Se un mezzo contiene portatori di carica libera (per esempio gli elettroni in un metallo), questi non sono a riposo, ma si muovono caoticamente. Ma è possibile far muovere gli elettroni in modo ordinato in una data direzione. Questo movimento direzionale di particelle cariche è chiamato corrente elettrica.
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Come si crea una corrente elettrica
Se prendiamo due conduttori, e uno di essi è caricato negativamente (aggiungendo elettroni) e l'altro è caricato positivamente (togliendogli alcuni elettroni), si creerà un campo elettrico. Se si collegano entrambi gli elettrodi con un conduttore, il campo farà muovere gli elettroni nella direzione opposta alla direzione del vettore forza del campo elettrico, secondo la direzione del vettore forza elettrica. Le particelle caricate negativamente si sposteranno dall'elettrodo, dove sono in eccesso, all'elettrodo, dove sono in difetto.
Non è necessario dare al secondo elettrodo una carica positiva perché avvenga il movimento degli elettroni. La cosa principale è che la carica negativa del primo elettrodo deve essere maggiore. È anche possibile caricare negativamente entrambi i conduttori, ma un conduttore deve avere una carica maggiore dell'altro. In questo caso, si dice che una differenza di potenziale causa una corrente elettrica.
Simile all'analogia dell'acqua - se si collegano due vasi pieni d'acqua a livelli diversi, ci sarà un flusso d'acqua. La sua testa dipenderà dalla differenza di livello.
È interessante che il moto caotico degli elettroni sotto l'azione del campo elettrico è in generale mantenuto, ma il vettore di moto complessivo della massa dei portatori di carica acquisisce un carattere direzionale. Mentre la componente "caotica" del movimento ha una velocità di alcune decine o addirittura centinaia di chilometri al secondo, la componente direzionale ha una velocità di alcuni millimetri al minuto. Ma l'impatto (quando gli elettroni lungo la lunghezza del conduttore si mettono in movimento) si propaga alla velocità della luce, quindi si dice che una corrente elettrica si muove alla velocità di 3*108 m/sec.
Nell'esperimento di cui sopra, la corrente nel conduttore esisterà per un breve periodo, fino a quando il conduttore caricato negativamente esaurisce gli elettroni in eccesso e bilancia il numero di elettroni in entrambi i poli. Questo tempo è breve - una minuscola frazione di secondo.
Il ritorno all'elettrodo originariamente carico negativamente e la creazione di un eccesso di carica per i portatori è impedito dallo stesso campo elettrico che ha spostato gli elettroni dal meno al più. Quindi, ci deve essere una forza esterna che agisce contro e superiore a quella del campo elettrico. Nell'analogia dell'acqua, ci deve essere una pompa che pompa l'acqua fino al livello superiore per creare un flusso continuo di acqua.
Direzione della corrente
La direzione della corrente viene presa da più a meno, cioè la direzione delle particelle con carica positiva è opposta a quella degli elettroni. Questo è dovuto al fatto che il fenomeno della corrente elettrica è stato scoperto molto prima che la sua natura fosse spiegata, e si credeva che la corrente scorresse in questa direzione. A quel tempo, si erano accumulati molti articoli e altra letteratura sull'argomento ed erano emersi concetti, definizioni e leggi. Per evitare di rivedere la grande quantità di materiale già pubblicato, abbiamo semplicemente preso la direzione della corrente contro il flusso di elettroni.
Se una corrente scorre sempre nella stessa direzione (anche se varia di intensità) si chiama corrente costante. Se la sua direzione cambia, si chiama corrente alternata. Nell'applicazione pratica, la direzione cambia secondo una legge, per esempio una legge sinusoidale. Se la direzione del flusso di corrente rimane invariata, ma la corrente scende periodicamente a zero e sale al suo valore massimo, si parla di corrente pulsata (di varie forme).
Prerequisiti per mantenere la corrente elettrica in un circuito
Le tre condizioni per l'esistenza della corrente elettrica in un circuito chiuso sono state derivate sopra. Devono essere esaminati in dettaglio.
Portatori di carica gratuita
La prima condizione necessaria per l'esistenza di una corrente elettrica è l'esistenza di portatori di carica liberi. Le cariche non esistono separatamente dai loro portatori, quindi dobbiamo considerare le particelle che possono portare una carica.
Nei metalli e in altre sostanze con un tipo di conducibilità simile (grafite, ecc.) questi sono elettroni liberi. Interagiscono debolmente con il nucleo e possono lasciare l'atomo e muoversi relativamente liberamente all'interno del conduttore.
Inoltre, gli elettroni liberi servono come portatori di carica nei semiconduttori, ma in alcuni casi si parla di conducibilità 'hole' in questa classe di solidi (in opposizione a 'electron'). Questo concetto è necessario solo per descrivere i processi fisici; infatti, la corrente nei semiconduttori è ancora lo stesso movimento di elettroni. I materiali in cui gli elettroni non possono lasciare l'atomo sono dielettrici. In essi non viene generata alcuna corrente.
Nei liquidi, gli ioni positivi e negativi portano una carica. Questo significa liquidi, che sono elettroliti. Per esempio, l'acqua in cui è disciolto il sale. L'acqua stessa è elettricamente abbastanza neutra, ma quando vi entra, i solidi e i liquidi si dissolvono e si dissociano (si disintegrano) per formare ioni positivi e negativi. E nei metalli fusi (per esempio il mercurio), gli stessi elettroni sono i portatori di carica.
I gas sono fondamentalmente dielettrici. Non ci sono elettroni liberi in essi - i gas sono composti da atomi e molecole neutre. Ma se il gas è ionizzato, un quarto stato aggregato della materia è detto plasma. Anche la corrente elettrica può scorrere in esso; nasce dal movimento direzionale di elettroni e ioni.
La corrente può scorrere anche nel vuoto (questo è il principio su cui si basano, per esempio, i tubi elettronici). Questo richiede elettroni o ioni.
Campo elettrico
Nonostante la presenza di portatori di carica libera, la maggior parte degli ambienti sono elettricamente neutri. Questo perché le particelle negative (elettroni) e positive (protoni) sono distribuite uniformemente e i loro campi si annullano a vicenda. Affinché sorga un campo, le cariche devono concentrarsi in una zona. Se gli elettroni sono concentrati nella zona di un elettrodo (negativo), l'elettrodo opposto (positivo) ne sarà privo e si creerà un campo, creando una forza che agisce sui portatori di carica e li costringe a muoversi.
Una terza forza per trasferire le cariche
E la terza condizione - ci deve essere una forza che trasferisce le cariche nella direzione opposta alla direzione del campo elettrostatico, altrimenti le cariche all'interno del sistema chiuso si equilibrano rapidamente. Questa forza esterna è chiamata forza elettromotrice. La sua origine può essere diversa.
Di natura elettrochimica
In questo caso i campi elettromagnetici derivano da reazioni elettrochimiche. Le reazioni possono essere irreversibili. La ben nota batteria è un esempio di cella galvanica. Quando i reagenti sono esauriti, l'EMF si riduce a zero e la batteria si "spegne".
In altri casi le reazioni possono essere reversibili. Per esempio, in una batteria, i campi elettromagnetici nascono anche come risultato di reazioni elettrochimiche. Ma quando sono completati, il processo può essere ripreso - sotto l'influenza di una corrente elettrica esterna, le reazioni si invertono e la batteria è pronta a emettere di nuovo corrente.
Fotovoltaico in natura
In questo caso il CEM è causato dall'influenza della radiazione visibile, ultravioletta o infrarossa sui processi nelle strutture dei semiconduttori. Tali forze si verificano nelle celle fotovoltaiche ("celle solari"). La luce fa scorrere una corrente elettrica in un circuito esterno.
Natura termoelettrica
Se prendete due conduttori dissimili, li saldate insieme e riscaldate la giunzione, nel circuito si creerà un EMF dovuto alla differenza di temperatura tra la giunzione calda (la giunzione dei conduttori) e la giunzione fredda - le estremità opposte dei conduttori. In questo modo è possibile non solo generare corrente ma anche misurare la temperatura misurando il campo elettromagnetico che ne deriva.
Natura piezoelettrica
Si verifica quando alcuni solidi vengono schiacciati o deformati. L'accendino elettrico funziona su questo principio.
Natura elettromagnetica
Il modo più comune di produrre elettricità a livello industriale è un generatore di corrente continua o alternata. In una macchina a corrente continua, un'armatura a forma di telaio ruota in un campo magnetico, incrociando le sue linee di forza. Questo produce un EMF che dipende dalla velocità del rotore e dal flusso magnetico. In pratica si usa un'armatura composta da un gran numero di bobine, che formano molti telai collegati in serie. I campi elettromagnetici risultanti vengono sommati.
В alternatore si utilizza lo stesso principio, ma un magnete (elettrico o permanente) ruota all'interno di un telaio stazionario. Gli stessi processi producono anche un EMF nello statore. EMFche ha una forma sinusoidale. La generazione di corrente alternata è quasi sempre usata industrialmente - è più facile convertirla per il trasporto e per scopi pratici.
Una proprietà interessante di un alternatore è che è reversibile. Se viene applicata una tensione ai terminali dell'alternatore da una fonte esterna, il suo rotore inizierà a ruotare. Ciò significa che, a seconda dello schema di connessione, una macchina elettrica può essere un generatore o un motore elettrico.
Questi sono solo i concetti di base del fenomeno della corrente elettrica. In realtà, i processi coinvolti nel movimento direzionale degli elettroni sono molto più complessi. La loro comprensione richiederebbe uno studio più approfondito dell'elettrodinamica.
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