Om det finns fria laddningsbärare i något medium (till exempel elektroner i en metall), så är de inte i vila, utan rör sig slumpmässigt. Men du kan få elektronerna att röra sig på ett ordnat sätt i en given riktning. Denna riktade rörelse av laddade partiklar kallas elektrisk ström.
Innehåll
Hur elektrisk ström genereras
Om vi tar två ledare, och en av dem laddas negativt (tillför elektroner till den), och den andra laddas positivt (tar bort några av elektronerna från den), kommer ett elektriskt fält att uppstå. Om du kopplar ihop båda elektroderna med en ledare kommer fältet att tvinga elektronerna att röra sig i motsatt riktning av den elektriska fältvektorn, i enlighet med riktningen för den elektriska kraftvektorn. Negativt laddade partiklar kommer att flytta från elektroden där de är i överskott till elektroden där de är bristfälliga.
För uppkomsten av elektronrörelse är det inte nödvändigt att ge en positiv laddning till den andra elektroden. Huvudsaken är att den negativa laddningen för den första är högre. Det är till och med möjligt att ladda båda ledarna negativt, men den ena ledaren måste ha en laddning som är större än den andra. I det här fallet talar man om en potentialskillnad som orsakar en elektrisk ström.
I analogi med vatten, om du kopplar två kärl fyllda med vatten till olika nivåer, kommer en ström av vatten att dyka upp. Dess tryck kommer att bero på skillnaden i nivåer.
Det är intressant att elektronernas kaotiska rörelse under inverkan av ett elektriskt fält i allmänhet bevaras, men den allmänna rörelsevektorn för massan av laddningsbärare får en riktad karaktär. Om den "kaotiska" komponenten av rörelse har en hastighet på flera tiotals eller till och med hundratals kilometer per sekund, är den riktade komponenten flera millimeter per minut. Men stöten (när elektronerna rör sig längs ledarens längd) fortplantar sig med ljusets hastighet, så de säger att den elektriska strömmen rör sig med en hastighet av 3 * 108 m/sek.
Inom ramen för ovanstående experiment kommer strömmen i ledaren inte att existera länge - tills överskottselektronerna i den negativt laddade ledaren tar slut och deras antal vid båda polerna inte är balanserat. Den här tiden är liten - obetydliga bråkdelar av en sekund.
Att gå tillbaka till den initialt negativt laddade elektroden och skapa en överladdning på bärarna ger inte samma elektriska fält som flyttade elektronerna från minus till plus. Därför måste det finnas en yttre kraft som verkar mot det elektriska fältets styrka och överträffar det.I likhet med vatten måste det finnas en pump som pumpar tillbaka vatten till den övre nivån för att skapa ett kontinuerligt vattenflöde.
Aktuell riktning
Riktningen från plus till minus tas som strömriktningen, det vill säga rörelseriktningen för positivt laddade partiklar är motsatt till elektronernas rörelse. Detta beror på det faktum att själva fenomenet elektrisk ström upptäcktes mycket tidigare än en förklaring av dess natur mottogs, och man trodde att strömmen går i denna riktning. Vid den tiden hade ett stort antal artiklar och annan litteratur om detta ämne samlats, begrepp, definitioner och lagar dykt upp. För att inte revidera en enorm mängd redan publicerat material tog vi helt enkelt strömmens riktning mot flödet av elektroner.
Om strömmen hela tiden flyter i en riktning (även ändras i styrka) kallas det likström. Om dess riktning ändras, talar vi om växelström. I praktisk tillämpning ändras riktningen enligt någon lag, till exempel enligt en sinusformad. Om strömflödets riktning förblir oförändrad, men den periodvis sjunker till noll och ökar till ett maximalt värde, talar vi om en pulsad ström (av olika former).
Nödvändiga förutsättningar för att upprätthålla elektrisk ström i kretsen
Tre villkor för förekomsten av en elektrisk ström i en sluten krets härleds ovan. De måste övervägas mer i detalj.
Gratis avgiftsbärare
Det första nödvändiga villkoret för existensen av en elektrisk ström är närvaron av gratis laddningsbärare. Laddningar existerar inte separat från sina bärare, så det är nödvändigt att överväga partiklar som kan bära en laddning.
I metaller och andra ämnen med liknande typ av konduktivitet (grafit etc.) är dessa fria elektroner. De interagerar svagt med kärnan och kan lämna atomen och röra sig relativt obehindrat inuti ledaren.
Fria elektroner fungerar också som laddningsbärare i halvledare, men i vissa fall talar de om "hål"-konduktivitet för denna klass av fasta ämnen (i motsats till "elektroniska"). Detta koncept behövs bara för att beskriva fysiska processer, i själva verket är strömmen i halvledare samma rörelse av elektroner. Material där elektroner inte kan lämna atomen finns dielektrikum. Det finns ingen ström i dem.
I vätskor bär positiva och negativa joner laddning. Detta avser vätskor - elektrolyter. Till exempel vatten där salt är löst. Vatten i sig är elektriskt ganska neutralt, men när fasta och flytande ämnen kommer in i det löses de upp och dissocierar (sönderdelas) för att bilda positiva och negativa joner. Och i smälta metaller (till exempel i kvicksilver) är laddningsbärarna samma elektroner.
Gaser är till största delen dielektriska. Det finns inga fria elektroner i dem - gaser består av neutrala atomer och molekyler. Men om gasen joniseras talar de om det fjärde tillståndet av aggregation av materia - plasma. En elektrisk ström kan också flöda i den, den sker under den riktade rörelsen av elektroner och joner.
Dessutom kan ström flyta i vakuum (verkan av till exempel vakuumrör bygger på denna princip). Detta kommer att kräva elektroner eller joner.
Elektriskt fält
Trots förekomsten av gratis laddningsbärare är de flesta medier elektriskt neutrala. Detta förklaras av det faktum att negativa (elektroner) och positiva (protoner) partiklar är placerade jämnt och deras fält kompenserar varandra. För att ett fält ska uppstå måste avgifterna koncentreras till något område. Om elektroner har samlats i området för en (negativ) elektrod, kommer det att bli brist på dem på den motsatta (positiva) elektroden, och ett fält kommer att uppstå som skapar en kraft som verkar på laddningsbärare och tvingar dem att röra sig.
Tredje parts våld att bära åtal
Och det tredje villkoret - det måste finnas en kraft som bär laddningar i motsatt riktning mot det elektrostatiska fältets riktning, annars kommer laddningarna inuti det slutna systemet snabbt att balansera. Denna yttre kraft kallas den elektromotoriska kraften. Dess ursprung kan vara annorlunda.
Elektrokemisk natur
I detta fall uppstår EMF som ett resultat av förekomsten av elektrokemiska reaktioner. Reaktioner kan vara irreversibla. Ett exempel är en galvanisk cell - ett välkänt batteri. Efter att reagenserna är slut, sjunker EMF till noll, och batteriet "sätter sig".
I andra fall kan reaktionerna vara reversibla. Så i ett batteri uppstår EMF också som ett resultat av elektrokemiska reaktioner. Men efter avslutad process kan processen återupptas - under påverkan av en extern elektrisk ström kommer reaktionerna att ske i omvänd ordning, och batteriet kommer igen att vara redo att ge ström.
solcellsnatur
I detta fall orsakas EMF av verkan av synlig, ultraviolett eller infraröd strålning på processer i halvledarstrukturer. Sådana krafter uppstår i fotoceller ("solbatterier").Under inverkan av ljus genereras en elektrisk ström i den externa kretsen.
termoelektrisk natur
Om du tar två olika ledare, löder dem och värmer övergången, kommer en EMF att dyka upp i kretsen på grund av temperaturskillnaden mellan den varma korsningen (ledarnas korsning) och den kalla korsningen - ledarnas motsatta ändar. På detta sätt är det möjligt att inte bara generera ström, utan också mäta temperaturen genom att mäta den emerging emk.
Piezoelektrisk natur
Uppstår när vissa fasta ämnen komprimeras eller deformeras. En elektrisk tändare fungerar på denna princip.
Elektromagnetisk natur
Det vanligaste sättet att generera el industriellt är med en DC- eller AC-generator. I en DC-maskin roterar en ramformad armatur i ett magnetfält och korsar dess kraftlinjer. I detta fall uppstår en EMF, beroende på rotorns rotationshastighet och det magnetiska flödet. I praktiken används ett ankare från ett stort antal varv, som bildar ett flertal seriekopplade ramar. EMF som uppstår i dem summerar.
PÅ generator samma princip gäller, men en magnet (elektrisk eller permanent) roterar inuti den fasta ramen. Som ett resultat av samma processer i statorn, EMF, som har en sinusform. I industriell skala används nästan alltid AC-generering - det är lättare att konvertera det för transport och praktiskt bruk.
En intressant egenskap hos en generator är reversibilitet.Det består i det faktum att om spänning appliceras på generatorterminalerna från en extern källa, kommer dess rotor att börja rotera. Detta innebär att, beroende på anslutningsschemat, den elektriska maskinen kan vara antingen en generator eller en elmotor.
Detta är bara de grundläggande begreppen för ett sådant fenomen som elektrisk ström. Faktum är att de processer som sker under den riktade rörelsen av elektroner är mycket mer komplicerade. För att förstå dem krävs en djupare studie av elektrodynamik.
Liknande artiklar:
