadmiernego ładunku na nośnikach nie daje takiego samego pola elektrycznego, które przeniosło elektrony z minusa na plus. Dlatego musi istnieć siła zewnętrzna działająca przeciw sile pola elektrycznego i przewyższająca je.Podobnie jak w przypadku wody, musi istnieć pompa, która pompuje wodę z powrotem na wyższy poziom, aby zapewnić ciągły przepływ wody.
Aktualny kierunek
Kierunek od plusa do minusa przyjmuje się jako kierunek prądu, to znaczy kierunek ruchu cząstek naładowanych dodatnio jest przeciwny do ruchu elektronów. Wynika to z faktu, że samo zjawisko prądu elektrycznego odkryto znacznie wcześniej niż otrzymano wyjaśnienie jego natury i wierzono, że prąd płynie w tym kierunku. Do tego czasu nagromadziła się duża liczba artykułów i innej literatury na ten temat, pojawiły się koncepcje, definicje i prawa. Aby nie weryfikować ogromnej ilości już opublikowanych materiałów, po prostu obraliśmy kierunek prądu pod prąd elektronów.
Jeśli prąd płynie cały czas w jednym kierunku (nawet zmieniając siłę), nazywa się to prąd stały. Jeśli zmienia się jego kierunek, mówimy o prądzie przemiennym. W praktyce kierunek zmienia się według jakiegoś prawa, na przykład sinusoidalnego. Jeśli kierunek przepływu prądu pozostaje niezmieniony, ale okresowo spada do zera i wzrasta do wartości maksymalnej, mówimy o prądzie pulsacyjnym (o różnych kształtach).
Warunki niezbędne do utrzymania prądu elektrycznego w obwodzie
Powyżej wyprowadzono trzy warunki istnienia prądu elektrycznego w obwodzie zamkniętym. Należy je bardziej szczegółowo rozważyć.
Bezpłatni przewoźnicy
Pierwszym niezbędnym warunkiem istnienia prądu elektrycznego jest obecność wolnych nośników ładunku. Ładunki nie istnieją oddzielnie od swoich nośników, dlatego konieczne jest rozważenie cząstek, które mogą przenosić ładunek.
W metalach i innych substancjach o podobnym typie przewodnictwa (grafit itp.) są to wolne elektrony. Słabo oddziałują z jądrem i mogą opuścić atom i poruszać się bez przeszkód wewnątrz przewodnika.
Swobodne elektrony służą również jako nośniki ładunku w półprzewodnikach, ale w niektórych przypadkach mówią o przewodności „dziurowej” tej klasy ciał stałych (w przeciwieństwie do „elektronicznej”). Ta koncepcja jest potrzebna tylko do opisania procesów fizycznych, w rzeczywistości prąd w półprzewodnikach to ten sam ruch elektronów. Materiały, w których elektrony nie mogą opuścić atomu, to dielektryki. Nie ma w nich prądu.
W cieczach jony dodatnie i ujemne przenoszą ładunek. Dotyczy to płynów - elektrolitów. Na przykład woda, w której rozpuszcza się sól. Woda sama w sobie jest elektrycznie dość obojętna, ale gdy dostaną się do niej substancje stałe i płynne, rozpuszczają się i dysocjują (rozkładają), tworząc jony dodatnie i ujemne. A w stopionych metalach (na przykład w rtęci) nośnikami ładunku są te same elektrony.
Gazy to głównie dielektryki. Nie ma w nich wolnych elektronów - gazy składają się z neutralnych atomów i cząsteczek. Ale jeśli gaz jest zjonizowany, mówią o czwartym stanie skupienia materii - plazmie. Może w nim również płynąć prąd elektryczny, powstaje on podczas ukierunkowanego ruchu elektronów i jonów.
Również prąd może płynąć w próżni (działanie np. lamp próżniowych opiera się na tej zasadzie). Będzie to wymagało elektronów lub jonów.
Pole elektryczne
Pomimo obecności bezpłatnych nośników ładunku większość mediów jest elektrycznie obojętna. Wyjaśnia to fakt, że cząstki ujemne (elektrony) i dodatnie (protony) są rozmieszczone równomiernie, a ich pola kompensują się nawzajem. Aby powstało pole, ładunki muszą być skoncentrowane w jakimś obszarze. Jeśli elektrony nagromadziły się w obszarze jednej (ujemnej) elektrody, to na przeciwnej (dodatniej) elektrodzie będzie ich brak i powstanie pole, które wytwarza siłę działającą na nośniki ładunku i zmuszając je do ruchu.
Siła strony trzeciej do przenoszenia opłat
I trzeci warunek - musi istnieć siła, która przenosi ładunki w kierunku przeciwnym do kierunku pola elektrostatycznego, w przeciwnym razie ładunki wewnątrz układu zamkniętego szybko się zrównoważą. Ta obca siła nazywana jest siłą elektromotoryczną. Jego pochodzenie może być inne.
Charakter elektrochemiczny
W tym przypadku EMF powstaje w wyniku zachodzenia reakcji elektrochemicznych. Reakcje mogą być nieodwracalne. Przykładem jest ogniwo galwaniczne - dobrze znana bateria. Po wyczerpaniu odczynników pole elektromagnetyczne spada do zera, a bateria „siada”.
W innych przypadkach reakcje mogą być odwracalne. Tak więc w akumulatorze EMF występuje również w wyniku reakcji elektrochemicznych. Ale po zakończeniu proces można wznowić - pod wpływem zewnętrznego prądu elektrycznego reakcje zajdą w odwrotnej kolejności, a bateria ponownie będzie gotowa do podania prądu.
fotowoltaiczna natura
W tym przypadku EMF jest spowodowane działaniem promieniowania widzialnego, ultrafioletowego lub podczerwonego na procesy w strukturach półprzewodnikowych. Takie siły powstają w fotokomórkach („baterie słoneczne”).Pod wpływem światła w obwodzie zewnętrznym powstaje prąd elektryczny.
termoelektryczna natura
Jeśli weźmiesz dwa różne przewodniki, przylutuj je i podgrzej złącze, wówczas w obwodzie pojawi się pole elektromagnetyczne z powodu różnicy temperatur między gorącym złączem (złącze przewodów) a zimnym złączem - przeciwległymi końcami przewodów. W ten sposób można nie tylko generować prąd, ale także zmierzyć temperaturę mierząc pojawiający się emf.
Natura piezoelektryczna
Występuje, gdy pewne bryły są ściskane lub odkształcane. Na tej zasadzie działa zapalniczka elektryczna.
Natura elektromagnetyczna
Najpopularniejszym sposobem przemysłowego wytwarzania energii elektrycznej jest generator prądu stałego lub przemiennego. W maszynie prądu stałego szkielet w kształcie ramy obraca się w polu magnetycznym, przecinając linie siły. W takim przypadku powstaje pole elektromagnetyczne, w zależności od prędkości obrotowej wirnika i strumienia magnetycznego. W praktyce kotwa jest używana z dużej liczby zwojów, tworząc wiele połączonych szeregowo ram. Powstające w nich pola elektromagnetyczne sumują się.
W alternator obowiązuje ta sama zasada, ale magnes (elektryczny lub stały) obraca się wewnątrz nieruchomej ramy. W wyniku tych samych procesów w stojanie EMF, który ma kształt sinusoidalny. Na skalę przemysłową prawie zawsze stosuje się generację prądu przemiennego – łatwiej jest ją przerobić na potrzeby transportu i praktycznego zastosowania.
Ciekawą właściwością generatora jest odwracalność.Polega ona na tym, że jeśli do zacisków generatora zostanie przyłożone napięcie z zewnętrznego źródła, jego wirnik zacznie się obracać. Oznacza to, że w zależności od schematu połączeń maszyną elektryczną może być generator lub silnik elektryczny.
To tylko podstawowe pojęcia dotyczące takiego zjawiska jak prąd elektryczny. W rzeczywistości procesy zachodzące podczas ukierunkowanego ruchu elektronów są znacznie bardziej skomplikowane. Aby je zrozumieć, potrzebne są głębsze badania elektrodynamiki.
Podobne artykuły:
