ما هو التيار الكهربائي وما هي شروط وجوده

تعريف

التيار الكهربائي هو الحركة الاتجاهية لشركات الشحن - هذه هي الصيغة القياسية من كتاب الفيزياء. في المقابل ، تسمى جزيئات معينة من المادة حاملات الشحن. يستطيعون:

• الإلكترونات هي حاملات شحنة سالبة.
• الأيونات هي حاملات شحنة موجبة.

ولكن من أين تأتي ناقلات الشحن؟ للإجابة على هذا السؤال ، تحتاج إلى تذكر المعرفة الأساسية حول هيكل المادة. كل ما يحيط بنا هو مادة تتكون من جزيئات أصغر جزيئاتها. تتكون الجزيئات من الذرات. تتكون الذرة من نواة تدور حولها الإلكترونات في مدارات معينة. كما تتحرك الجزيئات بشكل عشوائي. تعتمد حركة وهيكل كل من هذه الجسيمات على المادة نفسها وتأثير البيئة عليها ، مثل درجة الحرارة والجهد وما إلى ذلك.

أيون هو ذرة تغيرت فيها نسبة الإلكترونات إلى البروتونات. إذا كانت الذرة محايدة في البداية ، فإن الأيونات بدورها تنقسم إلى:

• الأنيونات هي أيون إيجابي لذرة فقدت إلكترونات.
• الكاتيونات هي ذرة ذات إلكترونات "إضافية" متصلة بالذرة.

الوحدة الحالية - أمبير ، وفقا ل قانون أوم يتم حسابه بالصيغة:

I = U / R ،

حيث U هو الجهد ، [V] ، و R هي المقاومة ، [أوم].

أو يتناسب طرديًا مع مقدار الرسوم المحولة لكل وحدة زمنية:

I = Q / t ،

حيث Q هي الشحنة ، [C] ، t هي الوقت ، [s].

شروط وجود التيار الكهربائي

اكتشفنا ، ما هو التيار الكهربائي ، لنتحدث الآن عن كيفية ضمان تدفقه. لتدفق التيار الكهربائي ، يجب استيفاء شرطين:

1. وجود ناقلات مجانية.
2. الحقل الكهربائي.

يعتمد الشرط الأول لوجود وتدفق الكهرباء على المادة التي يتدفق فيها التيار (أو لا يتدفق) ، بالإضافة إلى حالته. يتم استيفاء الشرط الثاني أيضًا: لوجود مجال كهربائي ، من الضروري أن يكون هناك إمكانات مختلفة ، حيث يوجد وسط تتدفق فيه ناقلات الشحن.

اعد الاتصال:الجهد ، EMF هو الفرق المحتمل. ويترتب على ذلك أنه لتلبية شروط وجود التيار - وجود مجال كهربائي وتيار كهربائي ، هناك حاجة إلى الجهد. يمكن أن تكون هذه لوحات مكثف مشحون ، خلية كلفانية ، emf نشأت تحت تأثير المجال المغناطيسي (المولد).

اكتشفنا ، كيف نشأ ، دعونا نتحدث عن مكان توجيهها.يتحرك التيار ، بشكل أساسي في استخدامنا المعتاد ، في الموصلات (الأسلاك الكهربائية في شقة أو المصابيح المتوهجة) أو في أشباه الموصلات (مصابيح LED ومعالج الهاتف الذكي والأجهزة الإلكترونية الأخرى) ، أقل في الغازات (مصابيح الفلورسنت).

لذلك ، في معظم الحالات ، تكون حاملات الشحن الرئيسية هي الإلكترونات ، فهي تنتقل من ناقص (النقطة ذات الإمكانات السلبية) إلى زائد (النقطة ذات الإمكانات الإيجابية ، ستتعلم المزيد عن هذا أدناه).

لكن حقيقة مثيرة للاهتمام هي أن اتجاه التيار اتخذ ليكون حركة الشحنات الإيجابية - من زائد إلى ناقص. على الرغم من حقيقة أن كل شيء يحدث في الاتجاه المعاكس. والحقيقة هي أن القرار بشأن اتجاه التيار اتخذ قبل دراسة طبيعته ، وكذلك قبل أن يتم تحديده من خلال ما يتدفق التيار ووجوده.

التيار الكهربائي في بيئات مختلفة

لقد ذكرنا بالفعل أنه في بيئات مختلفة يمكن أن يختلف التيار الكهربائي في نوع حاملات الشحن. يمكن تقسيم الوسائط حسب طبيعة الموصلية (في تقليل الموصلية):

1. موصل (معادن).
2. أشباه الموصلات (السيليكون ، الجرمانيوم ، زرنيخ الجاليوم ، إلخ).
3. عازل (فراغ ، هواء ، ماء مقطر).

في المعادن

في المعادن يوجد حاملات شحن مجانية ، يطلق عليها أحيانًا "الغاز الكهربائي". من أين تأتي شركات الشحن المجاني؟ الحقيقة هي أن المعدن ، مثل أي مادة ، يتكون من ذرات. الذرات ، بطريقة أو بأخرى ، تتحرك أو تتأرجح. كلما ارتفعت درجة حرارة المعدن ، زادت قوة هذه الحركة. في الوقت نفسه ، تبقى الذرات نفسها بشكل عام في أماكنها ، وتشكل في الواقع الهيكل المعدني.

في الأصداف الإلكترونية للذرة ، توجد عادة عدة إلكترونات يكون فيها الاتصال بالنواة ضعيفًا إلى حد ما. تحت تأثير درجات الحرارة ، والتفاعلات الكيميائية وتفاعل الشوائب ، التي تكون في أي حال في المعدن ، تنفصل الإلكترونات عن ذراتها ، وتتشكل أيونات مشحونة بشكل إيجابي. تسمى الإلكترونات المنفصلة حرة وتتحرك بشكل عشوائي.

إذا تأثرت بمجال كهربائي ، على سبيل المثال ، إذا قمت بتوصيل بطارية بقطعة معدنية ، فسيتم ترتيب الحركة العشوائية للإلكترونات. ستبدأ الإلكترونات من النقطة التي يتم فيها توصيل الإمكانات السلبية (كاثود الخلية الجلفانية ، على سبيل المثال) بالانتقال إلى النقطة ذات الإمكانات الإيجابية.

في أشباه الموصلات

أشباه الموصلات هي المواد التي لا توجد بها ناقلات مجانية في الحالة العادية. هم في ما يسمى بالمنطقة المحرمة. ولكن إذا تم تطبيق قوى خارجية ، مثل مجال كهربائي ، حرارة ، إشعاع مختلف (ضوء ، إشعاع ، إلخ) ، فإنها تتغلب على المنطقة المحرمة وتنتقل إلى المنطقة الحرة أو منطقة التوصيل. تنفصل الإلكترونات عن ذراتها وتصبح حرة ، مكونة أيونات - حاملات شحنة موجبة.

تسمى الحاملات الإيجابية في أشباه الموصلات بالثقوب.

إذا قمت ببساطة بنقل الطاقة إلى أشباه الموصلات ، على سبيل المثال ، قم بتسخينها ، ستبدأ الحركة الفوضوية لحاملات الشحن. ولكن إذا كنا نتحدث عن عناصر أشباه الموصلات ، مثل الصمام الثنائي أو الترانزستور ، عند الأطراف المقابلة من البلورة (يتم ترسيب طبقة معدنية عليها وتكون الاستنتاجات ملحومة) ، سيظهر EMF ، لكن هذا لا ينطبق على موضوع مقالة اليوم.

إذا قمت بإرفاق مصدر emf بأشباه الموصلات ، فستذهب حاملات الشحن أيضًا إلى نطاق التوصيل ، وستبدأ حركتها الاتجاهية - ستذهب الثقوب إلى الجانب مع إمكانات كهربائية أقل ، والإلكترونات - إلى جانب مع أكبر.

في الفراغ والغاز

الفراغ هو وسط مع غياب كامل (حالة مثالية) للغازات أو تقليل كميتها (في الواقع). نظرًا لعدم وجود مادة في الفراغ ، لا يمكن أخذ حاملات الشحن من أي مكان. ومع ذلك ، فإن تدفق التيار في الفراغ وضع الأساس للإلكترونيات وعصرًا كاملاً من العناصر الإلكترونية - أنابيب الفراغ الكهربائية.تم استخدامها في النصف الأول من القرن الماضي ، وفي الخمسينيات بدأوا في إفساح المجال تدريجياً للترانزستورات (اعتمادًا على مجال إلكترونيات محدد).

لنفترض أن لدينا وعاء يتم ضخ كل الغاز منه ، أي لديها فراغ كامل. يتم وضع قطبين كهربائيين في الوعاء ، دعنا نسميهما الأنود والكاثود. إذا قمنا بتوصيل الإمكانات السلبية لمصدر emf بالكاثود ، والإمكانات الإيجابية للأنود ، فلن يحدث شيء ولن يتدفق التيار. ولكن إذا بدأنا في تسخين الكاثود ، فسيبدأ التيار في التدفق. تسمى هذه العملية الانبعاث الحراري - انبعاث الإلكترونات من سطح ساخن للإلكترون.

يوضح الشكل عملية التدفق الحالي في مصباح فراغ. في الأنابيب المفرغة ، يتم تسخين الكاثود بواسطة فتيل قريب في الأرز (H) ، كما هو الحال في المصباح الكهربائي.

علاوة على ذلك ، إذا قمت بتغيير قطبية مصدر الطاقة - قم بتطبيق ناقص على الأنود ، وقمت بتطبيق زائد على الكاثود - فلن يتدفق التيار. هذا يثبت أن التيار في الفراغ يتدفق بسبب حركة الإلكترونات من الكاثود إلى الأنود.

يتكون الغاز ، مثل أي مادة ، من الجزيئات والذرات ، مما يعني أنه إذا كان الغاز تحت تأثير المجال الكهربائي ، عند قوة معينة (جهد التأين) تنفصل الإلكترونات عن الذرة ، ثم يتم تلبية كلا الشرطين لتدفق التيار الكهربائي - المجال و وسائط مجانية.

كما سبق ذكره ، تسمى هذه العملية التأين. يمكن أن يحدث ليس فقط من الجهد المطبق ، ولكن أيضًا أثناء تسخين الغاز وإشعاع الأشعة السينية ، تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية وأشياء أخرى.

سوف يتدفق التيار عبر الهواء حتى لو تم تركيب موقد بين الأقطاب الكهربائية.

ويرافق تدفق الغازات الخاملة الحالية تألق الغاز ، وتستخدم هذه الظاهرة بنشاط في مصابيح الفلورسنت. يسمى تدفق التيار الكهربائي في وسط غازي تصريف الغاز.

في السوائل

لنفترض أن لدينا وعاء به ماء يتم فيه وضع قطبين كهربائيين ، يتم توصيل مصدر الطاقة بهما. إذا تم تقطير الماء ، أي نقي ولا يحتوي على شوائب ، فهو عازل. ولكن إذا أضفنا القليل من الملح أو حمض الكبريتيك أو أي مادة أخرى إلى الماء ، سيتشكل المنحل بالكهرباء وسيبدأ تيار في التدفق من خلاله.

المنحل بالكهرباء هو مادة توصل تيارًا كهربائيًا بسبب التفكك إلى أيونات.

إذا تم إضافة كبريتات النحاس إلى الماء ، فستستقر طبقة النحاس على أحد الأقطاب الكهربائية (الكاثود) - وهذا ما يسمى التحليل الكهربائي ، والذي يثبت أن التيار الكهربائي في السائل ناتج عن حركة الأيونات - حاملات الشحنة الموجبة والسالبة.

التحليل الكهربائي هو عملية فيزيائية كيميائية تنطوي على فصل المكونات التي تشكل الإلكتروليت على الأقطاب الكهربائية.

وبالتالي ، طلاء النحاس ، التذهيب والطلاء مع المعادن الأخرى.

الخلاصة

لتلخيص ، لتدفق التيار الكهربائي ، نحتاج إلى حاملات شحن مجانية:

• الإلكترونات في الموصلات (المعادن) والفراغ ؛
• الإلكترونات والثقوب في أشباه الموصلات ؛
• الأيونات (الأنيونات والكاتيونات) في السوائل والغازات.

من أجل أن تصبح حركة هذه الناقلات منظمة ، هناك حاجة إلى مجال كهربائي. بكلمات بسيطة - تطبيق الجهد في نهايات الجسم أو تثبيت قطبين كهربائيين في وسط حيث من المفترض أن التيار الكهربائي يتدفق.

تجدر الإشارة أيضًا إلى أن التيار بطريقة معينة يؤثر على المادة ، هناك ثلاثة أنواع من التعرض:

• حراري
• مادة كيميائية
• جسدي.

أخيرًا ، نوصي بمشاهدة فيديو مفيد يتم فيه فحص شروط وجود وتدفق التيار الكهربائي بمزيد من التفصيل:

مفيد في الموضوع:

• مقاومة الموصل مقابل درجة الحرارة
• قانون جول لينز بكلمات بسيطة
• أي تيار كهربائي أكثر خطورة على الشخص: مباشر أو متناوب