Was ist elektrischer Strom und wie sind die Bedingungen seiner Existenz?
Definition
Ein elektrischer Strom ist die Richtungsbewegung von Ladungsträgern - dies ist die Standardformulierung aus einem Physiklehrbuch. Bestimmte Partikel einer Substanz werden wiederum Ladungsträger genannt. Sie können sein:
- Elektronen sind negative Ladungsträger.
- Ionen sind positive Ladungsträger.
Aber woher kommen Ladungsträger? Um diese Frage zu beantworten, müssen Sie sich an Grundkenntnisse über die Struktur der Materie erinnern. Alles, was uns umgibt, ist Materie, sie besteht aus Molekülen, ihren kleinsten Teilchen. Moleküle bestehen aus Atomen. Ein Atom besteht aus einem Kern, um den sich Elektronen in bestimmten Bahnen bewegen. Moleküle bewegen sich auch zufällig. Die Bewegung und Struktur jedes dieser Partikel hängt von der Substanz selbst und dem Einfluss der Umgebung darauf ab, wie z. B. Temperatur, Spannung usw.
Ein Ion ist ein Atom, in dem sich das Verhältnis von Elektronen zu Protonen geändert hat. Wenn das Atom anfänglich neutral ist, werden die Ionen wiederum unterteilt in:
- Anionen sind das positive Ion eines Atoms, das Elektronen verloren hat.
- Kationen sind ein Atom mit "zusätzlichen" Elektronen, die an das Atom gebunden sind.
Stromeinheit - Ampere nach Ohm'sches Gesetz Es wird nach folgender Formel berechnet:
I = U / R,
Dabei ist U die Spannung [V] und R der Widerstand [Ohm].
Oder ist direkt proportional zur Höhe der pro Zeiteinheit übertragenen Ladung:
I = Q / t,
wobei Q die Ladung ist, [C], t die Zeit ist, [s].
Bedingungen für das Vorhandensein von elektrischem Strom
Was ist der elektrische Strom, haben wir herausgefunden, jetzt wollen wir darüber sprechen, wie man seinen Fluss sicherstellt. Damit elektrischer Strom fließen kann, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:
- Das Vorhandensein von freien Ladungsträgern.
- Elektrisches Feld.
Die erste Bedingung für die Existenz und den Stromfluss hängt von der Substanz ab, in der der Strom fließt (oder nicht fließt), sowie von seinem Zustand. Die zweite Bedingung ist ebenfalls erfüllt: Für das Vorhandensein eines elektrischen Feldes ist das Vorhandensein unterschiedlicher Potentiale erforderlich, zwischen denen sich ein Medium befindet, in dem Ladungsträger fließen.
Erinnern:Spannung, EMF ist die Potentialdifferenz. Daraus folgt, dass zur Erfüllung der Bedingungen für die Existenz von Strom - das Vorhandensein eines elektrischen Feldes und eines elektrischen Stroms - Spannung benötigt wird. Dies können die Platten eines geladenen Kondensators, einer galvanischen Zelle oder einer EMK sein, die unter dem Einfluss eines Magnetfelds (Generators) entstehen.
Wie es entsteht, haben wir herausgefunden, lassen Sie uns darüber sprechen, wohin es gerichtet ist.Der Strom, hauptsächlich in unserer üblichen Verwendung, fließt in Leitern (elektrische Verkabelung in einer Wohnung, Glühlampen) oder in Halbleitern (LEDs, Prozessor Ihres Smartphones und andere Elektronik), seltener in Gasen (Leuchtstofflampen).
In den meisten Fällen sind die Hauptladungsträger also Elektronen. Sie bewegen sich vom Minus (dem Punkt mit negativem Potential) zum Plus (dem Punkt mit positivem Potential, dazu erfahren Sie weiter unten mehr).
Interessant ist jedoch, dass die Richtung des Stroms die Bewegung positiver Ladungen war - von Plus nach Minus. Obwohl in der Tat alles umgekehrt passiert. Tatsache ist, dass die Entscheidung über die Richtung des Stroms getroffen wurde, bevor seine Natur untersucht wurde, sowie bevor er aufgrund dessen bestimmt wurde, was der Strom fließt und existiert.
Elektrischer Strom in verschiedenen Umgebungen
Wir haben bereits erwähnt, dass in verschiedenen Umgebungen der elektrische Strom in der Art der Ladungsträger unterschiedlich sein kann. Medien können durch die Art der Leitfähigkeit (in abnehmender Leitfähigkeit) unterteilt werden:
- Leiter (Metalle).
- Halbleiter (Silizium, Germanium, Galiumarsenid usw.).
- Dielektrikum (Vakuum, Luft, destilliertes Wasser).
In Metallen
In Metallen gibt es freie Ladungsträger, die manchmal als "elektrisches Gas" bezeichnet werden. Woher kommen kostenlose Spediteure? Tatsache ist, dass Metall wie jede Substanz aus Atomen besteht. Atome bewegen sich oder schwingen auf die eine oder andere Weise. Je höher die Temperatur des Metalls ist, desto stärker ist diese Bewegung. Gleichzeitig bleiben die Atome selbst in allgemeiner Form an ihren Stellen und bilden tatsächlich die Metallstruktur.
In den Elektronenschalen eines Atoms gibt es normalerweise mehrere Elektronen, bei denen die Bindung zum Kern eher schwach ist. Unter dem Einfluss von Temperaturen, chemischen Reaktionen und der Wechselwirkung von Verunreinigungen, die sich auf jeden Fall im Metall befinden, brechen die Elektronen von ihren Atomen ab, es entstehen positiv geladene Ionen. Die abgelösten Elektronen werden als frei bezeichnet und bewegen sich zufällig.
Wenn sie beispielsweise von einem elektrischen Feld beeinflusst werden, wenn Sie eine Batterie an ein Metallstück anschließen, wird die zufällige Bewegung der Elektronen geordnet. Elektronen von dem Punkt, an dem das negative Potential angeschlossen ist (z. B. die Kathode einer galvanischen Zelle), beginnen sich zu dem Punkt mit positivem Potential zu bewegen.
In Halbleitern
Halbleiter sind Materialien, in denen im Normalzustand keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Sie befinden sich in der sogenannten Verbotenen Zone. Wenn jedoch äußere Kräfte wie ein elektrisches Feld, Wärme, verschiedene Strahlungen (Licht, Strahlung usw.) angewendet werden, überwinden sie die verbotene Zone und gelangen in die freie Zone oder Leitungszone. Elektronen brechen von ihren Atomen ab und werden frei und bilden Ionen - positive Ladungsträger.
Positive Ladungsträger in Halbleitern werden Löcher genannt.
Wenn Sie beispielsweise einfach Energie auf einen Halbleiter übertragen, diesen erwärmen, beginnt eine chaotische Bewegung der Ladungsträger. Wenn es sich jedoch um Halbleiterelemente wie eine Diode oder einen Transistor handelt, entsteht an den gegenüberliegenden Enden des Kristalls (eine metallisierte Schicht wird darauf abgeschieden und die Schlussfolgerungen werden gelötet) eine EMF, die jedoch nicht für das Thema des heutigen Artikels gilt.
Wenn Sie die EMK-Quelle an den Halbleiter anschließen, gehen die Ladungsträger ebenfalls in das Leitungsband und ihre Richtungsbewegung beginnt - die Löcher gehen zur Seite mit einem niedrigeren elektrischen Potential und die Elektronen zur Seite mit einem größeren.
Im Vakuum und Gas
Vakuum ist ein Medium, bei dem (im Idealfall) keine Gase vorhanden sind oder dessen Menge (in der Realität) minimiert ist. Da sich im Vakuum keine Substanz befindet, können Ladungsträger nicht von überall her entnommen werden. Der Stromfluss im Vakuum legte jedoch den Grundstein für die Elektronik und eine ganze Ära elektronischer Elemente - elektrische Vakuumröhren.Sie wurden in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts verwendet und in den 50er Jahren begannen sie allmählich Transistoren Platz zu machen (abhängig vom spezifischen Bereich der Elektronik).
Angenommen, wir haben ein Gefäß, aus dem das gesamte Gas abgepumpt wird, d. H. es hat ein komplettes Vakuum. Im Gefäß befinden sich zwei Elektroden, die wir Anode und Kathode nennen. Wenn wir das negative Potential der EMK-Quelle an die Kathode und das positive Potential an die Anode anschließen, passiert nichts und der Strom fließt nicht. Wenn wir jedoch mit dem Erhitzen der Kathode beginnen, beginnt der Strom zu fließen. Dieser Prozess wird als thermionische Emission bezeichnet - die Emission von Elektronen von einer erhitzten Oberfläche eines Elektrons.
Die Abbildung zeigt den Prozess des Stromflusses in einer Vakuumlampe. In Vakuumröhren wird die Kathode durch ein nahe gelegenes Filament in Reis (H) erwärmt, beispielsweise in einer Glühbirne.
Wenn Sie die Polarität der Stromversorgung ändern - legen Sie ein Minus an die Anode und ein Plus an die Kathode an - fließt kein Strom. Dies wird beweisen, dass der Strom im Vakuum aufgrund der Bewegung von Elektronen von der KATHODE zur ANODE fließt.
Ein Gas besteht wie jede Substanz aus Molekülen und Atomen. Wenn das Gas unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes steht, brechen die Elektronen bei einer bestimmten Stärke (Ionisationsspannung) vom Atom ab, und beide Bedingungen des Stromflusses sind erfüllt - das Feld und freie Medien.
Wie bereits erwähnt, wird dieser Prozess als Ionisation bezeichnet. Es kann nicht nur durch die angelegte Spannung auftreten, sondern auch während der Gaserwärmung, Röntgenstrahlung, unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung und anderen Dingen.
Strom fließt durch die Luft, auch wenn ein Brenner zwischen den Elektroden installiert ist.
Der Stromfluss in Inertgasen wird von einer Gaslumineszenz begleitet, dieses Phänomen wird in Leuchtstofflampen aktiv genutzt. Der Stromfluss in einem gasförmigen Medium wird als Gasentladung bezeichnet.
In Flüssigkeit
Angenommen, wir haben ein Gefäß mit Wasser, in dem zwei Elektroden platziert sind, an die eine Stromquelle angeschlossen ist. Wenn das Wasser destilliert wird, dh rein ist und keine Verunreinigungen enthält, ist es ein Dielektrikum. Wenn wir dem Wasser jedoch etwas Salz, Schwefelsäure oder eine andere Substanz hinzufügen, bildet sich ein Elektrolyt, durch den ein Strom fließt.
Ein Elektrolyt ist eine Substanz, die aufgrund der Dissoziation in Ionen einen elektrischen Strom leitet.
Wenn dem Wasser Kupfersulfat zugesetzt wird, setzt sich eine Kupferschicht auf einer der Elektroden (Kathode) ab - dies wird als Elektrolyse bezeichnet, was beweist, dass der elektrische Strom in der Flüssigkeit auf die Bewegung von Ionen zurückzuführen ist - positive und negative Ladungsträger.
Die Elektrolyse ist ein physikalisch-chemischer Prozess, bei dem Komponenten, aus denen ein Elektrolyt auf Elektroden besteht, getrennt werden.
So Kupferbeschichtung, Vergoldung und Beschichtung mit anderen Metallen.
Fazit
Zusammenfassend benötigen wir für den Stromfluss freie Ladungsträger:
- Elektronen in Leitern (Metallen) und Vakuum;
- Elektronen und Löcher in Halbleitern;
- Ionen (Anionen und Kationen) in Flüssigkeiten und Gasen.
Damit die Bewegung dieser Träger geordnet wird, wird ein elektrisches Feld benötigt. Mit einfachen Worten: Legen Sie an den Enden des Körpers Spannung an oder installieren Sie zwei Elektroden in einem Medium, in dem elektrischer Strom fließen soll.
Es ist auch erwähnenswert, dass der Strom in gewisser Weise den Stoff beeinflusst. Es gibt drei Arten der Exposition:
- Thermal;
- chemisch;
- physisch.
Schließlich empfehlen wir, ein nützliches Video anzusehen, in dem die Bedingungen für das Vorhandensein und den Fluss von elektrischem Strom genauer untersucht werden:
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