Ja vidē ir brīvi lādiņa nesēji (piemēram, elektroni metālā), tie neatrodas miera stāvoklī, bet pārvietojas haotiski. Taču ir iespējams panākt, ka elektroni pārvietojas sakārtoti noteiktā virzienā. Šo lādēto daļiņu virziena kustību sauc par elektrisko strāvu.
Saturs
Kā tiek radīta elektriskā strāva
Ja ņemam divus vadītājus un viens no tiem ir negatīvi lādēts (pievienojot tam elektronus), bet otrs ir pozitīvi lādēts (atņemot no tā dažus elektronus), rodas elektriskais lauks. Ja abus elektrodus savieno ar vadītāju, lauks liks elektroniem kustēties virzienā, kas ir pretējs elektriskā lauka intensitātes vektora virzienam, atbilstoši elektriskā spēka vektora virzienam. Negatīvi lādētās daļiņas pārvietosies no elektroda, kur to ir pārpalikums, uz elektrodu, kur to ir deficīts.
Lai notiktu elektronu kustība, otrajam elektrodam nav jāpiešķir pozitīvs lādiņš. Galvenais ir tas, ka pirmā elektroda negatīvajam lādiņam jābūt lielākam. Ir pat iespējams abus vadītājus uzlādēt negatīvi, taču vienam vadītājam jābūt ar lielāku lādiņu nekā otram. Šajā gadījumā tiek uzskatīts, ka potenciālu starpība izraisa elektrisko strāvu.
Līdzīgi kā ar ūdens analoģiju - ja savienosiet divus ar ūdeni piepildītus traukus dažādos līmeņos, radīsies ūdens plūsma. Tās galva būs atkarīga no līmeņu starpības.
Interesanti, ka elektronu haotiskā kustība elektriskā lauka iedarbībā kopumā saglabājas, bet lādiņnesēju masas kopējais kustības vektors iegūst virziena raksturu. Ja "haotiskās" kustības komponentei ir vairāki desmiti vai pat simti kilometru sekundē, tad virziena komponentes ātrums ir vairāki milimetri minūtē. Bet trieciens (kad elektroni pa vadītāja garumu nonāk kustībā) izplatās ar gaismas ātrumu, tāpēc tiek uzskatīts, ka elektriskā strāva pārvietojas ar ātrumu 3*10.8 m/sek.
Iepriekš minētajā eksperimentā strāva vadītājā pastāvēs neilgu laiku, līdz negatīvi lādētajā vadītājā beigsies lieko elektronu daudzums un līdzsvarosies elektronu skaits abos polos. Šis laiks ir īss - niecīga sekundes daļa.
Pārvietošanos atpakaļ uz sākotnēji negatīvi lādēto elektrodu un lieka lādiņa radīšanu nesējiem novērš tas pats elektriskais lauks, kas pārcēla elektronus no mīnusa uz plusu. Tāpēc ir jābūt ārējam spēkam, kas darbojas pret elektrisko lauku un ir lielāks par to. Pēc analoģijas ar ūdeni ir jābūt sūknim, kas ūdeni sūknē atpakaļ uz augšējo līmeni, lai nodrošinātu nepārtrauktu ūdens plūsmu.
Strāvas virziens
Strāvas virziens ir no plusa uz mīnusu, t. i., pozitīvi lādēto daļiņu virziens ir pretējs elektronu virzienam. Tas ir saistīts ar to, ka elektriskās strāvas fenomens tika atklāts daudz agrāk, nekā tika izskaidrota tā būtība, un tika uzskatīts, ka strāva plūst šajā virzienā. Līdz tam laikam par šo tēmu bija uzkrāts daudz rakstu un citas literatūras, kā arī izstrādāti jēdzieni, definīcijas un likumi. Lai izvairītos no jau publicēto materiālu daudzuma pārskatīšanas, mēs vienkārši noteicām strāvas virzienu pret elektronu plūsmu.
Ja strāva visu laiku plūst vienā un tajā pašā virzienā (pat ja tās stiprums mainās), to sauc par pastāvīga strāva. Ja tās virziens mainās, to sauc par maiņstrāvu. Praksē virziens mainās saskaņā ar likumu, piemēram, sinusoidālu likumu. Ja strāvas plūsmas virziens paliek nemainīgs, bet strāva periodiski samazinās līdz nullei un palielinās līdz maksimālajai vērtībai, runājam par impulsu strāvu (dažādas formas).
Priekšnoteikumi elektriskās strāvas uzturēšanai ķēdē
Iepriekš ir atvasināti trīs nosacījumi elektriskās strāvas pastāvēšanai slēgtā ķēdē. Tie ir sīki jāizpēta.
Bezmaksas maksas pārvadātāji
Pirmais nepieciešamais nosacījums elektriskās strāvas pastāvēšanai ir brīvo lādiņa nesēju pastāvēšana. Lādiņi neeksistē atsevišķi no to nesējiem, tāpēc mums ir jāņem vērā daļiņas, kas var nest lādiņu.
Metālos un citās vielās ar līdzīgu vadītspēju (grafīts u. c.) tie ir brīvi elektroni. Tās vāji mijiedarbojas ar kodolu un var atstāt atomu un relatīvi brīvi kustēties vadītājā.
Arī brīvie elektroni kalpo kā lādiņa nesēji pusvadītājos, bet dažos gadījumos mēs runājam par "caurumu" vadītspēju šajā cietvielu klasē (atšķirībā no "elektronu"). Šis jēdziens ir nepieciešams tikai fizikālo procesu aprakstīšanai; patiesībā strāva pusvadītājos joprojām ir tā pati elektronu kustība. Materiāli, kuros elektroni nevar atstāt atomu, ir šādi. dielektriķi. Tajos netiek ģenerēta strāva.
Šķidrumos pozitīvie un negatīvie joni ir ar lādiņu. Tas nozīmē šķidrumus, kas ir elektrolīti. Piemēram, ūdens, kurā izšķīdināta sāls. Ūdens pats par sevi ir elektriski diezgan neitrāls, bet, nonākot tajā, cietvielas un šķidrumi izšķīst un disociējas (sadalās), veidojot pozitīvus un negatīvus jonus. Un izkausētos metālos (piemēram, dzīvsudrabā) tie paši elektroni ir lādiņa nesēji.
Gāzes būtībā ir dielektriķi. Tajās nav brīvu elektronu - gāzes sastāv no neitrāliem atomiem un molekulām. Bet, ja gāze ir jonizēta, par ceturto vielas agregātstāvokli sauc plazmu. Arī tajā var plūst elektriskā strāva, kas rodas no virzītas elektronu un jonu kustības.
Strāva var plūst arī vakuumā (uz šī principa balstās, piemēram, elektronlampas). Tam nepieciešami elektroni vai joni.
Elektriskais lauks
Neraugoties uz brīvo lādiņnesēju klātbūtni, lielākā daļa vides ir elektriski neitrāla. Tas ir tāpēc, ka negatīvās (elektroni) un pozitīvās (protoni) daļiņas ir vienmērīgi izvietotas un to lauki viens otru izlīdzina. Lai radītu lauku, lādiņiem ir jākoncentrējas kādā apgabalā. Ja elektroni koncentrējas viena (negatīvā) elektroda apgabalā, pretējā (pozitīvajā) elektrodā to pietrūkst un rodas lauks, kas rada spēku, kurš iedarbojas uz lādiņa nesējiem un liek tiem kustēties.
Trešais spēks, kas nodod maksu
Un trešais nosacījums - jābūt spēkam, kas pārnes lādiņus virzienā, kas ir pretējs elektrostatiskā lauka virzienam, citādi lādiņi slēgtā sistēmā ātri vien līdzsvarosies. Šo ārējo spēku sauc par elektromotora spēku. Tās izcelsme var būt atšķirīga.
Elektroķīmiska daba
Šajā gadījumā EML rodas elektroķīmisko reakciju rezultātā. Reakcijas var būt neatgriezeniskas. Labi zināmais akumulators ir galvaniskā elementa piemērs. Kad reaģenti ir izsmelti, EML samazinās līdz nullei, un akumulators "izslēdzas".
Citos gadījumos reakcijas var būt atgriezeniskas. Piemēram, baterijā EML rodas arī elektroķīmisko reakciju rezultātā. Bet, kad tās ir pabeigtas, procesu var atsākt - ārējas elektriskās strāvas ietekmē reakcijas notiks pretēji, un akumulators būs gatavs atkal izdalīt strāvu.
Fotogalvaniskie elementi dabā
Šajā gadījumā EML izraisa redzamā, ultravioletā vai infrasarkanā starojuma ietekme uz procesiem pusvadītāju struktūrās. Šādi spēki rodas fotogalvaniskajos elementos ("saules baterijās"). Gaisma izraisa elektriskās strāvas plūsmu ārējā ķēdē.
Termoelektriskā daba
Ja ņemat divus atšķirīgus vadītājus, pielodējat tos kopā un sakarstiet savienojumu, ķēdē radīsies EML, ko radīs temperatūras starpība starp karsto savienojumu (vadītāju savienojums) un auksto savienojumu - pretējiem vadītāju galiem. Šādā veidā jūs varat ne tikai ģenerēt strāvu, bet arī izmērīt temperatūru mērot radušos EML.
Pjezoelektriskā daba
Veidojas, kad noteiktas cietvielas tiek saspiestas vai deformētas. Elektriskā šķiltava darbojas pēc šāda principa.
Elektromagnētiskā daba
Rūpniecībā visizplatītākais elektroenerģijas ražošanas veids ir līdzstrāvas vai maiņstrāvas ģenerators. Līdzstrāvas mašīnā armatūra rāmja formā griežas magnētiskajā laukā, krustojot tā spēka līnijas. Tas rada EML, kas ir atkarīgs no rotora ātruma un magnētiskā indukcijas plūsmas. Praksē tiek izmantota armatūra, kas sastāv no liela skaita spoļu, veidojot daudzus rāmi, kas savienoti virknē. Iegūtie EML tiek saskaitīti kopā.
В alternators tiek izmantots tas pats princips, bet magnēts (elektriskais vai pastāvīgais) griežas stacionārā rāmī. Šie paši procesi rada arī elektromagnētisko spriegumu statorā. EMPkas ir sinusoidālā formā. Maiņstrāvas ģenerēšana gandrīz vienmēr tiek izmantota rūpnieciski - to ir vieglāk pārveidot transportam un praktiskām vajadzībām.
Interesanta alternatora īpašība ir tā, ka tas ir atgriezenisks. Ja alternatora spailēm tiek pielikts spriegums no ārēja avota, tā rotors sāks griezties. Tas nozīmē, ka atkarībā no pieslēguma shēmas elektriskā mašīna var būt vai nu ģenerators, vai elektromotors.
Tie ir tikai elektriskās strāvas fenomena pamatjēdzieni. Patiesībā procesi, kas saistīti ar elektronu virziena kustību, ir daudz sarežģītāki. Lai tos izprastu, būtu nepieciešams padziļināti apgūt elektrodinamiku.
Saistītie raksti:
