Enthält ein Medium freie Ladungsträger (z. B. Elektronen in einem Metall), so befinden sich diese nicht in Ruhe, sondern bewegen sich chaotisch. Es ist jedoch möglich, die Elektronen in eine bestimmte Richtung zu lenken. Diese gerichtete Bewegung von geladenen Teilchen wird als elektrischer Strom bezeichnet.
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Wie ein elektrischer Strom erzeugt wird
Nimmt man zwei Leiter, von denen einer negativ geladen ist (indem man ihm Elektronen hinzufügt) und der andere positiv geladen ist (indem man ihm einige Elektronen entzieht), so entsteht ein elektrisches Feld. Verbindet man die beiden Elektroden mit einem Leiter, so bewegt das Feld die Elektronen in die Richtung, die der Richtung des Vektors der elektrischen Feldstärke entgegengesetzt ist, entsprechend der Richtung des Vektors der elektrischen Kraft. Die negativ geladenen Teilchen bewegen sich von der Elektrode, wo sie im Überschuss vorhanden sind, zu der Elektrode, wo sie im Mangel sind.
Es ist nicht notwendig, die zweite Elektrode positiv aufzuladen, damit die Bewegung der Elektronen stattfinden kann. Die Hauptsache ist, dass die negative Ladung der ersten Elektrode höher sein muss. Es ist sogar möglich, beide Leiter negativ aufzuladen, aber ein Leiter muss eine größere Ladung haben als der andere. In diesem Fall spricht man von einer Potentialdifferenz, die einen elektrischen Strom verursacht.
Ähnlich wie beim Wasser - wenn man zwei mit Wasser gefüllte Gefäße auf verschiedenen Ebenen miteinander verbindet, entsteht ein Wasserfluss. Seine Höhe hängt von der Differenz der Pegel ab.
Interessant ist, dass die chaotische Bewegung der Elektronen unter der Einwirkung des elektrischen Feldes im Allgemeinen erhalten bleibt, der Gesamtbewegungsvektor der Masse der Ladungsträger jedoch einen gerichteten Charakter annimmt. Während die "chaotische" Bewegungskomponente eine Geschwindigkeit von mehreren Dutzend oder sogar Hunderten von Kilometern pro Sekunde hat, beträgt die Geschwindigkeit der gerichteten Komponente einige Millimeter pro Minute. Aber der Stoß (wenn die Elektronen entlang des Leiters in Bewegung geraten) breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, so dass man sagt, dass sich ein elektrischer Strom mit der Geschwindigkeit von 3*108 m/sec.
Im obigen Experiment wird der Strom im Leiter für kurze Zeit fließen, bis der negativ geladene Leiter keine überschüssigen Elektronen mehr hat und sich die Anzahl der Elektronen an beiden Polen ausgleicht. Diese Zeit ist kurz - ein winziger Bruchteil einer Sekunde.
Die Rückkehr zur ursprünglich negativ geladenen Elektrode und die Entstehung einer Überladung der Ladungsträger wird durch dasselbe elektrische Feld verhindert, das die Elektronen vom Minus zum Plus bewegt hat. Es muss also eine äußere Kraft vorhanden sein, die dem elektrischen Feld entgegenwirkt und es übertrifft. In der Analogie zum Wasser muss es eine Pumpe geben, die das Wasser wieder nach oben pumpt, um einen kontinuierlichen Wasserfluss zu erzeugen.
Richtung des Stroms
Die Stromrichtung wird von Plus nach Minus angenommen, d. h. die Richtung der positiv geladenen Teilchen ist der der Elektronen entgegengesetzt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Phänomen des elektrischen Stroms viel früher entdeckt wurde, als seine Natur erklärt wurde, und man glaubte, dass der Strom in diese Richtung fließt. Zu diesem Zeitpunkt hatten sich bereits zahlreiche Artikel und andere Literatur zu diesem Thema angesammelt, und es waren Konzepte, Definitionen und Gesetze entstanden. Um zu vermeiden, dass wir die riesige Menge an bereits veröffentlichtem Material durchsehen, haben wir einfach die Richtung des Stroms gegen den Fluss der Elektronen genommen.
Wenn ein Strom immer in die gleiche Richtung fließt (auch wenn er unterschiedlich stark ist), nennt man ihn Konstantstrom. Ändert sich seine Richtung, spricht man von Wechselstrom. In der praktischen Anwendung ändert sich die Richtung nach einem Gesetz, z. B. einem sinusförmigen Gesetz. Bleibt die Richtung des Stromflusses unverändert, fällt der Strom jedoch periodisch auf Null und steigt dann auf seinen Höchstwert an, so handelt es sich um einen gepulsten Strom (in verschiedenen Formen).
Voraussetzungen für die Aufrechterhaltung des elektrischen Stroms in einem Stromkreis
Die drei Bedingungen für das Vorhandensein von elektrischem Strom in einem geschlossenen Stromkreis wurden oben abgeleitet. Sie müssen eingehend geprüft werden.
Kostenlose Ladungsträger
Die erste notwendige Bedingung für das Vorhandensein eines elektrischen Stroms ist das Vorhandensein von freien Ladungsträgern. Da Ladungen nicht getrennt von ihren Trägern existieren, müssen wir Teilchen betrachten, die eine Ladung tragen können.
Bei Metallen und anderen Stoffen mit ähnlicher Leitfähigkeit (Graphit usw.) handelt es sich um freie Elektronen. Sie wechselwirken nur schwach mit dem Kern und können das Atom verlassen und sich relativ frei im Leiter bewegen.
Auch freie Elektronen dienen als Ladungsträger in Halbleitern, aber in einigen Fällen spricht man bei dieser Klasse von Festkörpern von "Loch"-Leitfähigkeit (im Gegensatz zu "Elektron"). Dieses Konzept wird nur benötigt, um physikalische Prozesse zu beschreiben; in der Tat ist der Strom in Halbleitern immer noch die gleiche Bewegung von Elektronen. Materialien, bei denen die Elektronen das Atom nicht verlassen können, sind Dielektrika. In ihnen wird kein Strom erzeugt.
In Flüssigkeiten tragen positive und negative Ionen eine Ladung. Das bedeutet Flüssigkeiten, die Elektrolyte sind. Zum Beispiel Wasser, in dem Salz aufgelöst ist. Wasser selbst ist elektrisch recht neutral, aber wenn es in das Wasser gelangt, lösen sich Feststoffe und Flüssigkeiten auf und dissoziieren (zerfallen) und bilden positive und negative Ionen. Und in geschmolzenen Metallen (z. B. Quecksilber) sind die gleichen Elektronen die Ladungsträger.
Gase sind im Grunde genommen Dielektrika. In ihnen gibt es keine freien Elektronen - Gase bestehen aus neutralen Atomen und Molekülen. Wenn das Gas jedoch ionisiert ist, spricht man von einem vierten Aggregatzustand der Materie, dem Plasma. Auch elektrischer Strom kann darin fließen; er entsteht durch die gerichtete Bewegung von Elektronen und Ionen.
Strom kann auch im Vakuum fließen (auf diesem Prinzip beruhen z. B. Elektronenröhren). Dazu werden Elektronen oder Ionen benötigt.
Elektrisches Feld
Trotz der Anwesenheit von freien Ladungsträgern sind die meisten Umgebungen elektrisch neutral. Das liegt daran, dass die negativen (Elektronen) und positiven (Protonen) Teilchen gleichmäßig verteilt sind und sich ihre Felder gegenseitig aufheben. Damit ein Feld entstehen kann, müssen sich die Ladungen in einem Bereich konzentrieren. Wenn sich Elektronen im Bereich einer (negativen) Elektrode konzentrieren, fehlen sie der gegenüberliegenden (positiven) Elektrode und es entsteht ein Feld, das eine Kraft erzeugt, die auf die Ladungsträger wirkt und sie zur Bewegung zwingt.
Eine dritte Kraft zur Übertragung der Ladungen
Und die dritte Bedingung - es muss eine Kraft vorhanden sein, die die Ladungen in die Richtung überträgt, die der Richtung des elektrostatischen Feldes entgegengesetzt ist, da sich sonst die Ladungen innerhalb des geschlossenen Systems schnell ausgleichen. Diese äußere Kraft wird als elektromotorische Kraft bezeichnet. Ihr Ursprung kann ein anderer sein.
Elektrochemische Eigenschaften
In diesem Fall entstehen EMF durch elektrochemische Reaktionen. Die Reaktionen können irreversibel sein. Die bekannte Batterie ist ein Beispiel für eine galvanische Zelle. Wenn die Reagenzien aufgebraucht sind, sinkt der EMF auf Null und die Batterie schaltet sich ab".
In anderen Fällen können die Reaktionen reversibel sein. In einer Batterie zum Beispiel entstehen EMF auch durch elektrochemische Reaktionen. Wenn sie jedoch abgeschlossen sind, kann der Prozess wieder aufgenommen werden - unter dem Einfluss eines externen elektrischen Stroms kehren die Reaktionen um und die Batterie ist wieder bereit, Strom abzugeben.
Fotovoltaik in der Natur
In diesem Fall werden EMF durch den Einfluss von sichtbarer, ultravioletter oder infraroter Strahlung auf die Prozesse in Halbleiterstrukturen verursacht. Solche Kräfte treten in photovoltaischen Zellen ("Solarzellen") auf. Licht bewirkt, dass in einem externen Stromkreis ein elektrischer Strom fließt.
Thermoelektrische Natur
Wenn man zwei ungleiche Leiter nimmt, sie zusammenlötet und die Verbindungsstelle erhitzt, entsteht in dem Stromkreis eine EMK aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen der heißen Verbindungsstelle (der Verbindungsstelle der Leiter) und der kalten Verbindungsstelle - den gegenüberliegenden Enden der Leiter. Auf diese Weise können Sie nicht nur Strom erzeugen, sondern auch die Temperatur messen durch Messung des entstehenden EMF.
Piezoelektrische Natur
Entsteht, wenn bestimmte Feststoffe gepresst oder verformt werden. Das elektrische Feuerzeug funktioniert nach diesem Prinzip.
Elektromagnetische Natur
Die gängigste Art der industriellen Stromerzeugung ist ein Gleich- oder Wechselstromgenerator. Bei einer Gleichstrommaschine dreht sich ein Anker in Form eines Rahmens in einem Magnetfeld, dessen Kraftlinien er kreuzt. Dadurch entsteht eine EMK, die von der Rotordrehzahl und dem magnetischen Fluss abhängt. In der Praxis wird ein Anker verwendet, der aus einer großen Anzahl von Spulen besteht, die viele in Reihe geschaltete Rahmen bilden. Die daraus resultierenden EMF werden addiert.
В Lichtmaschine Das Prinzip ist dasselbe, aber ein Magnet (elektrisch oder permanent) rotiert in einem festen Rahmen. Die gleichen Vorgänge führen auch zu einer EMK im Stator. EMFdie eine sinusförmige Form hat. Die Erzeugung von Wechselstrom wird fast immer industriell genutzt - es ist einfacher, ihn für den Verkehr und praktische Zwecke umzuwandeln.
Eine interessante Eigenschaft eines Generators ist, dass er reversibel ist. Wird an die Klemmen des Generators von außen eine Spannung angelegt, beginnt sich der Rotor zu drehen. Das bedeutet, dass eine elektrische Maschine je nach Anschlussplan entweder ein Generator oder ein Elektromotor sein kann.
Dies sind nur die Grundbegriffe des Phänomens des elektrischen Stroms. In Wirklichkeit sind die Prozesse, die an der gerichteten Bewegung der Elektronen beteiligt sind, viel komplexer. Um sie zu verstehen, müsste man sich eingehender mit der Elektrodynamik befassen.
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