¿Qué es la corriente eléctrica y cuáles son las condiciones de su existencia?
Definición
Una corriente eléctrica es el movimiento direccional de los portadores de carga: esta es la formulación estándar de un libro de texto de física. A su vez, ciertas partículas de una sustancia se denominan portadores de carga. Pueden ser:
- Los electrones son portadores de carga negativa.
- Los iones son portadores de carga positiva.
Pero, ¿de dónde vienen los operadores de carga? Para responder a esta pregunta, debe recordar los conocimientos básicos sobre la estructura de la materia. Todo lo que nos rodea es materia, consiste en moléculas, sus partículas más pequeñas. Las moléculas están formadas por átomos. Un átomo consiste en un núcleo alrededor del cual los electrones se mueven en órbitas dadas. Las moléculas también se mueven al azar. El movimiento y la estructura de cada una de estas partículas dependen de la sustancia en sí y de la influencia del medio ambiente sobre ella, como la temperatura, el voltaje, etc.
Un ion es un átomo en el que la relación de electrones a protones ha cambiado. Si el átomo es inicialmente neutral, entonces los iones a su vez se dividen en:
- Los aniones son el ion positivo de un átomo que ha perdido electrones.
- Los cationes son un átomo con electrones "extra" unidos al átomo.
Unidad actual - Amp, según Ley de ohm Se calcula mediante la fórmula:
I = U / R,
donde U es el voltaje, [V] y R es la resistencia, [Ohm].
O es directamente proporcional a la cantidad de carga transferida por unidad de tiempo:
I = Q / t,
donde Q es la carga, [C], t es el tiempo, [s].
Condiciones para la existencia de corriente eléctrica.
¿Cuál es la corriente eléctrica ?, descubrimos, ahora hablemos sobre cómo garantizar su flujo. Para que fluya la corriente eléctrica, se deben cumplir dos condiciones:
- La presencia de transportistas gratuitos.
- Campo electrico.
La primera condición para la existencia y el flujo de electricidad depende de la sustancia en la que fluye la corriente (o no fluye), así como de su estado. La segunda condición también se cumple: para la existencia de un campo eléctrico, es necesario tener diferentes potenciales, entre los cuales hay un medio en el que fluirán los portadores de carga.
Recordar:Voltaje, EMF es la diferencia de potencial. De ello se deduce que para cumplir las condiciones para la existencia de corriente: la presencia de un campo eléctrico y una corriente eléctrica, se necesita voltaje. Estas pueden ser las placas de un condensador cargado, una celda galvánica, una fem que surge bajo la influencia de un campo magnético (generador).
Descubrimos cómo surge, hablemos de hacia dónde se dirige.La corriente, principalmente en nuestro uso habitual, se mueve en conductores (cableado eléctrico en un apartamento, bombillas incandescentes) o en semiconductores (LED, procesador de su teléfono inteligente y otros dispositivos electrónicos), con menos frecuencia en gases (lámparas fluorescentes).
Entonces, en la mayoría de los casos, los portadores de carga principales son electrones, se mueven desde el menos (el punto con potencial negativo) al más (el punto con potencial positivo, aprenderá más sobre esto a continuación).
Pero un hecho interesante es que se tomó la dirección de la corriente como el movimiento de cargas positivas, de más a menos. Aunque, de hecho, todo sucede al revés. El hecho es que la decisión sobre la dirección de la corriente se tomó antes de estudiar su naturaleza, así como antes de que se determinara debido a lo que fluye y existe la corriente.
Corriente eléctrica en diferentes ambientes.
Ya hemos mencionado que en diferentes entornos la corriente eléctrica puede diferir en el tipo de portadores de carga. Los medios se pueden dividir por la naturaleza de la conductividad (en conductividad decreciente):
- Conductor (metales).
- Semiconductores (silicio, germanio, arseniuro de galio, etc.).
- Dieléctrico (vacío, aire, agua destilada).
En metales
En los metales hay portadores de carga gratuita, a veces se les llama "gas eléctrico". ¿De dónde vienen las compañías de carga gratuita? El hecho es que el metal, como cualquier sustancia, consiste en átomos. Los átomos, de una forma u otra, se mueven u oscilan. Cuanto mayor es la temperatura del metal, más fuerte es este movimiento. Al mismo tiempo, los átomos en general permanecen en su lugar, formando la estructura metálica.
En las capas electrónicas de un átomo, generalmente hay varios electrones en los que el enlace con el núcleo es bastante débil. Bajo la influencia de las temperaturas, las reacciones químicas y la interacción de las impurezas, que en cualquier caso están en el metal, los electrones se separan de sus átomos, se forman iones cargados positivamente. Los electrones separados se llaman libres y se mueven al azar.
Si se ven afectados por un campo eléctrico, por ejemplo, si conecta una batería a una pieza de metal, se ordenará el movimiento aleatorio de los electrones. Los electrones desde el punto en el que se conecta el potencial negativo (el cátodo de una celda galvánica, por ejemplo) comenzarán a moverse al punto con un potencial positivo.
En semiconductores
Los semiconductores son materiales en los que en el estado normal no hay portadores de carga gratuita. Están en la llamada zona prohibida. Pero si se aplican fuerzas externas, como un campo eléctrico, calor, varias radiaciones (luz, radiación, etc.), superan la zona prohibida y pasan a la zona libre o zona de conducción. Los electrones se desprenden de sus átomos y se liberan, formando iones: portadores de carga positiva.
Los portadores positivos en semiconductores se llaman agujeros.
Si simplemente transfiere energía a un semiconductor, por ejemplo, caliéntelo, comenzará el movimiento caótico de los portadores de carga. Pero si estamos hablando de elementos semiconductores, como un diodo o un transistor, entonces en los extremos opuestos del cristal (se deposita una capa metalizada sobre ellos y se sueldan las conclusiones), surgirá un EMF, pero esto no se aplica al tema del artículo de hoy.
Si conecta la fuente de fem al semiconductor, los portadores de carga también irán a la banda de conducción, y comenzará su movimiento direccional: los agujeros irán al lado con un potencial eléctrico más bajo y los electrones al lado con uno más grande.
En vacío y gas
El vacío es un medio con una ausencia completa (caso ideal) de gases o su cantidad minimizada (en realidad). Como no hay sustancia en el vacío, los portadores de carga no se pueden tomar de ninguna parte. Sin embargo, el flujo de corriente en el vacío sentó las bases para la electrónica y toda una era de elementos electrónicos: los tubos de vacío eléctricos.Se usaron en la primera mitad del siglo pasado, y en los años 50 comenzaron a dar paso gradualmente a los transistores (dependiendo del campo específico de la electrónica).
Supongamos que tenemos un recipiente desde el cual se bombea todo el gas, es decir Tiene un vacío completo. Se colocan dos electrodos en el recipiente, llamémoslos ánodo y cátodo. Si conectamos el potencial negativo de la fuente de fem al cátodo y el potencial positivo al ánodo, no pasará nada y la corriente no fluirá. Pero si comenzamos a calentar el cátodo, la corriente comenzará a fluir. Este proceso se llama emisión termoiónica: la emisión de electrones de una superficie calentada de un electrón.
La figura muestra el proceso de flujo de corriente en una lámpara de vacío. En los tubos de vacío, el cátodo se calienta mediante un filamento cercano en el arroz (H), como en una bombilla.
Además, si cambia la polaridad de la fuente de alimentación (aplique un signo negativo al ánodo y aplique un signo positivo al cátodo), la corriente no fluirá. Esto demostrará que la corriente en el vacío fluye debido al movimiento de electrones del CATODO al ANODO.
Un gas, como cualquier sustancia, consiste en moléculas y átomos, lo que significa que si el gas está bajo la influencia de un campo eléctrico, entonces a cierta fuerza (voltaje de ionización) los electrones se separan del átomo, entonces se satisfacen ambas condiciones del flujo de corriente eléctrica: el campo y medios libres
Como ya se mencionó, este proceso se llama ionización. Puede ocurrir no solo por el voltaje aplicado, sino también durante el calentamiento de gas, la radiación de rayos X, bajo la influencia de la radiación ultravioleta y otras cosas.
La corriente fluirá a través del aire incluso si se instala un quemador entre los electrodos.
El flujo de corriente en gases inertes se acompaña de luminiscencia gaseosa, este fenómeno se utiliza activamente en lámparas fluorescentes. El flujo de corriente eléctrica en un medio gaseoso se llama descarga de gas.
En fluido
Supongamos que tenemos un recipiente con agua en el que se colocan dos electrodos, al que está conectada una fuente de alimentación. Si el agua está destilada, es decir, limpia y libre de impurezas, entonces es un dieléctrico. Pero si agregamos un poco de sal, ácido sulfúrico o cualquier otra sustancia al agua, se formará un electrolito y una corriente comenzará a fluir a través de él.
Un electrolito es una sustancia que conduce una corriente eléctrica debido a la disociación en iones.
Si se agrega sulfato de cobre al agua, entonces una capa de cobre se asentará en uno de los electrodos (cátodo), esto se llama electrólisis, lo que demuestra que la corriente eléctrica en el líquido se debe al movimiento de iones: portadores de carga positiva y negativa.
La electrólisis es un proceso fisicoquímico que implica la separación de componentes que forman un electrolito en los electrodos.
Por lo tanto, cobreado, dorado y revestimiento con otros metales.
Conclusión
Para resumir, para el flujo de corriente eléctrica necesitamos portadores de carga gratuita:
- electrones en conductores (metales) y vacío;
- electrones y agujeros en semiconductores;
- iones (aniones y cationes) en líquidos y gases.
Para que se ordene el movimiento de estos transportistas, se necesita un campo eléctrico. En palabras simples: aplique voltaje en los extremos del cuerpo o instale dos electrodos en un medio donde se supone que fluya una corriente eléctrica.
También vale la pena señalar que la corriente de cierta manera afecta la sustancia, hay tres tipos de exposición:
- térmica
- quimico
- fisico
Al final, recomendamos ver un video útil en el que se examinan las condiciones para la existencia y el flujo de corriente eléctrica con más detalle:
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