Mi az elektromos áram és milyen feltételek állnak fenn annak fennállására?
meghatározás
Az elektromos áram a töltéshordozók irányított mozgása - ez a fizikai tankönyv standard formula. Az anyag bizonyos részecskéit viszont töltéshordozóknak hívják. Ezek lehetnek:
- Az elektronok negatív töltéshordozók.
- Az ionok pozitív töltéshordozók.
De honnan származnak töltő hordozók? E kérdés megválaszolásához emlékeztetnie kell az anyag felépítésével kapcsolatos alapismeretekre. Minden, ami körülvesz minket, az anyag, molekulákból áll, azok legkisebb részecskéiből. A molekulák atomokból állnak. Az atom magból áll, amely körül az elektronok az adott pályán mozognak. A molekulák véletlenszerűen mozognak. Ezeknek a részecskéknek a mozgása és szerkezete függ az anyagtól és a környezet befolyásától, például hőmérséklettől, feszültségtől és így tovább.
Az ion olyan atom, amelyben az elektronok és a protonok aránya megváltozott. Ha az atom kezdetben semleges, akkor az ionokat viszont felosztják:
- Az anionok olyan atom pozitív ionjai, amelyek elektronokat veszítettek.
- A kationok egy atom, amelynek "extra" elektronjai kapcsolódnak az atomhoz.
Jelenlegi egység - erősítő, a Ohm törvénye Ezt a következő képlettel kell kiszámítani:
I = U / R,
ahol U a feszültség, [V] és R az ellenállás, [Ohm].
Vagy közvetlenül arányos az időegységre átvitt díj összegével:
I = Q / t,
ahol Q a töltés, [C], t az idő, [s].
Az elektromos áram fennállásának feltételei
Mi az elektromos áram, kitaláltuk, most beszéljünk arról, hogyan biztosíthatjuk áramlását. Az elektromos áram áramlásához két feltételnek teljesülnie kell:
- Ingyenes töltő hordozók jelenléte.
- Elektromos mező.
A villamos energia létezésének és áramlásának első feltétele az anyag, amelyben az áram folyik (vagy nem áramlik), valamint az állapotától. A második feltétel szintén teljesül: az elektromos mező létezéséhez különböző potenciálokra van szükség, amelyek között van egy közeg, amelyben a töltőhordozók áramlanak.
Emlékezzünk:Feszültség, EMF a potenciális különbség. Ebből következik, hogy az áramellátás feltételeinek teljesítéséhez - elektromos mező és elektromos áram jelenlétéhez - feszültségre van szükség. Ez lehet egy töltött kondenzátor, egy galvanikus cella, egy mágneses mező (generátor) hatására kialakuló emf lemez.
Hogy merül fel, kitaláltuk, beszéljünk arról, hová irányítják.Az áram, főleg a szokásos használat során, vezetőkben (lakás elektromos vezetékeiben, izzólámpákban) vagy félvezetőkben (LED-ek, okostelefon processzora és egyéb elektronika) mozog, ritkábban gázokban (fénycsövek).
Tehát a legtöbb esetben a fő töltéshordozók elektronok, a mínuszról (a negatív potenciállal rendelkező pontról) a pluszra (a pozitív potenciállal rendelkező pontra, erről az alábbiakban tudhat meg többet) mozognak.
Érdekes tény azonban, hogy az áram irányába a pozitív töltések mozgását tekintették - pluszról mínuszra. Bár valójában minden fordítva történik. A tény az, hogy az áram irányáról döntenek a természetének tanulmányozása előtt, valamint annak meghatározása előtt, hogy mi folyik és létezik az áram.
Elektromos áram különböző környezetben
Már említettük, hogy különböző környezetekben az elektromos áram eltérhet a töltőhordozók típusától. A közeget meg lehet osztani a vezetőképesség jellege alapján (csökkenő vezetőképességgel):
- Vezető (fémek).
- Félvezető (szilícium, germánium, galium-arzenid stb.)
- Dielektromos (vákuum, levegő, desztillált víz).
Fémekben
A fémekben vannak ingyenes töltéshordozók, ezeket néha "elektromos gáznak" hívják. Honnan származnak ingyenes díjszállítók? A helyzet az, hogy a fém, mint bármely anyag, atomokból áll. Az atomok úgy vagy úgy mozognak vagy oszcillálnak. Minél magasabb a fém hőmérséklete, annál erősebb ez a mozgás. Ugyanakkor maguk az atomok általában általános helyükön maradnak, valójában a fémszerkezetet képezik.
Egy atom elektronhéjában általában több elektron található, amelyekben a atommaggal való kötés meglehetősen gyenge. A hőmérsékletek, a kémiai reakciók és a szennyeződések kölcsönhatásainak hatására, amelyek mindenesetre a fémben vannak, az elektronok eltűnnek atomoktól, pozitív töltésű ionok képződnek. Az elválasztott elektronokat szabadnak hívják és véletlenszerűen mozognak.
Ha például őket egy elektromos mező befolyásolja, például ha egy akkumulátort egy fémdarabhoz csatlakoztat, akkor az elektronok véletlenszerű mozgása rendeződik. A negatív potenciál csatlakozási pontjának elektronjai (például a galván cella katódja) pozitív potenciállal indulnak a pont felé.
Félvezetőkben
A félvezetők olyan anyagok, amelyekben normál állapotban nincsenek szabad töltőhordozók. Az úgynevezett tiltott zónában vannak. De ha külső erőket, például elektromos mezőt, hőt, különféle sugárzást (fény, sugárzás stb.) Alkalmaznak, akkor azok túllépik a tiltott zónát, és átjutnak a szabad zónába vagy vezető zónába. Az elektronok eltűnnek atomjaiktól és felszabadulnak, ionokat képezve - pozitív töltéshordozók.
A félvezetők pozitív vivőjeit lyukaknak nevezzük.
Ha egyszerűen például energiát juttat egy félvezetőre, például melegíti, akkor a töltőhordozók kaotikus mozgása megkezdődik. De ha olyan félvezető elemekről beszélünk, mint például egy dióda vagy egy tranzisztor, akkor a kristály ellentétes végeinél (egy fémezett réteg lerakódik rájuk, és a következtetések meg vannak forrasztva) EMF jön létre, de ez nem vonatkozik a mai cikk témájára.
Ha az emf-forrást a félvezetőhöz csatlakoztatja, akkor a töltőhordozók szintén a vezetősávba mennek, és megkezdődik az irányú mozgásuk - a lyukak alacsonyabb elektromos potenciáljú oldalra mennek, az elektronok pedig nagyobbik oldalára.
Vákuumban és gázban
A vákuum olyan közeg, amelyben (ideális esetben) hiányzik a gázok mennyisége, vagy annak mennyisége minimalizálva van (a valóságban). Mivel a vákuumban nincs anyag, a töltő hordozókat sehova nem lehet elhozni. Azonban a vákuumban áramló áramlás megalapozta az elektronikát és az elektronikai elemek teljes korszakát - az elektromos vákuumcsöveket.A múlt század első felében használták őket, és az 50-es években fokozatosan utat adtak a tranzisztoroknak (az elektronika sajátos területétől függően).
Tegyük fel, hogy van egy edényünk, ahonnan az összes gáz kiszivárog, azaz teljes vákuum van. Két elektródát helyezünk az edénybe, nevezzük őket anódnak és katódnak. Ha összekapcsoljuk az emf forrás negatív potenciálját a katóddal, és a pozitív potenciált az anóddal, akkor semmi sem történik, és az áram nem áramlik. De ha elkezdenénk melegíteni a katódot, akkor az áram elkezdi folyni. Ezt a folyamatot hőionos emissziónak nevezzük - az elektronok kibocsátása az elektron melegített felületéről.
Az ábra a vákuumlámpa áramlásának folyamatát mutatja. Vákuumcsövekben a katódot egy közeli rost (H) izzószála melegíti, például egy izzóban.
Sőt, ha megváltoztatja az áramellátás polaritását - mínusz alkalmazza az anódot, és pluszt alkalmazzon a katódra - az áram nem áramlik. Ez bizonyítja, hogy a vákuumban lévő áram az elektronoknak a CATHODE-ból az ANODE-be történő mozgása miatt áramlik.
A gáz, mint bármely anyag, molekulákból és atomokból áll, ami azt jelenti, hogy ha a gáz egy elektromos mező hatása alatt áll, akkor egy bizonyos erősségnél (ionizációs feszültségnél) az elektronok eltűnnek az atomtól, akkor az elektromos áram áramlásának mindkét feltétele teljesül - a mező és a ingyenes média.
Mint már említettük, ezt a folyamatot ionizációnak nevezzük. Ez nemcsak az alkalmazott feszültségtől, hanem a gázfűtés, a röntgen sugárzás során, az ultraibolya sugárzás és más dolgok hatására is előfordulhat.
Az áram akkor is áramlik a levegőn, ha égő van felszerelve az elektródák között.
Az inert gázok áramlását gáz lumineszcencia kíséri, ezt a jelenséget aktívan használják a fénycsövekben. Az elektromos áram áramlását egy gáznemű közegben gázkisülésnek hívják.
Folyadékban
Tegyük fel, hogy van egy vízzel ellátott edényünk, amelybe két elektróda van behelyezve, amelyhez egy áramforrás csatlakozik. Ha a víz desztillált, azaz tiszta és nem tartalmaz szennyeződéseket, akkor ez dielektrikum. De ha hozzáadunk egy kis sót, kénsavat vagy bármilyen más anyagot a vízhez, elektrolit képződik, és áram áramlik rajta.
Az elektrolit olyan anyag, amely elektromos áramot vezet az ionokba történő disszociáció miatt.
Ha réz-szulfátot adnak a vízhez, akkor az egyik elektródon (katódon) rézréteg rakódik le - ezt nevezzük elektrolízisnek, amely azt bizonyítja, hogy a folyadékban az elektromos áram az ionok - a pozitív és negatív töltéshordozók - mozgásának következménye.
Az elektrolízis egy fizikai-kémiai folyamat, amely magában foglalja az alkatrészek elválasztását, amelyek az elektródokon elektrolitot képeznek.
Így a réz bevonása, aranyozása és bevonása más fémekkel.
következtetés
Összefoglalva, az elektromos áram áramlásához ingyenes töltő hordozókra van szükségünk:
- elektronok vezetõkben (fémek) és vákuumban;
- elektronok és lyukak a félvezetőkben;
- ionok (anionok és kationok) folyadékokban és gázokban.
Ahhoz, hogy ezeknek a hordozóknak a mozgása rendeződhet, elektromos mezőre van szükség. Egyszerű szavakkal - feszültséget adjon a test végén, vagy telepítsen két elektródot egy közegbe, ahol egy elektromos áram várhatóan folyik.
Érdemes megjegyezni, hogy az áram bizonyos módon befolyásolja az anyagot, háromféle expozíció létezik:
- termikus;
- kémiai;
- fizikai.
Végül azt javasoljuk, hogy nézze meg egy hasznos videót, amelyben részletesebben megvizsgálják az elektromos áram fennállásának és áramlásának feltételeit:
Hasznos a témában:
Betöltés ...
