Εάν ένα μέσο περιέχει ελεύθερους φορείς φορτίου (π.χ. ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο), αυτοί δεν βρίσκονται σε ηρεμία, αλλά κινούνται χαοτικά. Είναι όμως δυνατό να κάνετε τα ηλεκτρόνια να κινούνται με τάξη προς μια δεδομένη κατεύθυνση. Αυτή η κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα.
Περιεχόμενα
Πώς δημιουργείται ένα ηλεκτρικό ρεύμα
Αν πάρουμε δύο αγωγούς και ο ένας από αυτούς είναι αρνητικά φορτισμένος (προσθέτοντας ηλεκτρόνια σε αυτόν) και ο άλλος είναι θετικά φορτισμένος (αφαιρώντας κάποια ηλεκτρόνια από αυτόν), θα δημιουργηθεί ηλεκτρικό πεδίο. Αν συνδέσετε και τα δύο ηλεκτρόδια με έναν αγωγό, το πεδίο θα κάνει τα ηλεκτρόνια να κινηθούν προς την κατεύθυνση που είναι αντίθετη από τη διεύθυνση του διανύσματος της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, σύμφωνα με τη διεύθυνση του διανύσματος της ηλεκτρικής δύναμης. Τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια θα μετακινηθούν από το ηλεκτρόδιο, όπου βρίσκονται σε περίσσεια, προς το ηλεκτρόδιο, όπου βρίσκονται σε έλλειψη.
Δεν είναι απαραίτητο να δοθεί στο δεύτερο ηλεκτρόδιο θετικό φορτίο για να συμβεί η μετακίνηση των ηλεκτρονίων. Το κυριότερο είναι ότι το αρνητικό φορτίο του πρώτου ηλεκτροδίου πρέπει να είναι υψηλότερο. Είναι ακόμη δυνατό να φορτιστούν και οι δύο αγωγοί αρνητικά, αλλά ο ένας αγωγός πρέπει να έχει φορτίο μεγαλύτερο από τον άλλο. Σε αυτή την περίπτωση, μια διαφορά δυναμικού λέγεται ότι προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα.
Παρόμοια με την αναλογία του νερού - αν συνδέσετε δύο δοχεία γεμάτα με νερό σε διαφορετικά επίπεδα, θα υπάρξει ροή νερού. Η κεφαλή του εξαρτάται από τη διαφορά των επιπέδων.
Είναι ενδιαφέρον ότι η χαοτική κίνηση των ηλεκτρονίων υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου διατηρείται γενικά, αλλά το συνολικό διάνυσμα κίνησης της μάζας των φορέων φορτίου αποκτά κατευθυντικό χαρακτήρα. Ενώ η "χαοτική" συνιστώσα της κίνησης έχει ταχύτητα μερικών δεκάδων ή και εκατοντάδων χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο, η κατευθυντική συνιστώσα έχει ταχύτητα μερικών χιλιοστών ανά λεπτό. Αλλά η κρούση (όταν τα ηλεκτρόνια κατά μήκος του αγωγού έρχονται σε κίνηση) διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός, οπότε ένα ηλεκτρικό ρεύμα λέγεται ότι κινείται με ταχύτητα 3*108 m/sec.
Στο παραπάνω πείραμα, το ρεύμα στον αγωγό θα υπάρχει για σύντομο χρονικό διάστημα, έως ότου ο αρνητικά φορτισμένος αγωγός εξαντλήσει τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια και εξισορροπήσει τον αριθμό των ηλεκτρονίων και στους δύο πόλους. Ο χρόνος αυτός είναι σύντομος - ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου.
Η επιστροφή στο αρχικά αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο και η δημιουργία πλεονάζοντος φορτίου στους φορείς εμποδίζεται από το ίδιο ηλεκτρικό πεδίο που μετακίνησε τα ηλεκτρόνια από το μείον στο συν. Επομένως, πρέπει να υπάρχει μια εξωτερική δύναμη που δρα ενάντια και ανώτερη από εκείνη του ηλεκτρικού πεδίου. Στην αναλογία του νερού, πρέπει να υπάρχει μια αντλία που να αντλεί το νερό προς τα πάνω, ώστε να δημιουργείται μια συνεχής ροή νερού.
Κατεύθυνση του ρεύματος
Η κατεύθυνση του ρεύματος λαμβάνεται από το συν προς το πλην, δηλαδή η κατεύθυνση των θετικά φορτισμένων σωματιδίων είναι αντίθετη από εκείνη των ηλεκτρονίων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το φαινόμενο του ηλεκτρικού ρεύματος ανακαλύφθηκε πολύ νωρίτερα από ό,τι εξηγήθηκε η φύση του και θεωρήθηκε ότι το ρεύμα ρέει προς αυτή την κατεύθυνση. Μέχρι τότε είχαν συγκεντρωθεί πολλά άρθρα και άλλη βιβλιογραφία για το θέμα και είχαν προκύψει έννοιες, ορισμοί και νόμοι. Για να αποφύγουμε την ανασκόπηση του τεράστιου όγκου του ήδη δημοσιευμένου υλικού, απλά πήραμε την κατεύθυνση του ρεύματος ενάντια στη ροή των ηλεκτρονίων.
Αν ένα ρεύμα ρέει συνεχώς προς την ίδια κατεύθυνση (ακόμη και αν η ένταση του ποικίλλει) ονομάζεται σταθερό ρεύμα. Εάν η κατεύθυνσή του αλλάζει, ονομάζεται εναλλασσόμενο ρεύμα. Στην πρακτική εφαρμογή, η κατεύθυνση αλλάζει σύμφωνα με έναν νόμο, π.χ. έναν ημιτονοειδή νόμο. Εάν η κατεύθυνση της ροής του ρεύματος παραμένει αμετάβλητη, αλλά το ρεύμα πέφτει περιοδικά στο μηδέν και ανεβαίνει στη μέγιστη τιμή του, μιλάμε για παλμικό ρεύμα (διαφόρων μορφών).
Προϋποθέσεις για τη διατήρηση του ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα κύκλωμα
Οι τρεις προϋποθέσεις για την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος σε κλειστό κύκλωμα έχουν προκύψει παραπάνω. Πρέπει να εξεταστούν λεπτομερώς.
Μεταφορείς με δωρεάν χρέωση
Η πρώτη αναγκαία συνθήκη για την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος είναι η ύπαρξη ελεύθερων φορέων φορτίου. Τα φορτία δεν υπάρχουν χωριστά από τους φορείς τους, οπότε πρέπει να εξετάσουμε τα σωματίδια που μπορούν να μεταφέρουν φορτίο.
Στα μέταλλα και σε άλλες ουσίες με παρόμοιο τύπο αγωγιμότητας (γραφίτης κ.λπ.) πρόκειται για ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αλληλεπιδρούν ασθενώς με τον πυρήνα και μπορούν να εγκαταλείψουν το άτομο και να κινηθούν σχετικά ελεύθερα μέσα στον αγωγό.
Επίσης, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια χρησιμεύουν ως φορείς φορτίου στους ημιαγωγούς, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις μιλάμε για αγωγιμότητα "οπών" σε αυτή την κατηγορία στερεών (σε αντίθεση με την αγωγιμότητα "ηλεκτρονίων"). Αυτή η έννοια είναι απαραίτητη μόνο για την περιγραφή φυσικών διεργασιών- στην πραγματικότητα, το ρεύμα στους ημιαγωγούς εξακολουθεί να είναι η ίδια κίνηση ηλεκτρονίων. Τα υλικά στα οποία τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να εγκαταλείψουν το άτομο είναι διηλεκτρικά. Δεν παράγεται ρεύμα σε αυτά.
Στα υγρά, τα θετικά και τα αρνητικά ιόντα φέρουν φορτίο. Αυτό σημαίνει υγρά, τα οποία είναι ηλεκτρολύτες. Για παράδειγμα, νερό στο οποίο είναι διαλυμένο αλάτι. Το ίδιο το νερό είναι ηλεκτρικά αρκετά ουδέτερο, αλλά όταν εισέρχεται σε αυτό, τα στερεά και τα υγρά διαλύονται και διαλύονται (αποσυντίθενται) σχηματίζοντας θετικά και αρνητικά ιόντα. Και στα λιωμένα μέταλλα (π.χ. υδράργυρος), τα ίδια ηλεκτρόνια είναι οι φορείς φορτίου.
Τα αέρια είναι βασικά διηλεκτρικά. Δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια σε αυτά - τα αέρια αποτελούνται από ουδέτερα άτομα και μόρια. Αν όμως το αέριο είναι ιονισμένο, μια τέταρτη συνολική κατάσταση της ύλης λέγεται πλάσμα. Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί επίσης να ρέει σε αυτό- προκύπτει από την κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρονίων και των ιόντων.
Το ρεύμα μπορεί επίσης να ρέει στο κενό (σε αυτή την αρχή βασίζονται π.χ. οι ηλεκτρονικοί σωλήνες). Αυτό απαιτεί ηλεκτρόνια ή ιόντα.
Ηλεκτρικό πεδίο
Παρά την παρουσία ελεύθερων φορέων φορτίου, τα περισσότερα περιβάλλοντα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα αρνητικά (ηλεκτρόνια) και τα θετικά (πρωτόνια) σωματίδια βρίσκονται σε ομοιόμορφη απόσταση μεταξύ τους και τα πεδία τους αλληλοεξουδετερώνονται. Για να δημιουργηθεί ένα πεδίο, τα φορτία πρέπει να συγκεντρωθούν σε μια περιοχή. Εάν τα ηλεκτρόνια συγκεντρώνονται στην περιοχή ενός (αρνητικού) ηλεκτροδίου, το αντίθετο (θετικό) ηλεκτρόδιο θα τα στερηθεί και θα δημιουργηθεί ένα πεδίο, δημιουργώντας μια δύναμη που δρα στους φορείς φορτίου και τους αναγκάζει να κινηθούν.
Μια τρίτη δύναμη για τη μεταφορά των φορτίων
Και η τρίτη προϋπόθεση - πρέπει να υπάρχει μια δύναμη που μεταφέρει τα φορτία προς την κατεύθυνση που είναι αντίθετη από την κατεύθυνση του ηλεκτροστατικού πεδίου, διαφορετικά, τα φορτία μέσα στο κλειστό σύστημα θα ισορροπήσουν γρήγορα. Αυτή η εξωτερική δύναμη ονομάζεται ηλεκτροκινητήρια δύναμη. Η προέλευσή του μπορεί να είναι διαφορετική.
Ηλεκτροχημική φύση
Στην περίπτωση αυτή η ΗΜΣ προκύπτει από ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Οι αντιδράσεις μπορεί να είναι μη αναστρέψιμες. Η γνωστή μπαταρία είναι ένα παράδειγμα γαλβανικού στοιχείου. Όταν τα αντιδραστήρια εξαντληθούν, η ΗΕΔ μηδενίζεται και η μπαταρία "κλείνει".
Σε άλλες περιπτώσεις οι αντιδράσεις μπορεί να είναι αντιστρεπτές. Για παράδειγμα, σε μια μπαταρία, η ΗΕΔ προκύπτει επίσης ως αποτέλεσμα ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Όταν όμως ολοκληρωθούν, η διαδικασία μπορεί να συνεχιστεί - υπό την επίδραση εξωτερικού ηλεκτρικού ρεύματος, οι αντιδράσεις θα αντιστραφούν και η μπαταρία θα είναι έτοιμη να δώσει ξανά ρεύμα.
Φωτοβολταϊκά στη φύση
Σε αυτή την περίπτωση το ΗΜΣ προκαλείται από την επίδραση της ορατής, υπεριώδους ή υπέρυθρης ακτινοβολίας στις διεργασίες στις δομές ημιαγωγών. Τέτοιες δυνάμεις εμφανίζονται στα φωτοβολταϊκά κύτταρα ("ηλιακά κύτταρα"). Το φως προκαλεί τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα εξωτερικό κύκλωμα.
Θερμοηλεκτρική φύση
Αν πάρετε δύο ανόμοιους αγωγούς, τους συγκολλήσετε μεταξύ τους και θερμάνετε τη διασταύρωση, θα προκύψει μια ΗΕΔ στο κύκλωμα λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής διασταύρωσης (η διασταύρωση των αγωγών) και της ψυχρής διασταύρωσης - τα αντίθετα άκρα των αγωγών. Με αυτόν τον τρόπο μπορείτε όχι μόνο να παράγετε ρεύμα αλλά και να μέτρηση της θερμοκρασίας με τη μέτρηση της προκύπτουσας ΗΜΠ.
Πιεζοηλεκτρική φύση
Εμφανίζεται όταν ορισμένα στερεά συμπιέζονται ή παραμορφώνονται. Ο ηλεκτρικός αναπτήρας λειτουργεί με αυτή την αρχή.
Ηλεκτρομαγνητική φύση
Ο πιο συνηθισμένος τρόπος βιομηχανικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι με γεννήτρια συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος. Σε μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, ένας οπλισμός με τη μορφή πλαισίου περιστρέφεται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, διασταυρώνοντας τις δυναμικές του γραμμές. Αυτό παράγει μια ΗΕΔ η οποία εξαρτάται από την ταχύτητα του ρότορα και τη μαγνητική ροή. Στην πράξη χρησιμοποιείται ένας οπλισμός που αποτελείται από μεγάλο αριθμό πηνίων, τα οποία σχηματίζουν πολλά πλαίσια συνδεδεμένα σε σειρά. Τα προκύπτοντα ΗΜΠ προστίθενται.
В εναλλακτήρας χρησιμοποιείται η ίδια αρχή, αλλά ένας μαγνήτης (ηλεκτρικός ή μόνιμος) περιστρέφεται μέσα σε ένα σταθερό πλαίσιο. Οι ίδιες διεργασίες οδηγούν επίσης σε ηλεκτρομαγνητική τάση στον στάτη. EMFη οποία έχει ημιτονοειδή μορφή. Η παραγωγή εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιείται σχεδόν πάντα βιομηχανικά - είναι ευκολότερο να μετατραπεί για τις μεταφορές και για πρακτικούς σκοπούς.
Μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα του εναλλάκτη είναι ότι είναι αναστρέψιμος. Εάν εφαρμοστεί τάση στους ακροδέκτες της γεννήτριας από εξωτερική πηγή, ο ρότοράς της θα αρχίσει να περιστρέφεται. Αυτό σημαίνει ότι ανάλογα με το διάγραμμα σύνδεσης, μια ηλεκτρική μηχανή μπορεί να είναι είτε γεννήτρια είτε ηλεκτροκινητήρας.
Αυτές είναι μόνο οι βασικές έννοιες του φαινομένου του ηλεκτρικού ρεύματος. Στην πραγματικότητα, οι διαδικασίες που εμπλέκονται στην κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρονίων είναι πολύ πιο πολύπλοκες. Η κατανόησή τους θα απαιτούσε μια βαθύτερη μελέτη της ηλεκτροδυναμικής.
Σχετικά άρθρα:
