Če so v katerem koli mediju prosti nosilci naboja (npr. elektroni v kovini), ti ne mirujejo, ampak se gibljejo kaotično. Vendar je mogoče doseči, da se elektroni premikajo urejeno v določeni smeri. Tako usmerjeno gibanje nabitih delcev imenujemo električni tok.
Vsebina
Kako nastane električni tok
Če vzamete dva prevodnika in je eden od njiju negativno nabit (vanj dodaja elektrone), drugi pa je pozitivno nabit (odvzame nekaj njegovih elektronov), bo nastalo električno polje. Če obe elektrodi povežete z vodnikom, se bo zaradi polja elektroni premaknili v smeri, ki je nasprotna smeri vektorja električne poljske jakosti, glede na smer vektorja električne sile. Negativno nabiti delci se bodo premikali od elektrode, kjer jih je v presežku, do elektrode, kjer jih primanjkuje.
Drugi elektrodi ni treba dati pozitivnega naboja, da bi se elektroni premikali. Glavna stvar je, da mora biti negativni naboj prve elektrode večji. Možno je celo, da oba prevodnika naelektrimo negativno, vendar mora imeti en prevodnik večji naboj od drugega.V tem primeru govorimo o potencialni razliki, ki povzroči električni tok.
Podobno kot pri analogiji z vodo – če povežete dve posodi, napolnjeni z vodo, na različnih nivojih, bo prišlo do toka vode. Njegova glava bo odvisna od razlike v nivojih.
Zanimivo je, da se kaotično gibanje elektronov pod vplivom električnega polja na splošno ohrani, vendar celoten vektor gibanja mase nosilcev naboja postane usmerjen. Medtem ko ima »kaotična« komponenta gibanja hitrost nekaj deset ali celo sto kilometrov na sekundo, ima usmerjena komponenta hitrost nekaj milimetrov na minuto. Vendar se udarec (ko se elektroni po dolžini prevodnika premaknejo) širi s svetlobno hitrostjo, zato naj bi se električni tok gibal s hitrostjo 3*108 m/s.
V zgornjem poskusu bo tok v prevodniku obstajal kratek čas, dokler v negativno nabitem prevodniku ne zmanjka odvečnih elektronov in se njihovo število na obeh polih uravnoteži. Ta čas je kratek, majhen delček sekunde.
Premik nazaj na prvotno negativno nabito elektrodo in ustvarjanje presežnega naboja nosilcem ni dovoljeno zaradi istega električnega polja, ki je premaknilo elektrone iz minus v plus. Zato mora obstajati tretja sila, ki deluje proti sili električnega polja in jo presega. V analogiji z vodo mora obstajati črpalka, ki črpa vodo nazaj do najvišje ravni, da ustvari neprekinjen pretok vode.
Smer toka
Smer toka je vzeta od plusa do minusa, to pomeni, da je smer pozitivno nabitih delcev nasprotna gibanju elektronov. To je posledica dejstva, da je bil pojav električnega toka odkrit veliko prej, kot je bila pojasnjena njegova narava, in veljalo je, da tok teče v tej smeri.Do takrat se je nabralo veliko število člankov in druge literature na to temo, pojavili so se koncepti, definicije in zakoni. Da ne bi revidirali ogromne količine že objavljenega materiala, smo preprosto vzeli smer toka proti toku elektronov.
Če tok teče ves čas v isti smeri (čeprav se jakost spreminja), se imenuje stalni tok. Če se njegova smer spremeni, govorimo o izmeničnem toku. V praktičnih aplikacijah se smer spreminja v skladu z nekim zakonom, kot je sinusni val. Če smer toka ostane nespremenjena, vendar se občasno zmanjša na nič in poveča do največje vrednosti, govorimo o impulznem toku (različnih oblik).
Predpogoji za vzdrževanje električnega toka v tokokrogu
Zgoraj so bili izpeljani trije pogoji za obstoj električnega toka v zaprtem krogu. Treba jih je obravnavati podrobneje.
Brezplačni nosilci polnjenja
Prvi nujni pogoj za obstoj električnega toka je prisotnost prostih nosilcev naboja. Naboji ne obstajajo ločeno od svojih nosilcev, zato moramo upoštevati delce, ki lahko nosijo naboj.
V kovinah in drugih snoveh s podobno vrsto prevodnosti (grafit itd.) so to prosti elektroni. Z jedrom medsebojno delujejo šibko in lahko zapustijo atom ter se relativno prosto gibljejo znotraj prevodnika.
Tudi prosti elektroni služijo kot nosilci naboja v polprevodnikih, vendar v nekaterih primerih govorimo o "luknjasti" prevodnosti tega razreda trdnih snovi (v nasprotju z "elektronsko"). Ta koncept je potreben le za opis fizičnih procesov; pravzaprav je tok v polprevodnikih enako gibanje elektronov. Materiali, pri katerih elektroni ne morejo zapustiti atoma, so dielektriki. V njih se ne ustvarja tok.
V tekočinah nosijo pozitivni in negativni ioni naboj. Tu mislimo na tekočine, ki so elektroliti.Na primer voda, v kateri je raztopljena sol. Sama voda je električno precej nevtralna, vendar se trdne snovi in tekočine raztopijo in disociirajo (razpadejo), da tvorijo pozitivne in negativne ione, ko so ji izpostavljene. In v staljenih kovinah (npr. živem srebru) so isti elektroni nosilci naboja.
Plini so v osnovi dielektriki. V njih ni prostih elektronov - plini so sestavljeni iz nevtralnih atomov in molekul. Če pa je plin ioniziran, govorimo o četrtem agregatnem stanju snovi – plazmi. V njej lahko teče tudi električni tok; nastane zaradi usmerjenega gibanja elektronov in ionov.
Tok lahko teče tudi v vakuumu (to je princip, na katerem temeljijo npr. elektronske cevi). To zahteva elektrone ali ione.
Električno polje
Kljub prisotnosti prostih nosilcev naboja je večina medijev električno nevtralnih. To je zato, ker so negativni (elektroni) in pozitivni (protoni) delci enakomerno razporejeni in se njuni polji med seboj izničita. Da polje nastane, se morajo naboji koncentrirati na območju. Če so elektroni koncentrirani v območju ene (negativne) elektrode, jih nasprotni (pozitivni) manjka in nastane polje, ki ustvarja silo, ki deluje na nosilce naboja in jih premika.
Tretja oseba za nosilce polnjenja
In tretji pogoj je, da mora obstajati sila, ki nosi naboje v smeri, ki je nasprotna smeri elektrostatičnega polja, sicer se naboji znotraj zaprtega sistema hitro uravnovesijo. Ta zunanja sila se imenuje elektromotorna sila. Njegov izvor je lahko različen.
Elektrokemična narava
V tem primeru EMF nastane kot posledica poteka elektrokemičnih reakcij. Reakcije so lahko nepovratne. Primer je galvanski člen, znana baterija. Ko so reagenti izčrpani, se EMF zmanjša na nič in baterija se "izklopi".
V drugih primerih so lahko reakcije reverzibilne.Na primer, v bateriji EMF nastane tudi kot posledica elektrokemičnih reakcij. Toda po njihovem zaključku se lahko postopek nadaljuje - pod delovanjem zunanjega električnega toka bodo reakcije potekale v obratnem vrstnem redu in baterija bo spet pripravljena oddajati tok.
Fotoelektrična narava
V tem primeru EMF nastane zaradi vpliva vidnega, ultravijoličnega ali infrardečega sevanja na procese v polprevodniških strukturah. Takšne sile nastanejo v fotocelicah (»sončne celice«). Delovanje svetlobe v zunanjem krogu povzroči električni tok.
Termoelektrična narava
Če vzamete dva različna vodnika, ju spajkate skupaj in segrejete stičišče, se bo v tokokrogu pojavil EMF zaradi temperaturne razlike med vročim spojem (stičiščem prevodnikov) in hladnim spojem - nasprotnimi konci vodnikov. prevodniki. Na ta način ne morete samo ustvarjati toka, temveč tudi izmerite temperaturo z merjenjem nastalega EMF.
Piezoelektrična narava.
Pojavi se, ko so določene trdne snovi stisnjene ali deformirane. Na tem principu deluje električni vžigalnik.
Elektromagnetna narava.
Najpogostejši način za industrijsko proizvodnjo električne energije je generator DC ali AC. V enosmernem stroju se armatura v obliki okvirja vrti v magnetnem polju in prečka njegove silnice. To povzroči EMF, ki je odvisen od hitrosti rotorja in magnetnega pretoka. V praksi se uporablja armatura velikega števila tuljav, ki tvorijo številne zaporedno povezane okvirje. EMF, ki nastane v njih, se sešteje.
V alternator Uporablja se isti princip, vendar se magnet (električni ali trajni) vrti znotraj mirujočega okvirja. Isti procesi povzročijo tudi EMF v statorju. EMFki ima sinusno obliko. V industrijskem obsegu se skoraj vedno uporablja ustvarjanje izmeničnega toka - lažje ga je pretvoriti za transport in praktično uporabo.
Zanimiva lastnost alternatorja je reverzibilnost. Sestoji iz dejstva, da če na sponke generatorja priključite napetost iz vira tretje osebe, se bo njegov rotor začel vrteti. To pomeni, da je lahko električni stroj glede na shemo povezave generator ali elektromotor.
To so le osnovni pojmi o pojavu električnega toka. Pravzaprav so procesi, ki se zgodijo, ko se premikajo usmerjeni elektroni, veliko bolj zapleteni. Njihovo razumevanje bi zahtevalo globlje študije elektrodinamike.
Povezani članki:
