Ak prostredie obsahuje voľné nosiče náboja (napr. elektróny v kove), nie sú v pokoji, ale pohybujú sa chaoticky. Je však možné dosiahnuť, aby sa elektróny pohybovali usporiadaným spôsobom v danom smere. Tento smerový pohyb nabitých častíc sa nazýva elektrický prúd.
Obsah
Ako vzniká elektrický prúd
Ak vezmeme dva vodiče a jeden z nich je záporne nabitý (pridávajú sa k nemu elektróny) a druhý je kladne nabitý (odoberajú sa z neho elektróny), vznikne elektrické pole. Ak obe elektródy spojíte s vodičom, pole spôsobí, že sa elektróny budú pohybovať v smere opačnom k smeru vektora intenzity elektrického poľa, podľa smeru vektora elektrickej sily. Záporne nabité častice sa budú presúvať z elektródy, kde je ich prebytok, na elektródu, kde je ich nedostatok.
Na to, aby došlo k pohybu elektrónov, nie je potrebné, aby druhá elektróda mala kladný náboj. Hlavnou vecou je, že záporný náboj prvej elektródy musí byť vyšší. Je dokonca možné nabiť oba vodiče záporne, ale jeden vodič musí mať väčší náboj ako druhý. V tomto prípade sa hovorí, že rozdiel potenciálov spôsobuje elektrický prúd.
Podobne ako pri analógii s vodou - ak spojíte dve nádoby naplnené vodou na rôznych úrovniach, voda bude prúdiť. Jeho hlava bude závisieť od rozdielu úrovní.
Je zaujímavé, že chaotický pohyb elektrónov pod vplyvom elektrického poľa sa vo všeobecnosti zachováva, ale celkový vektor pohybu hmoty nosičov náboja nadobúda smerový charakter. Zatiaľ čo "chaotická" zložka pohybu má rýchlosť niekoľko desiatok alebo dokonca stoviek kilometrov za sekundu, smerová zložka má rýchlosť niekoľko milimetrov za minútu. Ale náraz (keď sa elektróny po dĺžke vodiča dajú do pohybu) sa šíri rýchlosťou svetla, takže sa hovorí, že elektrický prúd sa pohybuje rýchlosťou 3*108 m/s.
V uvedenom experimente bude prúd vo vodiči existovať krátky čas, kým záporne nabitý vodič nevyčerpá prebytočné elektróny a nevyrovná počet elektrónov na oboch póloch. Tento čas je krátky - nepatrný zlomok sekundy.
Presunu späť k pôvodne záporne nabitej elektróde a vytvoreniu prebytočného náboja nosičov bráni to isté elektrické pole, ktoré presunulo elektróny z mínusu do plusu. Preto musí existovať vonkajšia sila, ktorá pôsobí proti elektrickému poľu a je mu nadradená. V analógii s vodou musí existovať čerpadlo, ktoré čerpá vodu späť na hornú úroveň, aby sa vytvoril nepretržitý tok vody.
Smer prúdu
Smer prúdu sa považuje za smer od plusu k mínusu, t. j. smer kladne nabitých častíc je opačný ako smer elektrónov. Je to spôsobené tým, že fenomén elektrického prúdu bol objavený oveľa skôr, ako bola vysvetlená jeho podstata, a verilo sa, že prúd tečie týmto smerom. V tom čase sa už nahromadilo množstvo článkov a inej literatúry na túto tému a vznikli pojmy, definície a zákony. Aby sme sa vyhli prezeraniu obrovského množstva už publikovaného materiálu, jednoducho sme zobrali smer prúdu proti toku elektrónov.
Ak prúd tečie stále rovnakým smerom (aj keď sa jeho sila mení), nazýva sa konštantný prúd. Ak sa mení jeho smer, nazýva sa striedavý prúd. V praktickom použití sa smer mení podľa zákona, napr. sínusového zákona. Ak sa smer toku prúdu nemení, ale prúd periodicky klesá na nulu a stúpa na maximálnu hodnotu, hovoríme o impulznom prúde (rôznych tvarov).
Predpoklady na udržanie elektrického prúdu v obvode
Vyššie boli odvodené tri podmienky existencie elektrického prúdu v uzavretom obvode. Je potrebné ich podrobne preskúmať.
Bezplatné nosiče poplatkov
Prvou nevyhnutnou podmienkou existencie elektrického prúdu je existencia voľných nosičov náboja. Náboje neexistujú oddelene od ich nosičov, preto musíme uvažovať o časticiach, ktoré môžu niesť náboj.
V kovoch a iných látkach s podobným typom vodivosti (grafit atď.) sú to voľné elektróny. S jadrom interagujú slabo a môžu opustiť atóm a relatívne voľne sa pohybovať vo vnútri vodiča.
Aj voľné elektróny slúžia ako nosiče náboja v polovodičoch, ale v niektorých prípadoch hovoríme o "dierovej" vodivosti v tejto triede pevných látok (na rozdiel od "elektrónovej"). Tento pojem je potrebný len na opis fyzikálnych procesov; v skutočnosti je prúd v polovodičoch stále rovnaký pohyb elektrónov. Materiály, v ktorých elektróny nemôžu opustiť atóm, sú dielektrika. Nevzniká v nich žiadny prúd.
V kvapalinách majú kladné a záporné ióny náboj. To znamená tekutiny, ktoré sú elektrolytmi. Napríklad voda, v ktorej je rozpustená soľ. Samotná voda je elektricky celkom neutrálna, ale keď sa do nej dostanú pevné a kvapalné látky, rozpúšťajú sa a disociujú (rozpadajú sa) za vzniku kladných a záporných iónov. V roztavených kovoch (napr. ortuti) sú nositeľmi náboja tie isté elektróny.
Plyny sú v podstate dielektriká. Nie sú v nich žiadne voľné elektróny - plyny sa skladajú z neutrálnych atómov a molekúl. Ak je však plyn ionizovaný, hovorí sa o štvrtom skupenstve hmoty, ktorým je plazma. Môže v ňom tiecť aj elektrický prúd, ktorý vzniká smerovým pohybom elektrónov a iónov.
Prúd môže tiecť aj vo vákuu (na tomto princípe sú založené napr. elektrónky). Na to sú potrebné elektróny alebo ióny.
Elektrické pole
Napriek prítomnosti voľných nosičov náboja je väčšina prostredí elektricky neutrálna. Je to preto, lebo záporné (elektróny) a kladné (protóny) častice sú rovnomerne rozmiestnené a ich polia sa navzájom vyrušia. Aby vzniklo pole, náboje sa musia sústrediť v určitej oblasti. Ak sa elektróny sústredia v oblasti jednej (zápornej) elektródy, na opačnej (kladnej) elektróde ich bude chýbať a vznikne pole, ktoré pôsobí na nosiče náboja a núti ich pohybovať sa.
Tretia sila na prenos nálože
A tretia podmienka - musí existovať sila, ktorá prenáša náboje v smere opačnom k smeru elektrostatického poľa, inak sa náboje v uzavretej sústave rýchlo vyrovnajú. Táto vonkajšia sila sa nazýva elektromotorická sila. Jeho pôvod môže byť iný.
Elektrochemická povaha
V tomto prípade je EMP výsledkom elektrochemických reakcií. Reakcie môžu byť nevratné. Známa batéria je príkladom galvanického článku. Keď sa činidlá vyčerpajú, EMP sa zníži na nulu a batéria sa "vypne".
V iných prípadoch môžu byť reakcie reverzibilné. Napríklad v batérii vzniká EMP aj v dôsledku elektrochemických reakcií. Po ich ukončení sa však proces môže obnoviť - pod vplyvom vonkajšieho elektrického prúdu sa reakcie obrátia a batéria bude opäť pripravená vydávať prúd.
Fotovoltaika v prírode
V tomto prípade je EMP spôsobené vplyvom viditeľného, ultrafialového alebo infračerveného žiarenia na procesy v polovodičových štruktúrach. Takéto sily sa vyskytujú vo fotovoltaických článkoch ("solárnych článkoch"). Svetlo spôsobuje tok elektrického prúdu vo vonkajšom obvode.
Termoelektrický charakter
Ak vezmete dva rôznorodé vodiče, spájkujete ich a zahrejete spoj, v obvode vznikne EMP v dôsledku rozdielu teplôt medzi horúcim spojom (spoj vodičov) a studeným spojom - opačnými koncami vodičov. Týmto spôsobom môžete nielen generovať prúd, ale aj meranie teploty meraním vznikajúceho EMP.
Piezoelektrická povaha
Vzniká pri stláčaní alebo deformácii určitých pevných látok. Elektrický zapaľovač funguje na tomto princípe.
Elektromagnetická povaha
Najbežnejším spôsobom priemyselnej výroby elektrickej energie je generátor jednosmerného alebo striedavého prúdu. V jednosmernom stroji sa kotva v podobe rámu otáča v magnetickom poli a pretína jeho siločiary. Vzniká EMP, ktoré závisí od otáčok rotora a magnetického toku. V praxi sa používa kotva pozostávajúca z veľkého počtu cievok, ktoré tvoria mnoho sériovo zapojených rámov. Výsledné EMF sa sčítajú.
В alternátor používa sa rovnaký princíp, ale magnet (elektrický alebo permanentný) sa otáča vo vnútri nehybného rámu. Rovnaké procesy vedú aj k vzniku EMP v statore. EMPktorá má tvar sínusoidy. Výroba striedavého prúdu sa takmer vždy využíva v priemysle - je jednoduchšie ho konvertovať na dopravné a praktické účely.
Zaujímavou vlastnosťou alternátora je, že je reverzibilný. Ak sa na svorky alternátora privedie napätie z vonkajšieho zdroja, jeho rotor sa začne otáčať. To znamená, že v závislosti od schémy zapojenia môže byť elektrický stroj buď generátorom, alebo elektromotorom.
Toto sú len základné pojmy o jave elektrického prúdu. V skutočnosti sú procesy spojené so smerovým pohybom elektrónov oveľa zložitejšie. Ich pochopenie by si vyžadovalo hlbšie štúdium elektrodynamiky.
Súvisiace články:
