Dacă există purtători de sarcină liberi în orice mediu (de exemplu, electroni într-un metal), atunci aceștia nu sunt în repaus, ci se mișcă aleatoriu. Dar puteți face electronii să se miște într-un mod ordonat într-o direcție dată. Această mișcare direcționată a particulelor încărcate se numește curent electric.
Conţinut
Cum este generat curentul electric
Dacă luăm doi conductori, iar unul dintre ei este încărcat negativ (adăugând electroni la el), iar celălalt este încărcat pozitiv (luând din el o parte din electroni), va apărea un câmp electric. Dacă conectați ambii electrozi cu un conductor, câmpul va forța electronii să se miște în direcția opusă vectorului câmpului electric, în conformitate cu direcția vectorului forță electrică. Particulele încărcate negativ se vor deplasa de la electrodul unde sunt în exces la electrodul unde sunt deficitare.
Pentru apariția mișcării electronilor, nu este necesar să se imprime o sarcină pozitivă celui de-al doilea electrod. Principalul lucru este că sarcina negativă a primei este mai mare. Este posibil chiar să încărcați negativ ambii conductori, dar un conductor trebuie să aibă o sarcină mai mare decât celălalt. În acest caz, se vorbește despre o diferență de potențial care provoacă un curent electric.
Prin analogie cu apa, dacă conectați două vase pline cu apă la niveluri diferite, va apărea un curent de apă. Presiunea acestuia va depinde de diferența de niveluri.
Este interesant că mișcarea haotică a electronilor sub acțiunea unui câmp electric este în general păstrată, dar vectorul general de mișcare a masei purtătorilor de sarcină capătă un caracter direcționat. Dacă componenta „haotică” a mișcării are o viteză de câteva zeci sau chiar sute de kilometri pe secundă, atunci componenta direcțională este de câțiva milimetri pe minut. Dar impactul (când electronii se mișcă pe lungimea conductorului) se propagă cu viteza luminii, așa că ei spun că curentul electric se mișcă cu o viteză de 3 * 108 m/sec.
În cadrul experimentului de mai sus, curentul din conductor nu va exista pentru mult timp - până când electronii în exces din conductorul încărcat negativ se vor epuiza, iar numărul lor la ambii poli nu este echilibrat. Acest timp este mic - fracțiuni nesemnificative de secundă.
Revenirea la electrodul încărcat negativ inițial și crearea unei sarcini în exces asupra purtătorilor nu dă același câmp electric care a mutat electronii de la minus la plus. Prin urmare, trebuie să existe o forță externă care să acționeze împotriva intensității câmpului electric și să o depășească.Similar cu apa, trebuie să existe o pompă care pompează apa înapoi la nivelul superior pentru a crea un flux continuu de apă.
Direcția curentului
Direcția de la plus la minus este luată ca direcție a curentului, adică direcția de mișcare a particulelor încărcate pozitiv este opusă mișcării electronilor. Acest lucru se datorează faptului că însuși fenomenul curentului electric a fost descoperit mult mai devreme decât a fost primită o explicație a naturii sale și se credea că curentul merge în această direcție. Până atunci, se acumulase un număr mare de articole și alte literaturi pe această temă, au apărut concepte, definiții și legi. Pentru a nu revizui o cantitate imensă de material deja publicat, am luat pur și simplu direcția curentului împotriva fluxului de electroni.
Dacă curentul curge tot timpul într-o direcție (chiar și schimbându-se în putere), se numește curent continuu. Dacă direcția lui se schimbă, atunci vorbim de curent alternativ. În aplicarea practică, direcția se schimbă după o lege, de exemplu, după una sinusoidală. Dacă direcția fluxului de curent rămâne neschimbată, dar scade periodic la zero și crește până la o valoare maximă, atunci vorbim de un curent pulsat (de diferite forme).
Condiții necesare pentru menținerea curentului electric în circuit
Mai sus sunt derivate trei condiții pentru existența unui curent electric într-un circuit închis. Ele trebuie luate în considerare mai detaliat.
Transportatori de taxe gratuite
Prima condiție necesară pentru existența unui curent electric este prezența purtătorilor de încărcare liberi. Sarcinile nu există separat de purtătorii lor, așa că este necesar să se ia în considerare particulele care pot transporta o sarcină.
În metale și alte substanțe cu un tip similar de conductivitate (grafit etc.), aceștia sunt electroni liberi. Ele interacționează slab cu nucleul și pot părăsi atomul și se pot mișca relativ nestingherite în interiorul conductorului.
Electronii liberi servesc, de asemenea, ca purtători de sarcină în semiconductori, dar în unele cazuri ei vorbesc despre conductivitate „găuri” a acestei clase de solide (spre deosebire de „electronic”). Acest concept este necesar doar pentru a descrie procesele fizice, de fapt, curentul din semiconductori este aceeași mișcare a electronilor. Sunt materiale în care electronii nu pot părăsi atomul dielectrice. Nu există curent în ele.
În lichide, ionii pozitivi și negativi poartă sarcină. Aceasta se referă la lichide - electroliți. De exemplu, apa în care sarea este dizolvată. În sine, apa este destul de neutră din punct de vedere electric, dar când substanțele solide și lichide intră în ea, acestea se dizolvă și se disociază (se descompun) pentru a forma ioni pozitivi și negativi. Și în metalele topite (de exemplu, în mercur), purtătorii de sarcină sunt aceiași electroni.
Gazele sunt în mare parte dielectrice. Nu există electroni liberi în ele - gazele constau din atomi și molecule neutre. Dar dacă gazul este ionizat, se vorbește despre a patra stare de agregare a materiei - plasma. În el poate curge și un curent electric, acesta are loc în timpul mișcării direcționate a electronilor și ionilor.
De asemenea, curentul poate curge în vid (acțiunea, de exemplu, a tuburilor cu vid se bazează pe acest principiu). Acest lucru va necesita electroni sau ioni.
Câmp electric
În ciuda prezenței purtătorilor de încărcare gratuită, majoritatea media sunt neutre din punct de vedere electric. Acest lucru se explică prin faptul că particulele negative (electroni) și pozitive (protoni) sunt localizate uniform, iar câmpurile lor se compensează reciproc. Pentru ca un câmp să apară, sarcinile trebuie să fie concentrate într-o anumită zonă. Dacă electronii s-au acumulat în regiunea unui electrod (negativ), atunci va exista o lipsă a acestora pe electrodul opus (pozitiv) și va apărea un câmp care creează o forță care acționează asupra purtătorilor de sarcină și îi obligă să se miște.
Forța terță parte să suporte acuzații
Și a treia condiție - trebuie să existe o forță care transportă sarcini în direcția opusă direcției câmpului electrostatic, altfel sarcinile din interiorul sistemului închis se vor echilibra rapid. Această forță străină se numește forță electromotoare. Originea sa poate fi diferită.
Natura electrochimică
În acest caz, EMF apare ca urmare a apariției reacțiilor electrochimice. Reacțiile pot fi ireversibile. Un exemplu este o celulă galvanică - o baterie binecunoscută. După ce reactivii sunt epuizați, EMF scade la zero și bateria „se așează”.
În alte cazuri, reacțiile pot fi reversibile. Deci, într-o baterie, EMF apare și ca urmare a reacțiilor electrochimice. Dar, la finalizare, procesul poate fi reluat - sub influența unui curent electric extern, reacțiile vor avea loc în ordine inversă, iar bateria va fi din nou gata să dea curent.
natura fotovoltaica
În acest caz, EMF este cauzată de acțiunea radiațiilor vizibile, ultraviolete sau infraroșii asupra proceselor din structurile semiconductoare. Astfel de forțe apar în fotocelule („baterii solare”).Sub acțiunea luminii, în circuitul extern se generează un curent electric.
natura termoelectrica
Dacă luați doi conductori diferiți, îi lipiți și încălziți joncțiunea, atunci va apărea un EMF în circuit din cauza diferenței de temperatură dintre joncțiunea fierbinte (joncțiunea conductorilor) și joncțiunea rece - capetele opuse ale conductorilor. În acest fel, este posibil nu numai să se genereze curent, ci și măsurați temperatura prin măsurarea emf emergentă.
Natura piezoelectrică
Apare atunci când anumite solide sunt comprimate sau deformate. O brichetă electrică funcționează pe acest principiu.
Natura electromagnetică
Cel mai comun mod de a genera electricitate industrial este cu un generator DC sau AC. Într-o mașină de curent continuu, o armătură în formă de cadru se rotește într-un câmp magnetic, traversând liniile sale de forță. În acest caz, apare un EMF, în funcție de viteza de rotație a rotorului și de fluxul magnetic. În practică, o ancoră este utilizată dintr-un număr mare de spire, formând o multitudine de cadre conectate în serie. EMF care apar în ele se adună.
LA alternator se aplica acelasi principiu, dar un magnet (electric sau permanent) se roteste in interiorul cadrului fix. Ca rezultat al acelorași procese în stator, EMF, care are o formă sinusoidală. La scară industrială, generarea AC este aproape întotdeauna utilizată - este mai ușor să o convertiți pentru transport și utilizare practică.
O proprietate interesantă a unui generator este reversibilitatea.Constă în faptul că, dacă se aplică tensiune la bornele generatorului de la o sursă externă, rotorul acestuia va începe să se rotească. Aceasta înseamnă că, în funcție de schema de conectare, mașina electrică poate fi fie un generator, fie un motor electric.
Acestea sunt doar conceptele de bază ale unui astfel de fenomen precum curentul electric. De fapt, procesele care au loc în timpul mișcării dirijate a electronilor sunt mult mai complicate. Pentru a le înțelege, este necesar un studiu mai profund al electrodinamicii.
Articole similare:
