Jika ada pembawa muatan bebas dalam media apa pun (misalnya elektron dalam logam), mereka tidak diam tetapi bergerak secara kacau. Tetapi adalah mungkin untuk membuat elektron bergerak secara teratur ke arah tertentu. Gerak terarah partikel bermuatan seperti itu disebut arus listrik.
Isi
Bagaimana arus listrik dihasilkan
Jika Anda mengambil dua konduktor, dan salah satunya bermuatan negatif (menambahkan elektron ke dalamnya) dan yang lainnya bermuatan positif (mengambil sebagian elektronnya), medan listrik akan muncul. Jika kedua elektroda dihubungkan dengan penghantar maka medan listrik akan membuat elektron bergerak berlawanan arah dengan arah vektor kuat medan listrik, sesuai dengan arah vektor gaya listrik. Partikel bermuatan negatif akan bergerak dari elektroda, di mana mereka kelebihan, ke elektroda, di mana mereka kekurangan.
Elektroda kedua tidak perlu diberi muatan positif agar elektron dapat bergerak. Hal utama adalah bahwa muatan negatif dari elektroda pertama harus lebih tinggi. Bahkan dimungkinkan untuk mengisi kedua konduktor secara negatif, tetapi satu konduktor harus memiliki muatan yang lebih besar dari yang lain.Dalam hal ini, kita berbicara tentang perbedaan potensial, yang menyebabkan arus listrik.
Mirip dengan analogi air - jika Anda menghubungkan dua bejana berisi air ke tingkat yang berbeda, akan ada aliran air. Kepalanya akan tergantung pada perbedaan level.
Menariknya, gerakan elektron yang kacau di bawah pengaruh medan listrik umumnya dipertahankan, tetapi vektor gerakan keseluruhan massa pembawa muatan menjadi terarah. Sementara komponen gerak "kacau" memiliki kecepatan beberapa puluh bahkan ratusan kilometer per detik, komponen terarah memiliki kecepatan beberapa milimeter per menit. Tetapi tumbukan (ketika elektron sepanjang konduktor bergerak) merambat dengan kecepatan cahaya, sehingga arus listrik dikatakan bergerak dengan kecepatan 3*108 m/dtk.
Dalam percobaan di atas, arus dalam penghantar akan ada untuk waktu yang singkat, sampai penghantar bermuatan negatif kehabisan elektron berlebih, dan jumlah mereka di kedua kutub seimbang. Waktu ini singkat, sepersekian detik.
Pindah kembali ke elektroda yang awalnya bermuatan negatif dan menciptakan muatan berlebih ke pembawa tidak diperbolehkan oleh medan listrik yang sama yang memindahkan elektron dari minus ke plus. Oleh karena itu, harus ada gaya pihak ketiga yang bekerja melawan dan lebih besar dari gaya medan listrik. Dalam analogi air, harus ada pompa yang memompa air kembali ke atas untuk menciptakan aliran air yang terus menerus.
Arah arus
Arah arus diambil dari plus ke minus, yaitu arah partikel bermuatan positif berlawanan dengan pergerakan elektron. Ini disebabkan oleh fakta bahwa fenomena arus listrik ditemukan jauh lebih awal daripada yang dijelaskan, dan diyakini bahwa arus mengalir ke arah ini.Pada saat itu, sejumlah besar artikel dan literatur lain tentang subjek telah terakumulasi, konsep, definisi, dan undang-undang telah muncul. Agar tidak merevisi sejumlah besar materi yang sudah diterbitkan, kami hanya mengambil arah arus melawan aliran elektron.
Jika arus mengalir sepanjang waktu dalam arah yang sama (bahkan berubah kekuatan), itu disebut arus konstan. Jika arahnya berubah, kita berbicara tentang arus bolak-balik. Dalam aplikasi praktis, arah berubah menurut beberapa hukum, seperti gelombang sinus. Jika arah aliran arus tetap tidak berubah, tetapi secara berkala berkurang menjadi nol dan meningkat ke nilai maksimumnya, kita berbicara tentang arus berdenyut (dalam berbagai bentuk).
Prasyarat untuk mempertahankan arus listrik di sirkuit
Tiga kondisi keberadaan arus listrik dalam rangkaian tertutup diturunkan di atas. Mereka harus dipertimbangkan secara lebih rinci.
Operator biaya gratis
Kondisi pertama yang diperlukan untuk keberadaan arus listrik adalah adanya pembawa muatan bebas. Muatan tidak ada secara terpisah dari pembawanya, jadi kita harus mempertimbangkan partikel yang dapat membawa muatan.
Dalam logam dan zat lain dengan jenis konduktivitas yang sama (grafit, dll.) Ini adalah elektron bebas. Mereka berinteraksi lemah dengan nukleus, dan dapat meninggalkan atom dan bergerak relatif bebas di dalam konduktor.
Juga, elektron bebas berfungsi sebagai pembawa muatan dalam semikonduktor, tetapi dalam beberapa kasus kita berbicara tentang konduktivitas "lubang" dari kelas padatan ini (sebagai lawan dari "elektronik"). Konsep ini hanya diperlukan untuk menggambarkan proses fisik; sebenarnya, arus dalam semikonduktor adalah pergerakan elektron yang sama. Bahan yang elektronnya tidak dapat meninggalkan atom adalah dielektrik. Tidak ada arus yang dihasilkan di dalamnya.
Dalam cairan, ion positif dan negatif membawa muatan. Di sini yang kami maksud adalah cairan yang merupakan elektrolit.Misalnya, air di mana garam dilarutkan. Air itu sendiri secara elektrik cukup netral, tetapi padatan dan cairan larut dan terdisosiasi (disintegrasi) untuk membentuk ion positif dan negatif ketika terkena air. Dan dalam logam cair (misalnya, merkuri), elektron yang sama adalah pembawa muatan.
Gas pada dasarnya dielektrik. Tidak ada elektron bebas di dalamnya - gas terdiri dari atom dan molekul netral. Tetapi jika gas terionisasi, kita berbicara tentang keadaan agregat materi keempat - plasma. Arus listrik juga dapat mengalir di dalamnya; itu muncul dari pergerakan elektron dan ion yang terarah.
Arus juga dapat mengalir dalam ruang hampa (ini adalah prinsip yang menjadi dasar misalnya tabung elektron). Ini membutuhkan elektron atau ion.
Medan listrik
Meskipun ada pembawa muatan gratis, sebagian besar media netral secara elektrik. Ini karena partikel negatif (elektron) dan positif (proton) memiliki jarak yang sama dan medannya saling meniadakan. Agar medan muncul, muatan harus terkonsentrasi di suatu area. Jika elektron terkonsentrasi di area satu elektroda (negatif), elektroda (positif) yang berlawanan akan kekurangan elektron, dan medan akan muncul, menciptakan gaya yang bekerja pada pembawa muatan dan membuat mereka bergerak.
Kekuatan pihak ketiga untuk pembawa muatan
Dan syarat ketiga adalah harus ada gaya yang membawa muatan-muatan ke arah yang berlawanan dengan arah medan elektrostatis, jika tidak, muatan-muatan di dalam sistem tertutup akan cepat seimbang. Gaya luar ini disebut gaya gerak listrik. Asal usulnya bisa berbeda.
Sifat elektrokimia
Dalam hal ini, EMF muncul sebagai akibat dari jalannya reaksi elektrokimia. Reaksi dapat bersifat ireversibel. Contohnya adalah sel galvanik, baterai yang terkenal. Setelah reagen habis, EMF berkurang menjadi nol, dan baterai "mati".
Dalam kasus lain reaksi dapat reversibel.Misalnya, dalam baterai, EMF juga muncul sebagai akibat dari reaksi elektrokimia. Tetapi setelah selesai, proses dapat dilanjutkan - di bawah aksi arus listrik eksternal, reaksi akan berjalan dalam urutan terbalik, dan baterai akan siap mengeluarkan arus lagi.
Sifat fotolistrik
Dalam hal ini, EMF disebabkan oleh efek radiasi sinar tampak, ultraviolet atau inframerah pada proses-proses dalam struktur semikonduktor. Kekuatan seperti itu muncul di fotosel ("sel surya"). Tindakan cahaya di sirkuit eksternal menghasilkan arus listrik.
Sifat termoelektrik
Jika Anda mengambil dua konduktor yang berbeda, menyoldernya bersama-sama dan memanaskan titik persimpangan, EMF akan muncul di sirkuit karena perbedaan suhu antara persimpangan panas (titik persimpangan konduktor) dan persimpangan dingin - ujung berlawanan dari konduktor. konduktor. Dengan cara ini Anda tidak hanya dapat menghasilkan arus tetapi juga mengukur suhu dengan mengukur EMF yang timbul.
Sifat piezoelektrik.
Terjadi ketika padatan tertentu diperas atau berubah bentuk. Pemantik listrik bekerja berdasarkan prinsip ini.
Sifat elektromagnetik.
Cara paling umum untuk menghasilkan listrik secara industri adalah dengan generator DC atau AC. Dalam mesin DC, angker berbentuk bingkai berputar dalam medan magnet, melintasi garis gayanya. Hal ini menimbulkan EMF, yang tergantung pada kecepatan rotor dan fluks magnet. Dalam praktiknya, armature dari sejumlah besar kumparan, membentuk banyak kerangka yang dihubungkan secara seri, digunakan. EMF yang timbul di dalamnya ditambahkan bersama-sama.
alternator Prinsip yang sama digunakan tetapi magnet (listrik atau permanen) berputar di dalam bingkai stasioner. Proses yang sama juga menghasilkan EMF di stator. EMFyang berbentuk sinusoidal. Pada skala industri, pembangkitan arus bolak-balik hampir selalu digunakan - lebih mudah untuk mengubahnya untuk transportasi dan aplikasi praktis.
Properti yang menarik dari alternator adalah reversibilitas. Ini terdiri dari fakta bahwa jika Anda menerapkan tegangan dari sumber pihak ketiga ke terminal generator, rotornya akan mulai berputar. Ini berarti bahwa tergantung pada skema koneksi, mesin listrik dapat berupa generator atau motor listrik.
Ini hanyalah konsep dasar dari fenomena arus listrik. Faktanya, proses yang terjadi ketika elektron terarah bergerak jauh lebih kompleks. Memahami mereka akan membutuhkan studi elektrodinamika yang lebih dalam.
Artikel terkait:
