Ha egy közegben szabad töltéshordozók vannak (pl. elektronok egy fémben), akkor azok nem nyugalomban vannak, hanem kaotikusan mozognak. De lehetséges, hogy az elektronok rendezett módon mozogjanak egy adott irányba. A töltött részecskék ilyen irányú mozgását elektromos áramnak nevezzük.
Tartalomjegyzék
Hogyan jön létre az elektromos áram
Ha veszünk két vezetőt, és az egyiket negatívan töltjük (elektronokat adunk hozzá), a másikat pedig pozitívan töltjük (elektronokat veszünk el tőle), akkor elektromos mező keletkezik. Ha mindkét elektródát összekötjük egy vezetővel, akkor a mező az elektromos térerősség vektorának irányával ellentétes irányba fogja mozgatni az elektronokat, az elektromos erő vektorának iránya szerint. A negatív töltésű részecskék az elektródtól, ahol többletben vannak, az elektród felé mozognak, ahol hiányban vannak.
Az elektronok mozgásához nem szükséges a második elektródot pozitív töltéssel ellátni. A lényeg az, hogy az első elektróda negatív töltésének nagyobbnak kell lennie. Még az is lehetséges, hogy mindkét vezető negatívan töltődik, de az egyik vezetőnek nagyobb töltéssel kell rendelkeznie, mint a másiknak. Ebben az esetben azt mondjuk, hogy a potenciálkülönbség elektromos áramot okoz.
Hasonlóan a víz analógiához - ha két vízzel teli edényt különböző szintre kapcsolunk, akkor a víz áramlása meg fog történni. A feje a szintkülönbségtől függ.
Érdekes, hogy az elektronok kaotikus mozgása az elektromos tér hatására általában megmarad, de a töltéshordozók tömegének általános mozgásvektora irányítottá válik. Míg a mozgás "kaotikus" összetevőjének sebessége több tíz vagy akár több száz kilométer per másodperc, addig az irányított összetevő sebessége néhány milliméter per perc. De a hatás (amikor az elektronok a vezető hosszában mozgásba jönnek) fénysebességgel terjed, így az elektromos áramról azt mondják, hogy az 3*108 m/sec.
A fenti kísérletben az áram a vezetőben rövid ideig áll fenn, amíg a negatív töltésű vezetőből kifogynak a felesleges elektronok, és kiegyenlítődik az elektronok száma mindkét póluson. Ez az idő rövid - a másodperc töredéke.
Az eredetileg negatív töltésű elektródra való visszamozgást és a hordozók többlet töltését ugyanaz az elektromos tér akadályozza meg, amely az elektronokat a mínuszból a pluszba mozgatta. Ezért kell lennie egy külső erőnek, amely az elektromos mezővel szemben hat, és nagyobb, mint az elektromos mező. A víz analógiájára egy szivattyúnak kell lennie, amely a vizet visszapumpálja a felső szintre, hogy folyamatos vízáramlás jöjjön létre.
Az áram iránya
Az áram iránya pluszból mínuszba tart, azaz a pozitív töltésű részecskék iránya ellentétes az elektronokéval. Ez annak köszönhető, hogy az elektromos áram jelenségét sokkal korábban felfedezték, mint ahogy annak természetét megmagyarázták, és úgy vélték, hogy az áram ebben az irányban folyik. Addigra már rengeteg cikk és egyéb szakirodalom gyűlt össze a témában, és fogalmak, meghatározások és törvények születtek. Hogy elkerüljük a már publikált hatalmas mennyiségű anyag áttekintését, egyszerűen az elektronok áramlásával szemben vettük az áram irányát.
Ha egy áram mindig ugyanabban az irányban folyik (még akkor is, ha az erőssége változik), akkor azt nevezik állandó áram. Ha az iránya változik, akkor váltakozó áramnak nevezzük. A gyakorlati alkalmazásban az irány egy törvény, például egy szinuszos törvény szerint változik. Ha az áramáram iránya változatlan marad, de az áram periodikusan nullára esik, majd a maximális értékére emelkedik, akkor (különböző formájú) impulzusáramról beszélünk.
Az áramkörben az elektromos áram fenntartásának előfeltételei
Az elektromos áram létezésének három feltételét egy zárt áramkörben a fentiekben levezettük. Ezeket részletesen meg kell vizsgálni.
Ingyenes díjhordozók
Az elektromos áram létezésének első szükséges feltétele a szabad töltéshordozók megléte. A töltések nem léteznek külön a hordozójuktól, ezért olyan részecskéket kell vizsgálnunk, amelyek képesek töltést hordozni.
A fémekben és más, hasonló típusú vezetőképességű anyagokban (grafit stb.) ezek szabad elektronok. Gyenge kölcsönhatásba lépnek az atommaggal, és elhagyhatják az atomot, és viszonylag szabadon mozoghatnak a vezetőben.
A szabad elektronok is töltéshordozóként szolgálnak a félvezetőkben, de bizonyos esetekben "lyuk" vezetőképességről beszélünk a szilárdtestek ezen osztályában (szemben az "elektron" vezetőképességgel). Erre a fogalomra csak a fizikai folyamatok leírásához van szükség; valójában a félvezetőkben az áram még mindig az elektronok mozgása. Az olyan anyagok, amelyekben az elektronok nem hagyhatják el az atomot, a következők dielektrikumok. Nem keletkezik bennük áram.
A folyadékokban a pozitív és negatív ionok töltést hordoznak. Ez folyadékokat jelent, amelyek elektrolitok. Például víz, amelyben só van feloldva. Maga a víz elektromosan meglehetősen semleges, de amikor belekerül, a szilárd és folyékony anyagok feloldódnak és disszociálnak (szétesnek), pozitív és negatív ionokat alkotva. Az olvadt fémekben (pl. higany) pedig ugyanezek az elektronok a töltéshordozók.
A gázok alapvetően dielektrikumok. Nincsenek bennük szabad elektronok - a gázok semleges atomokból és molekulákból állnak. Ha azonban a gáz ionizálódik, akkor az anyag negyedik halmazállapotát plazmának nevezzük. Az elektromos áram is folyhat benne; az elektronok és ionok irányított mozgásából keletkezik.
Vákuumban is folyhat áram (ezen az elven alapulnak például az elektroncsövek). Ehhez elektronokra vagy ionokra van szükség.
Elektromos mező
A szabad töltéshordozók jelenléte ellenére a legtöbb környezet elektromosan semleges. Ez azért van így, mert a negatív (elektronok) és pozitív (protonok) részecskék egyenletesen helyezkednek el, és mezőik kioltják egymást. Ahhoz, hogy egy mező létrejöjjön, a töltéseknek egy területen kell koncentrálódniuk. Ha az elektronok az egyik (negatív) elektróda területén koncentrálódnak, akkor az ellentétes (pozitív) elektródáról hiányozni fognak, és egy mező keletkezik, amely olyan erőt hoz létre, amely a töltéshordozókra hat, és mozgásra kényszeríti őket.
Egy harmadik erő a töltések átadására
És a harmadik feltétel - kell lennie egy olyan erőnek, amely a töltéseket az elektrosztatikus mező irányával ellentétes irányba viszi át, különben a zárt rendszerben lévő töltések gyorsan egyensúlyba kerülnek. Ezt a külső erőt elektromotoros erőnek nevezzük. Eredete eltérő lehet.
Elektrokémiai jellegű
Ebben az esetben az EMF elektrokémiai reakciók eredménye. A reakciók visszafordíthatatlanok lehetnek. A jól ismert akkumulátor a galvánelem példája. Amikor a reagensek kimerülnek, az EMF nullára csökken, és az akkumulátor "kikapcsol".
Más esetekben a reakciók reverzibilisek lehetnek. Például egy akkumulátorban az EMF szintén az elektrokémiai reakciók eredményeként keletkezik. Amikor azonban befejeződnek, a folyamat folytatható - külső elektromos áram hatására a reakciók megfordulnak, és az akkumulátor ismét készen áll az áram leadására.
Fotovoltaikus a természetben
Ebben az esetben az EMF-et a látható, ultraibolya vagy infravörös sugárzásnak a félvezető struktúrákban zajló folyamatokra gyakorolt hatása okozza. Ilyen erők fordulnak elő a fotovoltaikus cellákban ("napelemek"). A fény elektromos áramot indít el egy külső áramkörben.
Termoelektromos jelleg
Ha veszünk két különböző vezetőt, összeforrasztjuk őket, és felmelegítjük a csatlakozási pontot, akkor az áramkörben EMK keletkezik a forró csomópont (a vezetők találkozási pontja) és a hideg csomópont - a vezetők ellentétes végei - közötti hőmérsékletkülönbség miatt. Így nem csak áramot tudsz generálni, hanem a hőmérséklet mérése a keletkező EMF mérésével.
Piezoelektromos jelleg
Bizonyos szilárd anyagok összenyomásakor vagy deformációjakor keletkezik. Az elektromos öngyújtó ezen az elven működik.
Elektromágneses természet
A villamos energia ipari előállításának legelterjedtebb módja az egyenáramú vagy váltakozó áramú generátor. Az egyenáramú gépben egy keret alakú armatúra forog a mágneses térben, keresztezve annak erővonalait. Ez EMF-et hoz létre, amely a rotor fordulatszámától és a mágneses fluxustól függ. A gyakorlatban olyan armatúrát használnak, amely nagyszámú tekercsből áll, és sok, sorba kapcsolt keretet alkot. Az így kapott EMK-kat összeadjuk.
В generátor ugyanezt az elvet alkalmazzák, de egy (elektromos vagy állandó) mágnes forog egy álló keretben. Ugyanezek a folyamatok EMF-et eredményeznek az állórészben. EMFamely szinuszos alakú. A váltakozó áramot szinte mindig iparilag használják - könnyebb átalakítani közlekedési és gyakorlati célokra.
A generátor érdekes tulajdonsága, hogy megfordítható. Ha a generátor kapcsaira külső forrásból feszültséget kapcsolunk, a forgórész elkezd forogni. Ez azt jelenti, hogy a kapcsolási rajz függvényében egy elektromos gép lehet generátor vagy villanymotor.
Ezek csak az elektromos áram jelenségének alapfogalmai. A valóságban az elektronok irányított mozgásában részt vevő folyamatok sokkal összetettebbek. Megértésükhöz az elektrodinamika mélyebb tanulmányozására lenne szükség.
Kapcsolódó cikkek:
