Hvis et medium indeholder frie ladningsbærere (f.eks. elektroner i et metal), er de ikke i hvile, men bevæger sig kaotisk. Men det er muligt at få elektronerne til at bevæge sig ordenligt i en bestemt retning. Denne retningsbestemte bevægelse af ladede partikler kaldes elektrisk strøm.
Indhold
Hvordan en elektrisk strøm opstår
Hvis vi tager to ledere, og den ene er negativt ladet (der tilføres elektroner til den), og den anden er positivt ladet (der fjernes nogle elektroner fra den), opstår der et elektrisk felt. Hvis du forbinder begge elektroder med en leder, vil feltet få elektronerne til at bevæge sig i modsat retning af den elektriske feltstyrkevektor, i overensstemmelse med den elektriske kraftvektors retning. De negativt ladede partikler vil bevæge sig fra elektroden, hvor de er i overskud, til elektroden, hvor de er i underskud.
Det er ikke nødvendigt at give den anden elektrode en positiv ladning, for at der kan ske en elektronbevægelse. Det vigtigste er, at den første elektrodes negative ladning skal være højere. Det er endda muligt at lade begge ledere negativt op, men den ene leder skal have en større ladning end den anden. I dette tilfælde siger man, at en potentialforskel forårsager en elektrisk strøm.
Det svarer til analogien med vand - hvis du forbinder to beholdere fyldt med vand på forskellige niveauer, vil der være en vandstrøm. Dens hoved vil afhænge af niveauforskellen.
Det er interessant, at elektronernes kaotiske bevægelse under påvirkning af det elektriske felt generelt bevares, men at den overordnede bevægelsesvektor for ladningsbærernes masse får en retningsbestemt karakter. Mens den "kaotiske" bevægelseskomponent har en hastighed på flere ti eller endog hundredvis af kilometer i sekundet, har den retningsbestemte komponent en hastighed på flere millimeter i minuttet. Men stødet (når elektronerne langs lederens længde kommer i bevægelse) forplanter sig med lysets hastighed, så en elektrisk strøm siges at bevæge sig med en hastighed på 3*108 m/sek.
I ovenstående forsøg vil strømmen i lederen eksistere i kort tid, indtil den negativt ladede leder løber tør for overskydende elektroner og udligner antallet af elektroner på begge poler. Denne tid er kort - en lille brøkdel af et sekund.
At flytte tilbage til den oprindeligt negativt ladede elektrode og skabe en overskudsladning af ladningsbærerne forhindres af det samme elektriske felt, som flyttede elektronerne fra minus- til plus-elektroden. Derfor må der være en ydre kraft, der virker imod og er større end det elektriske felt. I analogi med vand skal der være en pumpe, der pumper vandet tilbage op til det øverste niveau for at skabe en kontinuerlig strøm af vand.
Retning af strømmen
Strømmens retning antages at være fra plus til minus, dvs. at de positivt ladede partiklers retning er modsat elektronernes retning. Det skyldes, at fænomenet elektrisk strøm blev opdaget meget tidligere, end dets natur blev forklaret, og man troede, at strømmen flyder i denne retning. På det tidspunkt var der allerede en masse artikler og anden litteratur om emnet, og der var opstået begreber, definitioner og love. For at undgå at gennemgå den store mængde af allerede offentliggjort materiale har vi blot taget strømmenes retning imod elektronernes strømning.
Hvis en strøm løber i samme retning hele tiden (selv om den varierer i styrke), kaldes den konstant strøm. Hvis den skifter retning, kaldes den vekselstrøm. I praktisk anvendelse ændres retningen i henhold til en lov, f.eks. en sinusformet lov. Hvis strømmen forbliver uændret i samme retning, men strømmen periodisk falder til nul og stiger til sin maksimale værdi, er der tale om pulserende strøm (af forskellig form).
Forudsætninger for at opretholde elektrisk strøm i et kredsløb
De tre betingelser for eksistensen af elektrisk strøm i et lukket kredsløb er blevet udledt ovenfor. De skal undersøges i detaljer.
Gratis fragtmænd
Den første nødvendige betingelse for eksistensen af en elektrisk strøm er, at der findes frie ladningsbærere. Ladninger eksisterer ikke adskilt fra deres bærere, så vi må overveje partikler, der kan bære en ladning.
I metaller og andre stoffer med en lignende ledningsevne (grafit osv.) er disse frie elektroner. De interagerer svagt med atomkernen og kan forlade atomet og bevæge sig relativt frit i lederen.
Frie elektroner fungerer også som ladningsbærere i halvledere, men i nogle tilfælde taler vi om "hul"-ledningsevne i denne klasse af faste stoffer (i modsætning til "elektron"-ledningsevne). Dette begreb er kun nødvendigt for at beskrive fysiske processer; faktisk er strømmen i halvledere stadig den samme bevægelse af elektroner. Materialer, hvor elektronerne ikke kan forlade atomet, er dielektriske stoffer. Der genereres ingen strøm i dem.
I væsker bærer positive og negative ioner en ladning. Det betyder væsker, som er elektrolytter. F.eks. vand, hvori der er opløst salt. Vand i sig selv er elektrisk set ret neutralt, men når det kommer i vandet, opløses og dissocieres (opløses) faste stoffer og væsker og danner positive og negative ioner. Og i smeltede metaller (f.eks. kviksølv) er det de samme elektroner, der er ladningsbærere.
Gasser er dybest set dielektriske stoffer. Der er ingen frie elektroner i dem - gasser består af neutrale atomer og molekyler. Men hvis gassen er ioniseret, kan man sige, at den fjerde samlede stoftilstand er plasma. Elektrisk strøm kan også flyde i den; den opstår på grund af elektroners og ioners retningsbestemte bevægelse.
Strøm kan også flyde i vakuum (dette er det princip, som f.eks. elektronrør er baseret på). Dette kræver elektroner eller ioner.
Elektrisk felt
På trods af tilstedeværelsen af frie ladningsbærere er de fleste miljøer elektrisk neutrale. Det skyldes, at de negative (elektroner) og positive (protoner) partikler er jævnt fordelt, og at deres felter ophæver hinanden. For at der kan opstå et felt, skal ladningerne koncentreres i et område. Hvis elektronerne er koncentreret i området omkring en (negativ) elektrode, vil den modsatte (positive) elektrode mangle dem, og der opstår et felt, som skaber en kraft, der virker på ladningsbærerne og tvinger dem til at bevæge sig.
En tredje kraft til at overføre afgifterne
Og den tredje betingelse - der skal være en kraft, som overfører ladningerne i den retning, der er modsat den retning, som det elektrostatiske felt har, ellers vil ladningerne i det lukkede system hurtigt blive afbalanceret. Denne ydre kraft kaldes den elektromotoriske kraft. Dens oprindelse kan være forskellig.
Elektrokemisk i naturen
I dette tilfælde er EMF et resultat af elektrokemiske reaktioner. Reaktionerne kan være irreversible. Det velkendte batteri er et eksempel på en galvanisk celle. Når reagenserne er opbrugt, reduceres EMF'en til nul, og batteriet "slukker".
I andre tilfælde kan reaktionerne være reversible. I et batteri opstår der f.eks. også EMF som følge af elektrokemiske reaktioner. Men når de er afsluttet, kan processen genoptages - under påvirkning af en ekstern elektrisk strøm vil reaktionerne vende om, og batteriet vil være klar til at afgive strøm igen.
Solcelleanlæg i naturen
I dette tilfælde skyldes EMF påvirkningen fra synlig, ultraviolet eller infrarød stråling på processerne i halvlederstrukturer. Sådanne kræfter forekommer i solceller ("solceller"). Lys får en elektrisk strøm til at strømme i et eksternt kredsløb.
Termoelektrisk natur
Hvis du tager to uensartede ledere, lodder dem sammen og opvarmer forbindelsen, vil der opstå en EMF i kredsløbet på grund af temperaturforskellen mellem den varme forbindelse (ledernes kryds) og den kolde forbindelse - ledernes modsatte ender. På denne måde kan du ikke kun generere strøm, men også måle temperaturen ved at måle den opståede EMF.
Piezoelektrisk karakter
Opstår, når visse faste stoffer presses eller deformeres. Den elektriske lighter fungerer efter dette princip.
Elektromagnetisk karakter
Den mest almindelige måde at producere elektricitet på industrielt er med en jævn- eller vekselstrømsgenerator. I en jævnstrømsmaskine roterer en anker i form af en ramme i et magnetfelt, der krydser sine kraftlinjer. Dette skaber en EMF, som afhænger af rotorens hastighed og den magnetiske flux. I praksis anvendes en armatur, der består af et stort antal spoler, som danner mange rammer, der er forbundet i serie. De resulterende EMF'er lægges sammen.
В generator Det samme princip anvendes, men en magnet (elektrisk eller permanent) roterer inden for en stationær ramme. De samme processer resulterer også i en EMF i statoren. EMFsom har en sinusform. Generering af vekselstrøm anvendes næsten altid industrielt - det er lettere at konvertere den til transport og praktiske formål.
En interessant egenskab ved en generator er, at den er reversibel. Hvis der påføres spænding på generatorens terminaler fra en ekstern kilde, begynder rotoren at rotere. Det betyder, at en elektrisk maskine afhængigt af tilslutningsdiagrammet kan være enten en generator eller en elektrisk motor.
Dette er blot de grundlæggende begreber om fænomenet elektrisk strøm. I virkeligheden er de processer, der er involveret i elektronernes retningsbestemte bevægelse, meget mere komplekse. For at forstå dem ville det kræve et dybere studium af elektrodynamikken.
Relaterede artikler:
