Apakah arus elektrik dan apakah keadaan kewujudannya
Definisi
Arus elektrik adalah pergerakan arah pembawa cas - ini adalah rumusan standard dari buku teks fizik. Sebaliknya, zarah-zarah tertentu bahan disebut pembawa cas. Mereka boleh:
- Elektron adalah pembawa cas negatif.
- Ion adalah pembawa cas positif.
Tetapi dari mana pembawa caj berasal? Untuk menjawab soalan ini, anda perlu mengingat semula pengetahuan asas mengenai struktur jirim. Semua yang mengelilingi kita adalah jirim, ia terdiri daripada molekul, zarah terkecilnya. Molekul terdiri daripada atom. Atom terdiri daripada nukleus di mana elektron bergerak dalam orbit yang diberikan. Molekul juga bergerak secara rawak. Pergerakan dan struktur setiap zarah ini bergantung pada bahan itu sendiri dan pengaruh persekitaran di atasnya, seperti suhu, voltan, dan sebagainya.
Ion adalah atom di mana nisbah elektron ke proton telah berubah. Sekiranya atom pada mulanya neutral, maka ion seterusnya dibahagikan kepada:
- Anion adalah ion positif atom yang kehilangan elektron.
- Kation adalah atom dengan elektron "tambahan" yang melekat pada atom.
Unit semasa - Amp, menurut Undang-undang Ohm Ia dikira dengan formula:
I = U / R,
di mana U adalah voltan, [V], dan R adalah rintangan, [Ohm].
Atau berkadar langsung dengan jumlah caj yang dipindahkan per unit masa:
I = Q / t,
di mana Q adalah caj, [C], t adalah masa, [s].
Syarat untuk kewujudan arus elektrik
Berapakah arus elektrik, kita tahu, sekarang mari kita bincangkan bagaimana memastikan alirannya. Agar arus elektrik mengalir, dua syarat mesti dipenuhi:
- Kehadiran syarikat penerbangan percuma.
- Medan elektrik.
Keadaan pertama untuk kewujudan dan aliran elektrik bergantung pada bahan di mana arus mengalir (atau tidak mengalir), serta keadaannya. Syarat kedua juga terpenuhi: untuk adanya medan elektrik, kehadiran potensi yang berbeza diperlukan, di antaranya ada media di mana pembawa cas akan mengalir.
Ingat:Voltan, EMF adalah perbezaan yang berpotensi. Oleh itu, untuk memenuhi syarat-syarat kewujudan arus - kehadiran medan elektrik dan arus elektrik, voltan diperlukan. Ini mungkin plat kapasitor yang dikenakan, sel galvanik, emf yang timbul di bawah pengaruh medan magnet (penjana).
Bagaimana ia timbul, kita tahu, mari kita bincangkan di mana ia diarahkan.Arus, terutamanya dalam penggunaan biasa kita, bergerak di konduktor (pendawaian elektrik di sebuah apartmen, lampu pijar) atau di semikonduktor (LED, pemproses telefon pintar anda dan elektronik lain), lebih jarang dalam gas (lampu pendarfluor).
Jadi, dalam kebanyakan kes, pembawa cas utama adalah elektron, mereka bergerak dari tolak (titik dengan potensi negatif) ke nilai tambah (titik dengan potensi positif, anda akan mengetahui lebih lanjut mengenai perkara ini di bawah).
Tetapi fakta yang menarik ialah arah arus diambil sebagai pergerakan cas positif - dari tambah ke tolak. Walaupun pada hakikatnya, semuanya berlaku sebaliknya. Kenyataannya adalah bahawa keputusan mengenai arah arus dibuat sebelum mempelajari sifatnya, dan juga sebelum ditentukan oleh apa arus dan wujudnya arus.
Arus elektrik di persekitaran yang berbeza
Kami telah menyebutkan bahawa dalam persekitaran yang berbeza arus elektrik boleh berbeza dalam jenis pembawa cas. Media boleh dibahagikan dengan sifat kekonduksian (dalam mengurangkan kekonduksian):
- Konduktor (logam).
- Semikonduktor (silikon, germanium, galium arsenide, dll.).
- Dielektrik (vakum, udara, air suling).
Dalam logam
Dalam logam terdapat pembawa cas percuma, kadang-kadang disebut "gas elektrik". Dari mana pengangkut caj percuma? Faktanya ialah logam, seperti bahan lain, terdiri daripada atom. Atom, satu atau lain cara, bergerak atau berayun. Semakin tinggi suhu logam, semakin kuat pergerakan ini. Pada masa yang sama, atom-atom itu sendiri dalam bentuk umum tetap berada di tempat mereka, yang sebenarnya membentuk struktur logam.
Dalam cengkerang elektron atom, biasanya terdapat beberapa elektron di mana ikatan dengan nukleus agak lemah. Di bawah pengaruh suhu, tindak balas kimia dan interaksi kekotoran, yang mana pun terdapat pada logam, elektron melepaskan diri dari atomnya, ion bermuatan positif terbentuk. Elektron terlepas dipanggil bebas dan bergerak secara rawak.
Sekiranya mereka terkena medan elektrik, misalnya, jika anda menyambungkan bateri ke sekeping logam, pergerakan elektron secara rawak akan teratur. Elektron dari titik di mana potensi negatif disambungkan (katod sel galvanik, misalnya) akan mula bergerak ke titik dengan potensi positif.
Dalam semikonduktor
Semikonduktor adalah bahan di mana dalam keadaan normal tidak ada pembawa cas percuma. Mereka berada di zon terlarang yang disebut. Tetapi jika daya luaran, seperti medan elektrik, panas, pelbagai sinaran (cahaya, radiasi, dll.) Digunakan, mereka mengatasi zon terlarang dan masuk ke zon bebas atau zon konduksi. Elektron melepaskan diri dari atom mereka dan menjadi bebas, membentuk ion - pembawa cas positif.
Pembawa positif dalam semikonduktor disebut lubang.
Sekiranya anda hanya memindahkan tenaga ke semikonduktor, misalnya, panaskannya, gerakan pembawa cas yang huru-hara akan bermula. Tetapi jika kita bercakap mengenai elemen semikonduktor, seperti diod atau transistor, maka di hujung kristal yang bertentangan (lapisan logam disetorkan pada mereka dan kesimpulan disolder), EMF akan timbul, tetapi ini tidak berlaku untuk topik artikel hari ini.
Sekiranya anda memasang sumber emf ke semikonduktor, maka pembawa cas juga akan masuk ke jalur konduksi, dan pergerakan arahnya akan bermula - lubang akan menuju ke sisi dengan potensi elektrik yang lebih rendah, dan elektron - ke sisi dengan yang lebih besar.
Dalam vakum dan gas
Vakum adalah media dengan ketiadaan gas yang lengkap (ideal) atau kuantiti yang minimum (sebenarnya). Oleh kerana tidak ada bahan dalam vakum, pembawa cas tidak dapat dibawa dari mana-mana. Walau bagaimanapun, aliran arus dalam vakum meletakkan asas untuk elektronik dan seluruh era elemen elektronik - tiub vakum elektrik.Mereka digunakan pada separuh pertama abad yang lalu, dan pada tahun 50-an mereka mula beransur-ansur memberi laluan kepada transistor (bergantung pada bidang elektronik tertentu).
Anggaplah kita mempunyai kapal dari mana semua gas dipam keluar, mis. ia mempunyai vakum yang lengkap. Dua elektrod diletakkan di dalam kapal, mari kita sebut anod dan katod. Sekiranya kita menghubungkan potensi negatif sumber emf ke katod, dan potensi positif ke anod, tidak ada yang akan berlaku dan arus tidak akan mengalir. Tetapi jika kita mula memanaskan katod, arus akan mula mengalir. Proses ini dipanggil pelepasan termionik - pelepasan elektron dari permukaan elektron yang dipanaskan.
Rajah menunjukkan proses aliran arus dalam lampu vakum. Dalam tiub vakum, katod dipanaskan oleh filamen terdekat dalam beras (H), seperti dalam bola lampu.
Lebih-lebih lagi, jika anda mengubah polaritas bekalan kuasa - sapukan tolak ke anod, dan terapkan tambah ke katod - arus tidak akan mengalir. Ini akan membuktikan bahawa arus dalam vakum mengalir kerana pergerakan elektron dari CATHODE ke ANODE.
Gas, seperti mana-mana bahan, terdiri daripada molekul dan atom, yang bermaksud bahawa jika gas berada di bawah pengaruh medan elektrik, maka pada kekuatan tertentu (voltan pengionan) elektron melepaskan diri dari atom, maka kedua-dua keadaan aliran arus elektrik dipenuhi - medan dan media percuma.
Seperti yang telah disebutkan, proses ini disebut pengionan. Ia boleh berlaku bukan sahaja dari voltan yang berlaku, tetapi juga semasa pemanasan gas, sinaran sinar-x, di bawah pengaruh sinaran ultraviolet dan perkara lain.
Arus akan mengalir melalui udara walaupun pembakar dipasang di antara elektrod.
Aliran arus dalam gas lengai disertai dengan pendaran gas, fenomena ini digunakan secara aktif dalam lampu pendarfluor. Aliran arus elektrik dalam medium gas disebut pembuangan gas.
Dalam cecair
Katakan kita mempunyai kapal dengan air di mana dua elektrod diletakkan, yang mana sumber kuasa disambungkan. Sekiranya air disuling, iaitu suci dan tidak mengandungi kekotoran, maka itu adalah dielektrik. Tetapi jika kita menambahkan sedikit garam, asid sulfurik atau bahan lain ke dalam air, elektrolit akan terbentuk dan arus akan mengalir melaluinya.
Elektrolit adalah bahan yang mengalirkan arus elektrik kerana pemisahan ke ion.
Sekiranya tembaga sulfat ditambahkan ke dalam air, maka lapisan tembaga akan menetap di salah satu elektrod (katod) - ini disebut elektrolisis, yang membuktikan bahawa arus elektrik dalam cecair disebabkan oleh pergerakan ion - pembawa muatan positif dan negatif.
Elektrolisis adalah proses fizikokimia yang melibatkan pemisahan komponen yang membentuk elektrolit pada elektrod.
Oleh itu, penyaduran tembaga, penyepuhan dan pelapisan dengan logam lain.
Kesimpulannya
Sebagai kesimpulan, untuk aliran arus elektrik kita memerlukan pembawa cas percuma:
- elektron dalam konduktor (logam) dan vakum;
- elektron dan lubang pada semikonduktor;
- ion (anion dan kation) dalam cecair dan gas.
Agar pergerakan pembawa ini menjadi teratur, medan elektrik diperlukan. Dengan kata mudah - gunakan voltan di hujung badan atau pasangkan dua elektrod dalam medium di mana arus elektrik sepatutnya mengalir.
Perlu diingat bahawa arus dengan cara tertentu mempengaruhi bahan, terdapat tiga jenis pendedahan:
- termal;
- bahan kimia;
- fizikal.
Akhirnya, kami mengesyorkan menonton video yang berguna di mana keadaan dan aliran arus elektrik diperiksa dengan lebih terperinci:
Berguna untuk topik:
Memuat ...
