Pokud prostředí obsahuje volné nosiče náboje (např. elektrony v kovu), nejsou v klidu, ale pohybují se chaoticky. Je však možné přimět elektrony, aby se pohybovaly uspořádaně v daném směru. Tento směrový pohyb nabitých částic se nazývá elektrický proud.
Obsah
Jak vzniká elektrický proud
Vezmeme-li dva vodiče a jeden z nich je záporně nabitý (přidáváme do něj elektrony) a druhý je kladně nabitý (odebíráme z něj elektrony), vznikne elektrické pole. Spojíte-li obě elektrody s vodičem, bude pole nutit elektrony pohybovat se ve směru opačném, než je směr vektoru intenzity elektrického pole, podle směru vektoru elektrické síly. Záporně nabité částice se přesunou z elektrody, kde je jich přebytek, na elektrodu, kde je jich nedostatek.
Pro pohyb elektronů není nutné, aby druhá elektroda měla kladný náboj. Hlavní je, že záporný náboj první elektrody musí být vyšší. Dokonce je možné nabít oba vodiče záporně, ale jeden vodič musí mít větší náboj než druhý. V tomto případě se říká, že rozdíl potenciálů způsobuje elektrický proud.
Podobně jako u analogie s vodou - pokud spojíte dvě nádoby naplněné vodou do různých úrovní, bude voda proudit. Jeho hlava bude záviset na rozdílu úrovní.
Je zajímavé, že chaotický pohyb elektronů pod vlivem elektrického pole je obecně zachován, ale celkový vektor pohybu hmoty nosičů náboje získává směrový charakter. Zatímco "chaotická" složka pohybu má rychlost několika desítek nebo dokonce stovek kilometrů za sekundu, směrová složka má rychlost několika milimetrů za minutu. Ale náraz (když se elektrony po délce vodiče dají do pohybu) se šíří rychlostí světla, takže se říká, že elektrický proud se pohybuje rychlostí 3*108 m/s.
Ve výše uvedeném experimentu bude proud ve vodiči existovat krátkou dobu, dokud záporně nabitý vodič nevyčerpá přebytečné elektrony a nevyrovná počet elektronů na obou pólech. Tento čas je krátký - nepatrný zlomek sekundy.
Přesunu zpět k původně záporně nabité elektrodě a vytvoření přebytečného náboje nosičů brání stejné elektrické pole, které přesunulo elektrony z mínusu do plusu. Proto musí existovat vnější síla, která působí proti elektrickému poli a je mu nadřazená. V analogii s vodou musí existovat čerpadlo, které čerpá vodu zpět do horní hladiny, aby se vytvořil nepřetržitý tok vody.
Směr proudu
Směr proudu se bere od plusu k mínusu, tj. směr kladně nabitých částic je opačný než směr elektronů. Je to dáno tím, že jev elektrického proudu byl objeven mnohem dříve, než byla vysvětlena jeho podstata, a věřilo se, že proud teče tímto směrem. Do té doby se nahromadilo mnoho článků a další literatury na toto téma a vznikly pojmy, definice a zákony. Abychom nemuseli procházet obrovské množství již publikovaného materiálu, jednoduše jsme vzali směr proudu proti toku elektronů.
Pokud proud teče stále stejným směrem (i když se jeho síla mění), nazývá se to konstantní proud. Pokud se mění jeho směr, nazývá se střídavý proud. V praxi se směr mění podle nějakého zákona, např. sinusového. Pokud se směr toku proudu nemění, ale proud periodicky klesá na nulu a stoupá na maximální hodnotu, hovoříme o pulzním proudu (různých tvarů).
Předpoklady pro udržení elektrického proudu v obvodu
Výše byly odvozeny tři podmínky pro existenci elektrického proudu v uzavřeném obvodu. Je třeba je podrobně prozkoumat.
Bezplatné nosiče poplatků
První nutnou podmínkou existence elektrického proudu je existence volných nosičů náboje. Náboje neexistují odděleně od svých nosičů, takže musíme uvažovat částice, které mohou nést náboj.
V kovech a jiných látkách s podobným typem vodivosti (grafit apod.) jsou to volné elektrony. S jádrem interagují slabě a mohou atom opustit a relativně volně se pohybovat uvnitř vodiče.
Také volné elektrony slouží jako nosiče náboje v polovodičích, ale v některých případech se v této třídě pevných látek hovoří o "děrové" vodivosti (na rozdíl od "elektronové"). Tento pojem je nutný pouze pro popis fyzikálních procesů; proud v polovodičích je ve skutečnosti stále stejný pohyb elektronů. Materiály, ve kterých elektrony nemohou opustit atom, jsou dielektrika. Nevzniká v nich žádný proud.
V kapalinách nesou kladné a záporné ionty náboj. To znamená tekutiny, které jsou elektrolyty. Například voda, ve které je rozpuštěna sůl. Voda sama o sobě je elektricky zcela neutrální, ale když se do ní dostanou pevné a kapalné látky, rozpouští se a disociují (rozpadají se) za vzniku kladných a záporných iontů. A v roztavených kovech (např. rtuti) jsou nositeli náboje tytéž elektrony.
Plyny jsou v podstatě dielektrika. Nejsou v nich žádné volné elektrony - plyny se skládají z neutrálních atomů a molekul. Pokud je však plyn ionizovaný, hovoří se o čtvrtém skupenství hmoty, o plazmatu. Může v něm také protékat elektrický proud, který vzniká směrovým pohybem elektronů a iontů.
Proud může protékat i ve vakuu (na tomto principu jsou založeny např. elektronky). K tomu jsou zapotřebí elektrony nebo ionty.
Elektrické pole
Navzdory přítomnosti volných nosičů náboje je většina prostředí elektricky neutrální. Je to proto, že záporné (elektrony) a kladné (protony) částice jsou rovnoměrně rozmístěny a jejich pole se vzájemně ruší. Aby vzniklo pole, musí se náboje soustředit v určité oblasti. Pokud se elektrony soustředí v oblasti jedné (záporné) elektrody, na protější (kladné) elektrodě jich bude nedostatek a vznikne pole, které působí na nosiče náboje a nutí je k pohybu.
Třetí síla pro přenos náloží
A třetí podmínka - musí existovat síla, která přenáší náboje ve směru opačném, než je směr elektrostatického pole, jinak se náboje uvnitř uzavřené soustavy rychle vyrovnají. Tato vnější síla se nazývá elektromotorická síla. Její původ může být jiný.
Elektrochemická povaha
V tomto případě je EMP výsledkem elektrochemických reakcí. Reakce mohou být nevratné. Známá baterie je příkladem galvanického článku. Po vyčerpání činidel se EMP sníží na nulu a baterie se "vypne".
V ostatních případech mohou být reakce vratné. Například v baterii vzniká EMP také v důsledku elektrochemických reakcí. Po jejich ukončení však lze proces obnovit - pod vlivem vnějšího elektrického proudu se reakce obrátí a baterie je připravena opět vydávat proud.
Fotovoltaika v přírodě
V tomto případě je EMP způsobeno vlivem viditelného, ultrafialového nebo infračerveného záření na procesy v polovodičových strukturách. Takové síly se vyskytují ve fotovoltaických článcích ("solárních článcích"). Světlo způsobuje tok elektrického proudu ve vnějším obvodu.
Termoelektrická povaha
Vezmeme-li dva různorodé vodiče, připájíme je k sobě a zahřejeme spoj, vznikne v obvodu EMP v důsledku rozdílu teplot mezi horkým spojem (spojením vodičů) a studeným spojem - opačnými konci vodičů. Tímto způsobem můžete nejen generovat proud, ale také měření teploty měřením vznikajícího EMP.
Piezoelektrická povaha
Vzniká při stlačení nebo deformaci některých pevných látek. Na tomto principu funguje elektrický zapalovač.
Elektromagnetická povaha
Nejběžnějším způsobem průmyslové výroby elektřiny je stejnosměrný nebo střídavý generátor. Ve stejnosměrném stroji se kotva ve tvaru rámu otáčí v magnetickém poli a protíná jeho siločáry. Vzniká EMP, které závisí na otáčkách rotoru a magnetickém toku. V praxi se používá kotva složená z velkého počtu cívek, které tvoří mnoho sériově zapojených rámů. Výsledné EMF se sečtou.
В alternátor je použit stejný princip, ale magnet (elektrický nebo permanentní) se otáčí uvnitř stacionárního rámu. Stejné procesy mají za následek také vznik EMP ve statoru. EMPkterá má sinusový tvar. Výroba střídavého proudu se téměř vždy používá průmyslově - je snazší jej převést pro dopravní a praktické účely.
Zajímavou vlastností alternátoru je, že je reverzibilní. Pokud se na svorky alternátoru přivede napětí z vnějšího zdroje, začne se otáčet jeho rotor. To znamená, že v závislosti na schématu zapojení může být elektrický stroj buď generátorem, nebo elektromotorem.
To jsou jen základní pojmy jevu elektrického proudu. Ve skutečnosti jsou procesy spojené se směrovým pohybem elektronů mnohem složitější. Jejich pochopení by vyžadovalo hlubší studium elektrodynamiky.
Související články:
