Jos väliaineessa on vapaita varauksenkuljettajia (esim. elektroneja metallissa), ne eivät ole levossa vaan liikkuvat kaoottisesti. On kuitenkin mahdollista saada elektronit liikkumaan hallitusti tiettyyn suuntaan. Tätä varattujen hiukkasten suunnattua liikettä kutsutaan sähkövirraksi.
Sisältö
Miten sähkövirta syntyy
Jos otamme kaksi johdinta, joista toinen on negatiivisesti varautunut (lisäämällä siihen elektroneja) ja toinen on positiivisesti varautunut (ottamalla siitä pois elektroneja), syntyy sähkökenttä. Jos molemmat elektrodit yhdistetään johtimella, kenttä saa elektronit liikkumaan sähkökentän voimakkuusvektorin suunnan vastakkaiseen suuntaan sähkövoimavektorin suunnan mukaisesti. Negatiivisesti varautuneet hiukkaset siirtyvät elektrodista, jossa niitä on liikaa, elektrodiin, jossa niitä on liian vähän.
Toiselle elektrodille ei tarvitse antaa positiivista varausta, jotta elektronien siirtyminen tapahtuisi. Tärkeintä on, että ensimmäisen elektrodin negatiivisen varauksen on oltava suurempi. Molemmat johtimet voidaan jopa ladata negatiivisesti, mutta toisen johtimen varauksen on oltava suurempi kuin toisen. Tällöin potentiaalieron sanotaan aiheuttavan sähkövirran.
Samanlainen kuin vesi-analogia - jos yhdistät kaksi vedellä täytettyä astiaa eri tasoille, vesi virtaa. Sen pää riippuu tasoerosta.
On mielenkiintoista, että elektronien kaoottinen liike sähkökentän vaikutuksesta yleensä säilyy, mutta varauksenkantajien massan kokonaisliikevektori saa suuntautuneen luonteen. Kun liikkeen "kaoottisen" komponentin nopeus on useita kymmeniä tai jopa satoja kilometrejä sekunnissa, suunnatun komponentin nopeus on useita millimetrejä minuutissa. Mutta isku (kun elektronit johtimen pituutta pitkin lähtevät liikkeelle) etenee valon nopeudella, joten sähkövirran sanotaan liikkuvan nopeudella 3*108 m/sec.
Edellä esitetyssä kokeessa johdinvirta on olemassa lyhyen aikaa, kunnes negatiivisesti varautuneesta johtimesta loppuvat ylimääräiset elektronit ja elektronien määrä tasapainottuu molemmissa navoissa. Tämä aika on lyhyt - sekunnin murto-osa.
Elektronien siirtyminen takaisin alun perin negatiivisesti varautuneeseen elektrodiin ja ylimääräisen varauksen syntyminen kantajiin estetään samalla sähkökentällä, joka siirsi elektronit miinuksesta plussaan. Siksi on oltava ulkoinen voima, joka vaikuttaa sähkökenttää vastaan ja joka on suurempi kuin sähkökentän voima. Veden analogian mukaan on oltava pumppu, joka pumppaa vettä takaisin ylimmälle tasolle, jotta veden virtaus olisi jatkuvaa.
Virran suunta
Virran suunnan katsotaan olevan plus- ja miinussuuntainen, eli positiivisesti varattujen hiukkasten suunta on vastakkainen elektronien suuntaan nähden. Tämä johtuu siitä, että sähkövirran ilmiö havaittiin paljon aikaisemmin kuin sen luonne selitettiin, ja uskottiin, että virta kulkee tähän suuntaan. Siihen mennessä aiheesta oli kertynyt paljon artikkeleita ja muuta kirjallisuutta, ja käsitteitä, määritelmiä ja lakeja oli syntynyt. Välttääksemme jo julkaistun aineiston valtavan määrän tarkastelun, otimme yksinkertaisesti virran suunnan elektronien virtausta vastaan.
Jos virta kulkee koko ajan samaan suuntaan (vaikka sen voimakkuus vaihtelisi), sitä sanotaan vakiovirta. Jos sen suunta muuttuu, sitä kutsutaan vaihtovirraksi. Käytännössä suunta muuttuu jonkin lain, esimerkiksi sinimuotoisen lain, mukaan. Jos virran kulkusuunta pysyy muuttumattomana, mutta virta laskee ajoittain nollaan ja nousee maksimiarvoonsa, puhutaan (erimuotoisesta) pulssivirrasta.
Edellytykset sähkövirran ylläpitämiseksi virtapiirissä
Edellä on johdettu kolme ehtoa sähkövirran olemassaololle suljetussa virtapiirissä. Ne on tutkittava yksityiskohtaisesti.
Ilmaiset maksunkantajat
Ensimmäinen välttämätön edellytys sähkövirran olemassaololle on vapaiden varauksenkuljettajien olemassaolo. Varauksia ei ole olemassa erillään niiden kantajista, joten meidän on tarkasteltava hiukkasia, jotka voivat kantaa varausta.
Metalleissa ja muissa aineissa, joilla on samantyyppinen johtavuus (grafiitti jne.), nämä ovat vapaita elektroneja. Ne ovat heikossa vuorovaikutuksessa ytimen kanssa, ja ne voivat poistua atomista ja liikkua suhteellisen vapaasti johtimen sisällä.
Myös vapaat elektronit toimivat varauksenkuljettajina puolijohteissa, mutta joissakin tapauksissa puhutaan "reikien" johtavuudesta tässä kiinteässä aineessa (toisin kuin "elektronien"). Tätä käsitettä tarvitaan vain fysikaalisten prosessien kuvaamiseen; itse asiassa virta puolijohteissa on edelleen sama elektronien liike. Materiaalit, joissa elektronit eivät voi poistua atomista, ovat seuraavat dielektriset aineet. Niissä ei synny virtaa.
Nesteissä positiiviset ja negatiiviset ionit kantavat varausta. Tämä tarkoittaa nesteitä, jotka ovat elektrolyyttejä. Esimerkiksi vesi, johon on liuotettu suolaa. Vesi itsessään on sähköisesti melko neutraalia, mutta kun siihen joutuu vettä, kiinteät aineet ja nesteet liukenevat ja dissosioituvat (hajoavat) muodostaen positiivisia ja negatiivisia ioneja. Ja sulassa metallissa (esim. elohopeassa) samat elektronit ovat varauksen kantajia.
Kaasut ovat periaatteessa dielektrisiä. Niissä ei ole vapaita elektroneja - kaasut koostuvat neutraaleista atomeista ja molekyyleistä. Mutta jos kaasu on ionisoitunut, neljännen aineen aggregaattitilan sanotaan olevan plasma. Myös sähkövirta voi virrata siinä; se syntyy elektronien ja ionien suunnatusta liikkeestä.
Virta voi kulkea myös tyhjiössä (tähän periaatteeseen esimerkiksi elektroniputket perustuvat). Tähän tarvitaan elektroneja tai ioneja.
Sähkökenttä
Vapaista varauksenkuljettajista huolimatta useimmat ympäristöt ovat sähköisesti neutraaleja. Tämä johtuu siitä, että negatiiviset hiukkaset (elektronit) ja positiiviset hiukkaset (protonit) ovat tasaisin välimatkoin ja niiden kentät kumoavat toisensa. Jotta kenttä syntyisi, varausten on keskityttävä tietylle alueelle. Jos elektronit keskittyvät yhden (negatiivisen) elektrodin alueelle, vastakkaiselta (positiiviselta) elektrodilta ne puuttuvat ja syntyy kenttä, joka luo varauksenkuljettajiin vaikuttavan voiman ja pakottaa ne liikkumaan.
Kolmas voima, joka siirtää maksut
Kolmas ehto on, että on oltava voima, joka siirtää varauksia sähköstaattisen kentän suuntaan nähden vastakkaiseen suuntaan, muuten varaukset suljetussa systeemissä tasapainottuvat nopeasti. Tätä ulkoista voimaa kutsutaan sähkömotoriseksi voimaksi. Sen alkuperä voi olla erilainen.
luonteeltaan sähkökemiallinen
Tässä tapauksessa sähkömagneettinen kenttä syntyy sähkökemiallisista reaktioista. Reaktiot voivat olla peruuttamattomia. Tunnettu paristo on esimerkki galvaanisesta kennosta. Kun reagenssit loppuvat, EMF vähenee nollaan ja akku "sammuu".
Muissa tapauksissa reaktiot voivat olla palautuvia. Esimerkiksi akussa sähkömagneettinen kenttä syntyy myös sähkökemiallisista reaktioista. Mutta kun ne ovat päättyneet, prosessi voidaan aloittaa uudelleen - ulkoisen sähkövirran vaikutuksesta reaktiot kääntyvät päinvastaisiksi ja akku on valmis antamaan jälleen virtaa.
Valosähköinen luonnossa
Tässä tapauksessa sähkömagneettinen kenttä aiheutuu näkyvän, ultravioletti- tai infrapunasäteilyn vaikutuksesta puolijohderakenteiden prosesseihin. Tällaisia voimia esiintyy aurinkokennoissa ("aurinkokennoissa"). Valo saa aikaan sähkövirran virtauksen ulkoisessa virtapiirissä.
Lämpösähköinen luonne
Jos otat kaksi erilaista johdinta, juotat ne yhteen ja lämmität liitoskohdan, piiriin syntyy sähkömagneettinen kenttä, joka johtuu lämpötilaerosta kuuman liitoskohdan (johtimien liitoskohdan) ja kylmän liitoskohdan - johtimien vastakkaisten päiden - välillä. Tällä tavoin voit paitsi tuottaa virtaa, myös mitata lämpötila mittaamalla syntyvä sähkömagneettinen kenttä.
Pietsosähköinen luonne
Syntyy, kun tiettyjä kiinteitä aineita puristetaan tai deformoidaan. Sähköinen sytytin toimii tällä periaatteella.
Sähkömagneettinen luonne
Yleisin tapa tuottaa sähköä teollisesti on tasavirta- tai vaihtovirtageneraattori. Tasavirtakoneessa runkomuotoinen ankkuri pyörii magneettikentässä, jonka voimalinjat risteävät. Tämä tuottaa sähkömagneettisen kentän, joka riippuu roottorin nopeudesta ja magneettivuosta. Käytännössä käytetään ankkuria, joka koostuu suuresta määrästä käämejä, jotka muodostavat useita sarjaan kytkettyjä kehyksiä. Tuloksena saadut EMF:t lasketaan yhteen.
В Vaihtovirtageneraattori käytetään samaa periaatetta, mutta magneetti (sähkö- tai kestomagneetti) pyörii paikallaan olevan kehyksen sisällä. Samat prosessit aiheuttavat myös staattorissa sähkömagneettisen kentän. EMFjoka on sinimuotoinen. Vaihtovirtaa käytetään lähes aina teollisesti - se on helpompi muuntaa liikenteeseen ja käytännön tarkoituksiin.
Vaihtovirtageneraattorin mielenkiintoinen ominaisuus on, että se on käännettävissä. Jos vaihtovirtageneraattorin liittimiin kytketään jännite ulkoisesta lähteestä, sen roottori alkaa pyöriä. Tämä tarkoittaa, että kytkentäkaaviosta riippuen sähkökone voi olla joko generaattori tai sähkömoottori.
Nämä ovat vain sähkövirran ilmiön peruskäsitteitä. Todellisuudessa elektronien suunnattuun liikkeisiin liittyvät prosessit ovat paljon monimutkaisempia. Niiden ymmärtäminen edellyttäisi elektrodynamiikan syvällisempää opiskelua.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
