Vad är elektrisk ström och vilka är villkoren för dess existens
Definition
En elektrisk ström är riktningsrörelsen för laddningsbärare - detta är standardformuleringen från en fysikbok. I sin tur kallas vissa partiklar av ett ämne laddningsbärare. De kan vara:
- Elektroner är negativa laddningsbärare.
- Joner är positiva laddningsbärare.
Men var kommer laddningsföretag från? För att besvara denna fråga måste du komma ihåg grundläggande kunskaper om materiens struktur. Allt som omger oss är materia, det består av molekyler, dess minsta partiklar. Molekyler består av atomer. En atom består av en kärna runt vilken elektroner rör sig i givna banor. Molekyler rör sig också slumpmässigt. Rörelsen och strukturen för var och en av dessa partiklar beror på själva ämnet och miljöns påverkan på den, såsom temperatur, spänning och så vidare.
En jon är en atom där förhållandet mellan elektroner och protoner har förändrats. Om atomen initialt är neutral, delas jonerna i sin tur i:
- Anjoner är den positiva jonen från en atom som har förlorat elektroner.
- Katjoner är en atom med "extra" elektroner kopplade till atomen.
Aktuell enhet - Amp, enligt Ohms lag Det beräknas med formeln:
I = U / R,
där U är spänningen, [V], och R är motståndet, [Ohm].
Eller är direkt proportionell mot mängden överförd per tidsenhet:
I = Q / t,
där Q är laddningen, [C], t är tid, [s].
Villkor för elektrisk ström
Vad är den elektriska strömmen, tänkte vi ut, låt oss nu prata om hur man säkerställer flödet. För att strömmen ska strömma måste två villkor vara uppfyllda:
- Förekomsten av gratis laddningsföretag.
- Elektriskt fält.
Det första villkoret för förekomst och flöde av elektricitet beror på ämnet i vilket strömmen flyter (eller inte flyter), liksom dess tillstånd. Det andra villkoret är också uppfyllt: för förekomsten av ett elektriskt fält är det nödvändigt att det finns olika potentialer mellan vilka det finns ett medium där laddningsbärare kommer att flyta.
Återkallelse:Spänning, EMF är potentialskillnaden. Det följer att för att uppfylla villkoren för att det finns ström - närvaron av ett elektriskt fält och en elektrisk ström krävs spänning. Det kan vara plattor i en laddad kondensator, en galvanisk cell, en emk som har uppstått under påverkan av ett magnetfält (generator).
Hur det uppstår, tänkte vi ut, låt oss prata om vart det riktas.Strömmen, främst i vår vanliga användning, rör sig i ledare (elektriska ledningar i en lägenhet, glödlampor) eller i halvledare (lysdioder, din smarttelefons processor och annan elektronik), mindre ofta i gaser (lysrör).
Så i de flesta fall är huvudladdningsbärarna elektroner, de rör sig från minus (punkten med negativ potential) till plus (punkten med positiv potential, du kommer att lära dig mer om detta nedan).
Men ett intressant faktum är att strömriktningen ansågs vara rörelsen av positiva laddningar - från plus till minus. Även om allt faktiskt händer tvärtom. Faktum är att beslutet om strömriktningen fattades innan man studerade dess natur, liksom innan det bestämdes av vad strömmen flyter och existerar.
Elektrisk ström i olika miljöer
Vi har redan nämnt att i olika miljöer kan den elektriska strömmen skilja sig i typ av laddningsbärare. Media kan delas upp efter ledningsförmåga (i minskande konduktivitet):
- Ledare (metaller).
- Halvledare (kisel, germanium, galiumarsenid, etc.).
- Dielektrisk (vakuum, luft, destillerat vatten).
I metaller
I metaller finns det gratis laddningsbärare, de kallas ibland "elektrisk gas". Var kommer fritt laddningsföretag från? Faktum är att metall, som alla ämnen, består av atomer. Atomer flyttar eller svänger på ett eller annat sätt. Ju högre temperatur på metallen, desto starkare är denna rörelse. Samtidigt kvarstår själva atomerna i allmän form på sina platser och bildar faktiskt metallstrukturen.
I elektronens skal från en atom finns det vanligtvis flera elektroner i vilka bindningen med kärnan är ganska svag. Under påverkan av temperaturer, kemiska reaktioner och interaktion mellan föroreningar, som i alla fall är i metallen, bryts elektronerna bort från deras atomer, bildas positivt laddade joner. De lossna elektronerna kallas gratis och rör sig slumpmässigt.
Om de påverkas av ett elektriskt fält, till exempel om du ansluter ett batteri till ett metallstycke, kommer den slumpmässiga rörelsen av elektroner att ordnas. Elektroner från den punkt där den negativa potentialen är ansluten (katoden i en galvanisk cell, till exempel) kommer att börja röra sig till punkten med en positiv potential.
I halvledare
Halvledare är material där det i normalt tillstånd inte finns några gratis laddningsbärare. De befinner sig i den så kallade förbjudna zonen. Men om externa krafter, såsom ett elektriskt fält, värme, olika strålning (ljus, strålning etc.) appliceras övervinner de den förbjudna zonen och passerar in i den fria zonen eller ledningszonen. Elektroner bryter ifrån sina atomer och blir fria och bildar joner - positiva laddningsbärare.
Positiva bärare i halvledare kallas hål.
Om du helt enkelt överför energi till en halvledare, till exempel värmer den, kommer kaotisk rörelse av laddningsbärare att börja. Men om vi talar om halvledarelement, till exempel en diode eller en transistor, då i de motsatta ändarna av kristallen (ett metalliserat lager läggs på dem och slutsatserna är lödda) kommer en EMF att uppstå, men detta gäller inte ämnet för dagens artikel.
Om du fäster emk-källan till halvledaren, kommer laddningsbärarna också att gå in i ledningsbandet, och deras riktningsrörelse kommer att börja - hålen går till sidan med en lägre elektrisk potential, och elektronerna - till sidan med en större.
I vakuum och gas
Vakuum är ett medium med en fullständig (idealisk) frånvaro av gaser eller dess kvantitet minimerad (i verkligheten). Eftersom det inte finns något ämne i vakuum kan laddningsbärare inte tas med någonstans. Strömflödet i vakuum lagde dock grunden för elektronik och en hel era av elektroniska element - elektriska vakuumrör.De användes under första hälften av förra seklet, och på 50-talet började de gradvis vika för transistorer (beroende på det specifika fältet inom elektronik).
Anta att vi har ett fartyg från vilket all gas pumpas ut, d.v.s. den har ett fullständigt vakuum. Två elektroder placeras i kärlet, låt oss kalla dem anoden och katoden. Om vi ansluter emf-källans negativa potential till katoden och den positiva potentialen till anoden, kommer ingenting att hända och strömmen flyter inte. Men om vi börjar värma katoden kommer strömmen att börja flöda. Denna process kallas termionisk emission - emission av elektroner från en uppvärmd yta på en elektron.
Figuren visar processen för strömflöde i en vakuumlampa. I vakuumrör värms katoden av ett närliggande glödtråd i ris (H), såsom i en glödlampa.
Om du ändrar strömförsörjningens polaritet - applicera ett minus på anoden och tillämpa ett plus på katoden - kommer strömmen inte att flyta. Detta kommer att bevisa att strömmen i vakuum flyter på grund av förflyttning av elektroner från CATHODE till ANODE.
En gas, som alla ämnen, består av molekyler och atomer, vilket innebär att om gasen är under påverkan av ett elektriskt fält, då vid en viss styrka (joniseringsspänning) bryter elektronerna bort från atomen, då båda förhållandena i flödet av elektrisk ström uppfylls - fältet och gratis media.
Som redan nämnts kallas denna process jonisering. Det kan uppstå inte bara från den applicerade spänningen, utan också under gasuppvärmning, röntgenstrålning, under påverkan av ultraviolett strålning och andra saker.
Ström flyter genom luften även om en brännare är installerad mellan elektroderna.
Strömflödet i inerta gaser åtföljs av gasluminescens, detta fenomen används aktivt i lysrör. Flödet av elektrisk ström i ett gasformigt medium kallas en gasurladdning.
I vätska
Anta att vi har ett kärl med vatten i vilket två elektroder är placerade, till vilken en kraftkälla är ansluten. Om vattnet destilleras, det vill säga rent och inte innehåller föroreningar, är det ett dielektrikum. Men om vi lägger till lite salt, svavelsyra eller något annat ämne i vattnet, kommer en elektrolyt att bildas och en ström börjar strömma genom det.
En elektrolyt är ett ämne som leder en elektrisk ström på grund av dissociation till joner.
Om kopparsulfat läggs till vattnet, kommer ett kopparlager att sätta sig på en av elektroderna (katoden) - detta kallas elektrolys, vilket bevisar att den elektriska strömmen i vätskan beror på jons rörelse - positiva och negativa laddningsbärare.
Elektrolys är en fysisk-kemisk process som involverar separering av komponenter som utgör en elektrolyt på elektroder.
Således kopparplätering, förgyllning och beläggning med andra metaller.
Slutsats
För att sammanfatta, för flödet av elektrisk ström behöver vi gratis laddningsbärare:
- elektroner i ledare (metaller) och vakuum;
- elektroner och hål i halvledare;
- joner (anjoner och katjoner) i vätskor och gaser.
För att dessa transportörer ska kunna beställas behövs ett elektriskt fält. Med enkla ord - applicera spänning i kroppens ändar eller installera två elektroder i ett medium där en elektrisk ström är tänkt att flöda.
Det är också värt att notera att strömmen på ett visst sätt påverkar ämnet, det finns tre typer av exponering:
- termisk;
- kemisk;
- fysisk.
Slutligen rekommenderar vi att du tittar på en användbar video där villkoren för existens och flöde av elektrisk ström undersöks mer i detalj:
Användbart i ämnet:
Läser in...
