Kui mis tahes keskkonnas on vabu laengukandjaid (nt metallis elektronid), siis nad ei ole puhkeolekus, vaid liiguvad kaootiliselt. Kuid on võimalik panna elektronid kindlas suunas korrapäraselt liikuma. Sellist laetud osakeste suunalist liikumist nimetatakse elektrivooluks.
Sisu
Kuidas tekib elektrivool
Kui võtta kaks juhti ja üks neist on negatiivselt laetud (lisab sellele elektrone) ja teine on positiivselt laetud (võtab ära osa elektronidest), tekib elektriväli. Kui ühendate mõlemad elektroodid juhiga, paneb väli elektronid liikuma elektrivälja tugevusvektori suunale vastupidises suunas, vastavalt elektrijõu vektori suunale. Negatiivselt laetud osakesed liiguvad elektroodilt, kus neid on liiga palju, elektroodile, kus neid on puudu.
Elektronide liikumiseks ei ole vaja anda teisele elektroodile positiivset laengut. Peaasi, et esimese elektroodi negatiivne laeng oleks suurem. Mõlemat juhti on võimalik isegi negatiivselt laadida, kuid ühel juhil peab olema suurem laeng kui teisel.Sel juhul räägime potentsiaalide erinevusest, mis põhjustab elektrivoolu.
Sarnaselt vee analoogiaga – kui ühendada kaks veega täidetud anumat erinevatele tasanditele, tekib veevool. Selle pea sõltub tasemete erinevusest.
Huvitav on see, et elektronide kaootiline liikumine elektrivälja mõjul üldiselt säilib, kuid laengukandjate massi üldine liikumisvektor muutub suunatuks. Kui "kaootilise" liikumise komponendi kiirus on mitukümmend või isegi sadu kilomeetrit sekundis, siis suunatud komponendi kiirus on mitu millimeetrit minutis. Kuid löök (kui elektronid piki juhi pikkust hakkavad liikuma) levib valguse kiirusel, seega väidetavalt liigub elektrivool kiirusega 3*108 m/sek.
Ülaltoodud katses eksisteerib vool juhis lühikest aega, kuni negatiivselt laetud juhil saavad otsa üleliigsed elektronid ja nende arv mõlemal poolusel on tasakaalus. See aeg on lühike, murdosa sekundist.
Algselt negatiivse laenguga elektroodi juurde tagasi liikumist ja üleliigse laengu tekitamist kandjatele ei võimalda sama elektriväli, mis viis elektronid miinusest plussi. Seetõttu peab eksisteerima kolmanda osapoole jõud, mis toimib elektrivälja jõu vastu ja on sellest üle. Vee analoogia kohaselt peab pideva veevoolu tekitamiseks olema pump, mis pumpab vett tagasi ülemisele tasemele.
Voolu suund
Voolu suund on võetud plussist miinuseni, see tähendab, et positiivselt laetud osakeste suund on vastupidine elektronide liikumisele. Selle põhjuseks on asjaolu, et elektrivoolu nähtus avastati palju varem, kui selle olemust selgitati, ja arvati, et vool läheb selles suunas.Selleks ajaks oli kogunenud suur hulk selleteemalisi artikleid ja muud kirjandust, ilmunud mõisted, definitsioonid ja seadused. Et mitte revideerida tohutut hulka juba avaldatud materjali, võtsime lihtsalt voolu suuna elektronide voolu vastu.
Kui vool liigub kogu aeg samas suunas (isegi muutudes tugevuselt), nimetatakse seda pidev vool. Kui selle suund muutub, räägime vahelduvvoolust. Praktilistes rakendustes muutub suund vastavalt mõnele seadusele, näiteks siinuslainele. Kui voolu suund jääb muutumatuks, kuid see väheneb perioodiliselt nullini ja tõuseb maksimaalse väärtuseni, siis räägime impulssvoolust (erineva vormiga).
Elektrivoolu säilitamise eeldused ahelas
Eespool tuletati kolm tingimust elektrivoolu olemasoluks suletud ahelas. Neid tuleks üksikasjalikumalt käsitleda.
Tasuta laengukandjad
Elektrivoolu olemasolu esimene vajalik tingimus on vabade laengukandjate olemasolu. Laengud ei eksisteeri nende kandjatest eraldi, seega peame arvestama osakestega, mis võivad laengut kanda.
Metallides ja teistes sarnast juhtivusega ainetes (grafiit jne) on need vabad elektronid. Nad interakteeruvad nõrgalt tuumaga ja võivad aatomist lahkuda ja liikuda juhi sees suhteliselt vabalt.
Samuti toimivad vabad elektronid pooljuhtide laengukandjatena, kuid mõnel juhul räägime selle tahkete ainete klassi "augu" juhtivusest (erinevalt "elektroonilisest"). Seda mõistet on vaja ainult füüsiliste protsesside kirjeldamiseks; tegelikult on vool pooljuhtides samasugune elektronide liikumine. Materjalid, milles elektronid ei saa aatomist lahkuda, on dielektrikud. Neis ei teki voolu.
Vedelikes kannavad positiivsed ja negatiivsed ioonid laengut. Siin peame silmas vedelikke, mis on elektrolüüdid.Näiteks vesi, milles sool on lahustunud. Vesi ise on elektriliselt üsna neutraalne, kuid tahked ained ja vedelikud lahustuvad ja dissotsieeruvad (lagunevad), moodustades sellega kokkupuutel positiivseid ja negatiivseid ioone. Ja sulametallides (nt elavhõbedas) on laengukandjateks samad elektronid.
Gaasid on põhimõtteliselt dielektrikud. Neis pole vabu elektrone – gaasid koosnevad neutraalsetest aatomitest ja molekulidest. Aga kui gaas on ioniseeritud, siis räägime aine neljandast agregaatolekust – plasmast. Selles võib voolata ka elektrivool; see tekib elektronide ja ioonide suunatud liikumisest.
Vool võib voolata ka vaakumis (sel põhimõttel põhinevad nt elektrontorud). Selleks on vaja elektrone või ioone.
Elektriväli
Vaatamata vabade laengukandjate olemasolule on enamik meediume elektriliselt neutraalsed. Seda seetõttu, et negatiivsed (elektronid) ja positiivsed (prootonid) osakesed paiknevad ühtlaselt ja nende väljad tühistavad üksteist. Välja tekkimiseks peavad laengud koonduma mingisse piirkonda. Kui elektronid on koondunud ühe (negatiivse) elektroodi piirkonda, siis vastaselektroodil (positiivsel) need puuduvad ja tekib väli, mis tekitab laengukandjatele mõjuva jõu ja paneb need liikuma.
Kolmanda osapoole jõud laengukandjatele
Ja kolmas tingimus on see, et peab olema jõud, mis kannab laenguid elektrostaatilise välja suunale vastupidises suunas, vastasel juhul tasakaalustuvad suletud süsteemi sees olevad laengud kiiresti. Seda välisjõudu nimetatakse elektromotoorjõuks. Selle päritolu võib olla erinev.
Elektrokeemiline olemus
Sel juhul tekib EMF elektrokeemiliste reaktsioonide käigus. Reaktsioonid võivad olla pöördumatud. Näiteks võib tuua galvaanilise elemendi, tuntud aku. Pärast reaktiivide ammendumist väheneb EMF nullini ja aku "lülitub välja".
Muudel juhtudel võivad reaktsioonid olla pöörduvad.Näiteks akus tekib EMF ka elektrokeemiliste reaktsioonide tulemusena. Kuid pärast nende lõppemist saab protsessi jätkata - välise elektrivoolu toimel toimuvad reaktsioonid vastupidises järjekorras ja aku on taas valmis voolu välja andma.
Fotoelektriline olemus
Sel juhul põhjustab EMF nähtava, ultraviolett- või infrapunakiirguse mõju pooljuhtstruktuurides toimuvatele protsessidele. Sellised jõud tekivad fotoelementides ("päikesepatareides"). Valguse mõju välises vooluringis tekitab elektrivoolu.
Termoelektriline olemus
Kui võtate kaks erinevat juhti, jootke need kokku ja soojendate ühenduskohta, tekib vooluringis EMF temperatuuride erinevuse tõttu kuuma ristmiku (juhtide ühenduspunkt) ja külma ristmiku - juhtme vastasotste vahel. dirigendid. Sel viisil saate mitte ainult voolu genereerida, vaid ka mõõta temperatuuri tekkiva EMF-i mõõtmisega.
Piesoelektriline olemus.
Tekib teatud tahkete ainete pigistamisel või deformeerumisel. Elektriline tulemasin töötab sellel põhimõttel.
Elektromagnetiline olemus.
Kõige levinum viis tööstuslikult elektrit toota on alalis- või vahelduvvoolugeneraatoriga. Alalisvoolumasinas pöörleb raamikujuline armatuur magnetväljas, ületades selle jõujooni. See tekitab EMF, mis sõltub rootori kiirusest ja magnetvoost. Praktikas kasutatakse suure hulga mähiste armatuuri, mis moodustavad palju järjestikku ühendatud kaadreid. Neis tekkivad EMF liidetakse kokku.
В generaator Kasutatakse sama põhimõtet, kuid statsionaarse raami sees pöörleb magnet (elektriline või püsiv). Samad protsessid põhjustavad ka staatoris EMF-i. EMFmillel on sinusoidne kuju. Tööstuslikus mastaabis kasutatakse vahelduvvoolu genereerimist peaaegu alati – seda on lihtsam transpordiks ja praktilisteks rakendusteks teisendada.
Generaatori huvitav omadus on pööratavus. See seisneb selles, et kui rakendate generaatori klemmidele pinget kolmanda osapoole allikast, hakkab selle rootor pöörlema. See tähendab, et olenevalt ühendusskeemist võib elektrimasin olla kas generaator või elektrimootor.
Need on vaid elektrivoolu nähtuse põhimõisted. Tegelikult on suunaelektronide liikumisel toimuvad protsessid palju keerulisemad. Nende mõistmine eeldaks elektrodünaamika sügavamat uurimist.
Seotud artiklid:
