Indien een medium vrije ladingsdragers bevat (b.v. elektronen in een metaal), zijn deze niet in rust, maar bewegen zij chaotisch. Maar het is mogelijk om de elektronen op een geordende manier in een bepaalde richting te laten bewegen. Deze gerichte beweging van geladen deeltjes wordt elektrische stroom genoemd.
Inhoud
Hoe een elektrische stroom ontstaat
Als wij twee geleiders nemen, en één van hen is negatief geladen (er worden elektronen aan toegevoegd) en de andere is positief geladen (er worden enkele elektronen aan onttrokken), zal er een elektrisch veld ontstaan. Als je beide elektroden verbindt met een geleider, zal het veld de elektronen doen bewegen in de richting tegengesteld aan de richting van de elektrische veldsterktevector, volgens de richting van de elektrische krachtvector. De negatief geladen deeltjes zullen zich verplaatsen van de elektrode, waar ze in overmaat zijn, naar de elektrode, waar ze in tekort zijn.
Het is niet nodig de tweede elektrode een positieve lading te geven om de beweging van elektronen te laten plaatsvinden. Het belangrijkste is dat de negatieve lading van de eerste elektrode hoger moet zijn. Het is zelfs mogelijk beide geleiders negatief op te laden, maar de ene geleider moet een grotere lading hebben dan de andere. In dit geval wordt gezegd dat een potentiaalverschil een elektrische stroom veroorzaakt.
Vergelijkbaar met de wateranalogie - als je twee met water gevulde vaten op verschillende niveaus met elkaar verbindt, zal er een waterstroom zijn. De kop zal afhangen van het verschil in niveaus.
Het is interessant dat de chaotische beweging van de elektronen onder invloed van het elektrische veld in het algemeen behouden blijft, maar dat de algemene bewegingsvector van de massa van de ladingsdragers een directioneel karakter krijgt. Terwijl de "chaotische" component van de beweging een snelheid heeft van enkele tientallen of zelfs honderden kilometers per seconde, heeft de directionele component een snelheid van enkele millimeters per minuut. Maar de inslag (wanneer de elektronen over de lengte van de geleider in beweging komen) plant zich voort met de snelheid van het licht, zodat men zegt dat een elektrische stroom zich voortbeweegt met de snelheid van 3*108 m/sec.
In het bovenstaande experiment zal de stroom in de geleider een korte tijd bestaan, totdat de negatief geladen geleider geen overtollige elektronen meer heeft en het aantal elektronen aan beide polen in evenwicht is. Deze tijd is kort - een fractie van een seconde.
Het teruggaan naar de oorspronkelijk negatief geladen elektrode en het creëren van een overmatige lading aan de dragers wordt verhinderd door hetzelfde elektrische veld dat de elektronen van de min naar de plus bewoog. Daarom moet er een externe kracht zijn die tegengesteld en superieur werkt aan die van het elektrische veld. In de analogie van water moet er een pomp zijn die het water naar het bovenste niveau terugpompt om een continue waterstroom te creëren.
Richting van de stroom
De richting van de stroom is van plus naar min, d.w.z. de richting van de positief geladen deeltjes is tegengesteld aan die van de elektronen. Dit is te wijten aan het feit dat het verschijnsel elektrische stroom veel eerder werd ontdekt dan dat de aard ervan werd verklaard, en men geloofde dat de stroom in deze richting liep. Tegen die tijd waren er veel artikelen en andere literatuur over dit onderwerp verzameld en waren er concepten, definities en wetten ontstaan. Om de grote hoeveelheid reeds gepubliceerd materiaal niet opnieuw te moeten bekijken, hebben wij eenvoudigweg de stroomrichting genomen tegen de elektronenstroom in.
Als een stroom de hele tijd in dezelfde richting stroomt (zelfs als de sterkte varieert) heet dat constante stroom. Als de richting verandert, spreekt men van wisselstroom. In de praktijk verandert de richting volgens een wet, b.v. een sinusoïdale wet. Als de richting van de stroom onveranderd blijft, maar de stroom periodiek tot nul daalt en weer tot de maximumwaarde stijgt, spreken we van gepulseerde stroom (van verschillende vormen).
Voorwaarden om elektrische stroom in een stroomkring te houden
De drie voorwaarden voor het bestaan van elektrische stroom in een gesloten circuit zijn hierboven afgeleid. Ze moeten in detail worden onderzocht.
Kosteloze dragers
De eerste noodzakelijke voorwaarde voor het bestaan van een elektrische stroom is het bestaan van vrije ladingsdragers. Ladingen bestaan niet los van hun dragers, dus moeten we deeltjes beschouwen die een lading kunnen dragen.
In metalen en andere stoffen met een soortgelijk geleidingsvermogen (grafiet, enz.) zijn dit vrije elektronen. Zij hebben een zwakke wisselwerking met de atoomkern en kunnen het atoom verlaten en zich betrekkelijk vrij bewegen binnen de geleider.
Ook vrije elektronen dienen als ladingsdragers in halfgeleiders, maar in sommige gevallen spreekt men van "gat"-geleiding in deze klasse van vaste stoffen (in tegenstelling tot "elektron"). Dit begrip is alleen nodig om fysische processen te beschrijven; in feite is de stroom in halfgeleiders nog steeds dezelfde beweging van elektronen. Materialen waarin elektronen het atoom niet kunnen verlaten zijn diëlektrica. Er wordt geen stroom in opgewekt.
In vloeistoffen dragen positieve en negatieve ionen een lading. Dit betekent vloeistoffen, die elektrolyten zijn. Bijvoorbeeld water waarin zout is opgelost. Water zelf is elektrisch vrij neutraal, maar wanneer er water in komt, lossen vaste stoffen en vloeistoffen op en dissociëren (vallen uiteen) om positieve en negatieve ionen te vormen. En in gesmolten metalen (b.v. kwik) zijn dezelfde elektronen de ladingsdragers.
Gassen zijn in feite diëlektrische stoffen. Er zijn geen vrije elektronen in - gassen bestaan uit neutrale atomen en moleculen. Maar als het gas geïoniseerd is, spreekt men van een vierde aggregatietoestand van de materie: plasma. Er kan ook elektrische stroom in lopen; die ontstaat door de gerichte beweging van elektronen en ionen.
Ook in een vacuüm kan stroom vloeien (dit is het principe waarop b.v. elektronenbuizen zijn gebaseerd). Hiervoor zijn elektronen of ionen nodig.
Elektrisch veld
Ondanks de aanwezigheid van vrije ladingsdragers zijn de meeste omgevingen elektrisch neutraal. Dit komt omdat de negatieve (elektronen) en positieve (protonen) deeltjes op gelijke afstand van elkaar staan en hun velden elkaar opheffen. Om een veld te laten ontstaan, moeten de ladingen zich in een gebied concentreren. Als de elektronen geconcentreerd zijn in het gebied van één (negatieve) elektrode, zal de tegenoverliggende (positieve) elektrode ze missen en zal er een veld ontstaan, dat een kracht creëert die op de ladingsdragers werkt en hen dwingt zich te verplaatsen.
Een derde kracht om de ladingen over te dragen
En de derde voorwaarde - er moet een kracht zijn die de ladingen overbrengt in de richting tegengesteld aan de richting van het elektrostatische veld, anders zullen de ladingen binnen het gesloten systeem snel in evenwicht zijn. Deze externe kracht wordt de elektromotorische kracht genoemd. De oorsprong kan anders zijn.
Elektrochemisch van aard
In dit geval is EMF het resultaat van elektrochemische reacties. De reacties kunnen onomkeerbaar zijn. De bekende batterij is een voorbeeld van een galvanische cel. Wanneer de reagentia op zijn, wordt de EMF tot nul gereduceerd, en de batterij "schakelt uit".
In andere gevallen kunnen de reacties omkeerbaar zijn. In een batterij bijvoorbeeld ontstaat EMF ook als gevolg van elektrochemische reacties. Maar wanneer zij voltooid zijn, kan het proces worden hervat - onder invloed van een externe elektrische stroom zullen de reacties omkeren en zal de batterij klaar zijn om opnieuw stroom af te geven.
Fotovoltaïsch in de natuur
In dit geval wordt EMF veroorzaakt door de invloed van zichtbare, ultraviolette of infrarode straling op de processen in halfgeleiderstructuren. Dergelijke krachten treden op in fotovoltaïsche cellen ("zonnecellen"). Licht veroorzaakt een elektrische stroom in een externe stroomkring.
Thermo-elektrische aard
Indien men twee ongelijke geleiders neemt, deze aan elkaar soldeert en de verbinding verhit, zal in de stroomkring een EMF ontstaan ten gevolge van het temperatuurverschil tussen de hete verbinding (het knooppunt van de geleiders) en de koude verbinding - de tegenovergestelde uiteinden van de geleiders. Op deze manier kunt u niet alleen stroom opwekken, maar ook de temperatuur meten door de ontstane EMF te meten.
Piëzo-elektrisch karakter
Treedt op wanneer bepaalde vaste stoffen worden samengeperst of vervormd. De elektrische aansteker werkt volgens dit principe.
Elektromagnetische aard
De meest gebruikelijke manier om industrieel elektriciteit op te wekken is met een gelijkstroom- of wisselstroomgenerator. In een gelijkstroommachine roteert een anker in de vorm van een frame in een magnetisch veld, waarbij de krachtlijnen elkaar kruisen. Dit veroorzaakt een EMF die afhankelijk is van het toerental van de rotor en de magnetische flux. In de praktijk wordt een anker gebruikt dat uit een groot aantal spoelen bestaat, die vele in serie geschakelde frames vormen. De resulterende EMF's worden bij elkaar opgeteld.
В dynamo hetzelfde principe wordt gebruikt, maar een (elektrische of permanente) magneet roteert binnen een stilstaand frame. Dezelfde processen resulteren ook in een EMF in de stator. EMFdie een sinusvorm heeft. Het opwekken van wisselstroom wordt bijna altijd industrieel gebruikt - het is gemakkelijker om het om te zetten voor vervoer en praktische doeleinden.
Een interessante eigenschap van een alternator is dat hij omkeerbaar is. Als er spanning van een externe bron op de klemmen van de alternator wordt gezet, begint de rotor te draaien. Dit betekent dat een elektrische machine, afhankelijk van het aansluitschema, zowel een generator als een elektromotor kan zijn.
Dit zijn slechts de basisbegrippen van het verschijnsel elektrische stroom. In werkelijkheid zijn de processen die betrokken zijn bij de gerichte beweging van elektronen veel complexer. Om ze te begrijpen zou een diepere studie van de elektrodynamica nodig zijn.
Verwante artikelen:
