Što je električna struja i koji su uvjeti njenog postojanja
definicija
Električna struja je usmjereno kretanje nosača naboja - ovo je standardna formulacija iz udžbenika fizike. Zauzvrat, određene čestice tvari nazivaju se nosači naboja. Oni mogu biti:
- Elektroni su nosači negativnog naboja.
- Ioni su pozitivni nosači naboja.
Ali odakle dolaze prijevoznici? Da biste odgovorili na to pitanje, morate se prisjetiti osnovnih znanja o strukturi materije. Sve što nas okružuje je materija, sastoji se od molekula, njegovih najmanjih čestica. Molekule se sastoje od atoma. Atom se sastoji od jezgre oko koje se kreću elektroni u zadanim orbitama. Molekule se također nasumično kreću. Kretanje i struktura svake od tih čestica ovise o samoj tvari i utjecaju okoline na nju, na primjer, temperaturi, naponu itd.
Ion je atom u kojem se promijenio odnos elektrona prema protonima. Ako je atom u početku neutralan, tada se ioni zauzvrat dijele na:
- Anioni su pozitivni ioni atoma koji su izgubili elektrone.
- Kationi su atom s "dodatnim" elektronima vezanim za atom.
Trenutna jedinica - Amp, prema Ohmov zakon Izračunava se po formuli:
I = U / R,
gdje je U napon, [V], a R je otpor, [Ohm].
Ili je izravno proporcionalna količini prenosa naknade po jedinici vremena:
I = Q / t,
gdje je Q naboj, [C], t je vrijeme, [s].
Uvjeti za postojanje električne struje
Što je električna struja, shvatili smo, sada ćemo razgovarati o tome kako osigurati njen protok. Da bi strujna struja tekla, moraju biti zadovoljena dva uvjeta:
- Prisutnost besplatnih prijevoznika.
- Električno polje.
Prvi uvjet postojanja i protoka električne energije ovisi o tvari u kojoj struja teče (ili ne teče), kao i njenom stanju. Zadovoljan je i drugi uvjet: za postojanje električnog polja potrebno je imati različite potencijale, između kojih postoji medij u kojem će teći nosači naboja.
Podsjetiti:Napon, EMF je potencijalna razlika. Iz toga slijedi da je za ispunjavanje uvjeta za postojanje struje - prisutnost električnog polja i električne struje, potreban napon. To mogu biti ploče napunjenog kondenzatora, galvanska ćelija, emf koji nastaju pod utjecajem magnetskog polja (generatora).
Kako nastaje, shvatili smo, razgovarajmo o tome gdje je usmjereno.Struja se, uglavnom u uobičajenoj upotrebi, kreće u provodnicima (električno ožičenje u stanu, žarulje) ili u poluvodičima (LED, procesor vašeg pametnog telefona i druga elektronika), rjeđe u plinovima (fluorescentne žarulje).
Dakle, u većini slučajeva glavni nosači naboja su elektroni, oni se kreću od minusa (točke s negativnim potencijalom) do plusa (točke s pozitivnim potencijalom, o tome ćete saznati više u nastavku).
Ali zanimljiva je činjenica da je smjer struje smatran kretanjem pozitivnih naboja - od plusa do minus. Iako se u stvari sve događa obrnuto. Činjenica je da je odluka o smjeru struje donesena prije proučavanja njezine prirode, kao i prije nego što je utvrđeno što struja teče i postoji.
Električna struja u različitim okruženjima
Već smo spomenuli da se u različitim okruženjima električna struja može razlikovati u vrsti nosača naboja. Mediji se mogu podijeliti po prirodi vodljivosti (u opadajućoj vodljivosti):
- Provodnik (metali).
- Poluprovodnik (silicij, germanij, galijev arsenid itd.).
- Dielektrična (vakuum, zrak, destilirana voda).
U metalima
U metalima postoje besplatni nosači naboja, oni se ponekad nazivaju "električnim plinom". Odakle dolaze besplatni prijevoznici? Činjenica je da se metal, kao i svaka tvar, sastoji od atoma. Atomi se, na ovaj ili onaj način, kreću ili osciliraju. Što je viša temperatura metala, to je snažnije kretanje. Istovremeno, sami atomi u općem obliku ostaju na svojim mjestima, zapravo tvoreći metalnu strukturu.
U elektronskim ljuskama atoma obično je nekoliko elektrona u kojima je veza s jezgrom prilično slaba. Pod utjecajem temperatura, kemijskih reakcija i interakcije nečistoća, koje su u svakom slučaju u metalu, elektroni se odvajaju od svojih atoma, nastaju pozitivno nabijeni ioni. Odvojeni elektroni nazivaju se slobodni i kreću se nasumično.
Ako na njih utječe, primjerice, električno polje, ako bateriju povežete s komadom metala, postat će naručeni slučajni pokret elektrona. Elektroni iz točke u kojoj je negativni potencijal povezan (katoda galvanske ćelije, na primjer) počet će se kretati do točke s pozitivnim potencijalom.
U poluvodičima
Poluvodiči su materijali u kojima u normalnom stanju nema besplatnih nosača naboja. Nalaze se u takozvanoj zabranjenoj zoni. Ali ako se primijene vanjske sile, kao što su električno polje, toplina, različita zračenja (svjetlost, zračenje, itd.), Oni prelaze zabranjenu zonu i prelaze u slobodnu zonu ili zonu provodljivosti. Elektroni se odvajaju od svojih atoma i oslobađaju se, tvoreći ione - pozitivne nosače naboja.
Pozitivni nosači u poluvodičima nazivaju se rupe.
Ako, na primjer, jednostavno prebacite energiju u poluvodič, zagrijavate ga, počet će kaotično kretanje nosača naboja. Ali ako govorimo o poluvodičkim elementima, kao što je dioda ili tranzistor, tada će se na suprotnim krajevima kristala (na njih taloži metalizirani sloj i zaključci lemljeni) pojaviti EMF, ali to se ne odnosi na temu današnjeg članka.
Ako izvor emf pričvrstite na poluvodič, tada će nosači naboja također ući u pojas provodljivosti i započet će njihovo usmjereno kretanje - rupe će ići u stranu s nižim električnim potencijalom, a elektroni - u stranu s većim.
U vakuumu i plinu
Vakuum je medij s potpunim (idealnim slučajem) nedostatkom plinova ili minimiziranjem njegove količine (u stvarnosti). Budući da u vakuumu nema neke tvari, nosači naboja ne mogu se uzeti s bilo kojeg mjesta. Međutim, struja u vakuumu postavila je temelj za elektroniku i čitavu eru elektroničkih elemenata - električnih vakuumskih cijevi.Koristili su se u prvoj polovici prošlog stoljeća, a 50-ih godina počeli su postupno popuštati tranzistorima (ovisno o specifičnom polju elektronike).
Pretpostavimo da imamo posudu iz koje se ispumpava sav plin, tj. ima potpuni vakuum. Dvije elektrode su smještene u posudu, nazovimo ih anoda i katoda. Ako negativni potencijal izvora emf povežemo s katodom, a pozitivni potencijal na anodu, ništa se neće dogoditi i struja neće teći. Ali ako počnemo zagrijavati katodu, struja će početi teći. Taj se proces naziva termička emisija - emisija elektrona iz zagrijane površine elektrona.
Na slici je prikazan tijek struje u vakuumskoj svjetiljci. U vakuumskim cijevima katoda se zagrijava obližnjim filom u riži (H), poput žarulje.
Štoviše, ako promijenite polaritet napajanja - primijenite minus na anodu, a katodu primijenite plus - struja neće teći. Ovo će dokazati da struja u vakuumu teče zbog kretanja elektrona iz KATODE do ANODE.
Plin se, kao i svaka tvar, sastoji od molekula i atoma, što znači da ako je plin pod utjecajem električnog polja, onda se pri određenoj snazi (naponu ionizacije) elektroni odvajaju od atoma, tada su ispunjena oba uvjeta protoka električne struje - polje i slobodni mediji.
Kao što je već spomenuto, taj se postupak naziva ionizacija. Može se pojaviti ne samo od primijenjenog napona, već i tijekom zagrijavanja plina, rendgenskog zračenja, pod utjecajem ultraljubičastog zračenja i drugih stvari.
Struja će teći kroz zrak čak i ako je među elektrodama ugrađen plamenik.
Protok struje u inertnim plinovima popraćen je plinskom luminiscencijom, ovaj se fenomen aktivno koristi u fluorescentnim svjetiljkama. Protok električne struje u plinovitom mediju naziva se pražnjenje plina.
U tekućini
Pretpostavimo da imamo posudu s vodom u koju su smještene dvije elektrode, na koju je priključen izvor napajanja. Ako je voda destilirana, to jest čista i ne sadrži nečistoće, onda je to dielektrik. Ali ako u vodu dodamo malo soli, sumporne kiseline ili bilo koje druge tvari, nastaje elektrolit i kroz nju počinje teći struja.
Elektrolit je tvar koja provodi električnu struju uslijed disocijacije u ione.
Ako se u vodu doda bakreni sulfat, na jednom od elektroda (katoda) taložit će se bakreni sloj - to se naziva elektrolizom, što dokazuje da je električna struja u tekućini nastala zbog kretanja iona - pozitivnih i negativnih nosača naboja.
Elektroliza je fizikalno-kemijski proces koji uključuje razdvajanje komponenata koje čine elektrolit na elektrodama.
Dakle, oblaganje bakra, pozlaćivanje i oblaganje drugim metalima.
Zaključak
Da zaključimo, za protok električne struje potrebni su nam besplatni nosači naboja:
- elektroni u vodičima (metali) i vakuumu;
- elektroni i rupe u poluvodičima;
- ioni (anioni i kationi) u tekućinama i plinovima.
Da bi se kretanje ovih nosača moglo organizirati, potrebno je električno polje. Jednostavnim riječima - primijenite napon na krajevima tijela ili ugradite dvije elektrode u medij u kojem treba teći električna struja.
Također je vrijedno napomenuti da struja na određeni način utječe na tvar, postoje tri vrste izloženosti:
- toplinsko;
- kemijski;
- fizički.
Na kraju, preporučujemo vam pogledati koristan video u kojem se detaljnije ispituju uvjeti za postojanje i protok električne struje:
Korisno na temu:
Učitavam...
