Co to jest prąd elektryczny i jakie są warunki jego istnienia
Definicja
Prąd elektryczny jest kierunkowym ruchem nośników ładunku - jest to standardowe sformułowanie z podręcznika do fizyki. Z kolei niektóre cząstki substancji nazywane są nośnikami ładunku. Oni mogą być:
- Elektrony są nośnikami ładunku ujemnego.
- Jony są nośnikami ładunku dodatniego.
Ale skąd pochodzą przewoźnicy? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musisz przypomnieć sobie podstawową wiedzę na temat budowy materii. Wszystko, co nas otacza, to materia, składa się z cząsteczek, jej najmniejszych cząstek. Cząsteczki składają się z atomów. Atom składa się z jądra, wokół którego elektrony poruszają się po danych orbitach. Cząsteczki również poruszają się losowo. Ruch i struktura każdej z tych cząstek zależą od samej substancji i wpływu na nią środowiska, takiego jak temperatura, napięcie i tak dalej.
Jon to atom, w którym zmienił się stosunek elektronów do protonów. Jeśli atom jest początkowo neutralny, jony z kolei dzielą się na:
- Aniony to jon dodatni atomu, który utracił elektrony.
- Kationy to atom z „dodatkowymi” elektronami przyłączonymi do atomu.
Bieżąca jednostka - Amp, zgodnie z Prawo Ohma Oblicza się go według wzoru:
I = U / R,
gdzie U to napięcie, [V], a R to rezystancja, [Ohm].
Lub jest wprost proporcjonalny do kwoty opłaty przenoszonej na jednostkę czasu:
I = Q / t,
gdzie Q jest ładunkiem, [C], t jest czasem, [s].
Warunki istnienia prądu elektrycznego
Jaki prąd elektryczny odkryliśmy, pomówmy teraz o tym, jak zapewnić jego przepływ. Aby prąd mógł przepłynąć, muszą być spełnione dwa warunki:
- Obecność bezpłatnych przewoźników.
- Pole elektryczne.
Pierwszy warunek istnienia i przepływu energii elektrycznej zależy od substancji, w której płynie prąd (lub nie płynie), a także od jego stanu. Drugi warunek jest również spełniony: do istnienia pola elektrycznego konieczne jest posiadanie różnych potencjałów, między którymi istnieje medium, w którym przepłyną nośniki ładunku.
Odwołanie:Napięcie, EMF to różnica potencjałów. Wynika z tego, że aby spełnić warunki istnienia prądu - obecność pola elektrycznego i prądu elektrycznego, potrzebne jest napięcie. Mogą to być płytki naładowanego kondensatora, ogniwo galwaniczne, pole elektromagnetyczne powstające pod wpływem pola magnetycznego (generatora).
Jak powstaje, zorientowaliśmy się, porozmawiajmy o tym, gdzie jest skierowany.Prąd, głównie w naszym zwykłym użyciu, porusza się w przewodnikach (przewody elektryczne w mieszkaniu, żarówki) lub w półprzewodnikach (diody LED, procesor smartfona i inna elektronika), rzadziej w gazach (świetlówkach).
Tak więc w większości przypadków głównymi nośnikami ładunku są elektrony, które przemieszczają się od minus (punkt o potencjale ujemnym) do plus (punkt o potencjale dodatnim, więcej o tym dowiesz się poniżej).
Ciekawym faktem jest to, że kierunek prądu przyjęto jako ruch ładunków dodatnich - od plus do minus. Chociaż w rzeczywistości wszystko dzieje się na odwrót. Faktem jest, że decyzja o kierunku prądu została podjęta przed zbadaniem jego natury, a także zanim została ustalona ze względu na to, co płynie i istnieje prąd.
Prąd elektryczny w różnych środowiskach
Wspominaliśmy już, że w różnych środowiskach prąd elektryczny może różnić się w zależności od rodzaju nośników ładunku. Media można podzielić ze względu na naturę przewodności (w malejącej przewodności):
- Dyrygent (metale).
- Półprzewodnik (krzem, german, arsenek galium itp.).
- Dielektryk (próżnia, powietrze, woda destylowana).
W metalach
W metalach istnieją bezpłatne ładunki, czasami nazywane są „gazem elektrycznym”. Skąd pochodzą bezpłatni przewoźnicy? Faktem jest, że metal, jak każda substancja, składa się z atomów. Atomy, w taki czy inny sposób, poruszają się lub oscylują. Im wyższa temperatura metalu, tym silniejszy ten ruch. W tym samym czasie same atomy w ogólnej formie pozostają na swoich miejscach, faktycznie tworząc metalową strukturę.
W powłokach elektronowych atomu zwykle znajduje się kilka elektronów, w których wiązanie z jądrem jest raczej słabe. Pod wpływem temperatur, reakcji chemicznych i interakcji zanieczyszczeń, które w każdym przypadku znajdują się w metalu, elektrony odrywają się od swoich atomów, powstają dodatnio naładowane jony. Odłączone elektrony nazywane są swobodnymi i poruszają się losowo.
Jeśli na przykład wpłynie na nie pole elektryczne, jeśli podłączysz baterię do kawałka metalu, losowy ruch elektronów zostanie uporządkowany. Elektrony od punktu, w którym połączony jest potencjał ujemny (na przykład katoda ogniwa galwanicznego), zaczną się przesuwać do punktu o potencjale dodatnim.
W półprzewodnikach
Półprzewodniki to materiały, w których w normalnym stanie nie ma żadnych bezpłatnych ładunków. Znajdują się w tak zwanej strefie zabronionej. Ale jeśli zastosowane zostaną siły zewnętrzne, takie jak pole elektryczne, ciepło, różne promieniowanie (światło, promieniowanie itp.), Pokonają strefę zabronioną i przechodzą do strefy wolnej lub strefy przewodzenia. Elektrony odrywają się od atomów i stają się wolne, tworząc jony - nośniki ładunku dodatniego.
Dodatnie nośniki w półprzewodnikach nazywane są otworami.
Jeśli po prostu przeniesiesz energię na półprzewodnik, na przykład podgrzej go, rozpocznie się chaotyczny ruch nośników ładunku. Ale jeśli mówimy o elementach półprzewodnikowych, takich jak dioda lub tranzystor, to na przeciwległych końcach kryształu (osadza się na nich metalizowana warstwa i wnioski są lutowane), powstanie EMF, ale nie dotyczy to tematu dzisiejszego artykułu.
Jeśli podłączysz źródło emf do półprzewodnika, wówczas nośniki ładunku również wejdą w pasmo przewodzenia i rozpocznie się ich ruch kierunkowy - dziury przejdą na bok o niższym potencjale elektrycznym, a elektrony - na stronę o większym.
W próżni i gazie
Próżnia jest medium z całkowitym (idealnym przypadkiem) brakiem gazów lub jego ilością zminimalizowaną (w rzeczywistości). Ponieważ w próżni nie ma substancji, nie ma skąd wziąć przewoźników. Jednak przepływ prądu w próżni położył podwaliny pod elektronikę i całą erę elementów elektronicznych - elektrycznych lamp próżniowych.Były używane w pierwszej połowie ubiegłego wieku, aw latach 50. zaczęły stopniowo ustępować tranzystorom (w zależności od konkretnej dziedziny elektroniki).
Załóżmy, że mamy naczynie, z którego wypompowuje się cały gaz, tj. ma całkowitą próżnię. Dwie elektrody są umieszczone w naczyniu, nazwijmy je anodą i katodą. Jeśli połączymy ujemny potencjał źródła emf z katodą i dodatni potencjał z anodą, nic się nie wydarzy, a prąd nie będzie płynął. Ale jeśli zaczniemy nagrzewać katodę, prąd zacznie płynąć. Proces ten nazywa się emisją termionową - emisją elektronów z ogrzewanej powierzchni elektronu.
Rysunek pokazuje proces przepływu prądu w lampie próżniowej. W lampach próżniowych katodę ogrzewa pobliski żarnik w ryżu (H), na przykład w żarówce.
Co więcej, jeśli zmienisz biegunowość zasilacza - zastosujesz minus na anodzie i zastosujesz plus na katodzie - prąd nie będzie płynął. To udowodni, że prąd w próżni przepływa z powodu przemieszczania się elektronów z KATODY do ANODY.
Gaz, jak każda substancja, składa się z cząsteczek i atomów, co oznacza, że jeśli gaz znajduje się pod wpływem pola elektrycznego, to przy określonej sile (napięcie jonizacji) elektrony odrywają się od atomu, wówczas spełnione są oba warunki przepływu prądu elektrycznego - pole i wolne media.
Jak już wspomniano, proces ten nazywa się jonizacją. Może wystąpić nie tylko z przyłożonego napięcia, ale także podczas podgrzewania gazu, promieniowania rentgenowskiego, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego i innych rzeczy.
Prąd przepływa przez powietrze, nawet jeśli między elektrodami zainstalowany jest palnik.
Przepływowi prądu w gazach obojętnych towarzyszy luminescencja gazu, zjawisko to jest aktywnie wykorzystywane w lampach fluorescencyjnych. Przepływ prądu elektrycznego w ośrodku gazowym nazywa się wyładowaniem gazu.
W płynie
Załóżmy, że mamy naczynie z wodą, w którym umieszczone są dwie elektrody, do którego podłączone jest źródło zasilania. Jeśli woda jest destylowana, to znaczy czysta i nie zawiera zanieczyszczeń, to jest to dielektryk. Ale jeśli dodamy do wody odrobinę soli, kwasu siarkowego lub innej substancji, powstaje elektrolit i zacznie przez niego przepływać prąd.
Elektrolit jest substancją, która przewodzi prąd elektryczny w wyniku dysocjacji na jony.
Jeśli siarczan miedzi zostanie dodany do wody, wówczas warstwa miedzi osiądzie na jednej z elektrod (katodzie) - nazywa się to elektrolizą, co dowodzi, że prąd elektryczny w cieczy jest spowodowany ruchem jonów - dodatnich i ujemnych nośników ładunku.
Elektroliza to proces fizykochemiczny, który polega na oddzieleniu składników, które tworzą elektrolit na elektrodach.
Zatem powlekanie miedzi, złocenie i powlekanie innymi metalami.
Wniosek
Podsumowując, do przepływu prądu elektrycznego potrzebujemy darmowych nośników:
- elektrony w przewodnikach (metale) i próżni;
- elektrony i dziury w półprzewodnikach;
- jony (aniony i kationy) w cieczach i gazach.
Aby ruch tych nośników został uporządkowany, potrzebne jest pole elektryczne. Krótko mówiąc - przyłóż napięcie do końców korpusu lub zainstaluj dwie elektrody w medium, w którym ma płynąć prąd elektryczny.
Warto również zauważyć, że prąd w pewien sposób wpływa na substancję, istnieją trzy rodzaje narażenia:
- termiczny;
- chemiczny;
- fizyczny.
Na koniec zalecamy obejrzenie przydatnego filmu, w którym warunki istnienia i przepływu prądu elektrycznego są badane bardziej szczegółowo:
Przydatne w temacie:
Ładowanie...
