Om ett medium innehåller fria laddningsbärare (t.ex. elektroner i en metall) är de inte i vila utan rör sig kaotiskt. Men det är möjligt att få elektronerna att röra sig på ett ordnat sätt i en viss riktning. Denna riktade rörelse av laddade partiklar kallas elektrisk ström.
Innehåll
Hur en elektrisk ström skapas
Om vi tar två ledare och en av dem är negativt laddad (och tillför elektroner) och den andra är positivt laddad (och tar bort några elektroner) uppstår ett elektriskt fält. Om du ansluter båda elektroderna till en ledare kommer fältet att få elektronerna att röra sig i motsatt riktning mot den elektriska fältstyrkevektorns riktning, i enlighet med den elektriska kraftvektorns riktning. De negativt laddade partiklarna rör sig från elektroden, där de är i överskott, till elektroden, där de är i underskott.
Det är inte nödvändigt att ge den andra elektroden en positiv laddning för att elektronerna ska kunna röra sig. Huvudsaken är att den första elektrodens negativa laddning måste vara högre. Det är till och med möjligt att ladda båda ledarna negativt, men den ena ledaren måste ha en större laddning än den andra. I detta fall sägs en potentialskillnad orsaka en elektrisk ström.
Liknande som med vattenanalogin - om du ansluter två kärl fyllda med vatten till olika nivåer kommer det att uppstå ett flöde av vatten. Dess höjd beror på nivåskillnaden.
Det är intressant att elektronernas kaotiska rörelse under inverkan av det elektriska fältet i allmänhet bibehålls, men att den övergripande rörelsevektorn för massan av laddningsbärare får en riktningsbestämd karaktär. Medan den "kaotiska" komponenten av rörelsen har en hastighet på flera tiotals eller till och med hundratals kilometer per sekund, har den riktade komponenten en hastighet på flera millimeter per minut. Men effekten (när elektronerna längs ledarens längd kommer i rörelse) fortplantar sig med ljusets hastighet, så en elektrisk ström sägs röra sig med en hastighet av 3*108 m/sek.
I experimentet ovan kommer strömmen i ledaren att existera under en kort tid, tills den negativt laddade ledaren får slut på överskottselektroner och antalet elektroner på båda polerna är i balans. Tiden är kort - en bråkdel av en sekund.
Att flytta tillbaka till den ursprungligen negativt laddade elektroden och skapa en överladdning av bärarna förhindras av samma elektriska fält som flyttade elektronerna från minus till plus. Därför måste det finnas en yttre kraft som verkar mot och är större än det elektriska fältets kraft. I analogi med vatten måste det finnas en pump som pumpar upp vattnet till den översta nivån för att skapa ett kontinuerligt flöde av vatten.
Riktning av strömmen
Strömmens riktning antas vara från plus till minus, dvs. de positivt laddade partiklarnas riktning är motsatt elektronernas. Detta beror på att fenomenet elektrisk ström upptäcktes mycket tidigare än vad man förklarade dess natur, och man trodde att strömmen flödar i denna riktning. Vid den tiden hade det kommit en hel del artiklar och annan litteratur i ämnet och begrepp, definitioner och lagar hade utvecklats. För att undvika att gå igenom den stora mängden redan publicerat material tog vi helt enkelt strömriktningen mot elektronflödet.
Om en ström flyter i samma riktning hela tiden (även om den varierar i styrka) kallas den för konstant ström. Om riktningen ändras kallas den för växelström. I praktisk tillämpning ändras riktningen enligt en lag, t.ex. en sinusformad lag. Om strömriktningen förblir oförändrad, men strömmen periodvis sjunker till noll och stiger till sitt maximala värde, är det fråga om pulserande ström (i olika former).
Förutsättningar för att upprätthålla elektrisk ström i en krets
De tre villkoren för förekomsten av elektrisk ström i en sluten krets har tagits fram ovan. De måste granskas i detalj.
Gratis fraktföretag
Det första nödvändiga villkoret för att en elektrisk ström ska existera är att det finns fria laddningsbärare. Laddningar existerar inte separat från sina bärare, så vi måste tänka på partiklar som kan bära en laddning.
I metaller och andra ämnen med liknande ledningsförmåga (grafit etc.) är dessa fria elektroner. De interagerar svagt med kärnan och kan lämna atomen och röra sig relativt fritt i ledaren.
Fria elektroner fungerar också som laddningsbärare i halvledare, men i vissa fall talar vi om "hål"-ledningsförmåga i denna klass av fasta ämnen (i motsats till "elektron"). Detta begrepp behövs bara för att beskriva fysiska processer; i själva verket är strömmen i halvledare fortfarande samma rörelse av elektroner. Material där elektroner inte kan lämna atomen är dielektrikum. Ingen ström genereras i dem.
I vätskor har positiva och negativa joner en laddning. Detta innebär vätskor, som är elektrolyter. Till exempel vatten i vilket salt är löst. Vatten är i sig självt elektriskt ganska neutralt, men när det kommer in i det löser sig fasta ämnen och vätskor och dissocieras (sönderdelas) för att bilda positiva och negativa joner. Och i smälta metaller (t.ex. kvicksilver) är samma elektroner laddningsbärare.
Gaser är i princip dielektriska. Det finns inga fria elektroner i dem - gaser består av neutrala atomer och molekyler. Men om gasen joniseras kan man säga att ett fjärde aggregerat materiatillstånd är plasma. Elektrisk ström kan också flöda i den; den uppstår genom elektroners och joners rörelser i olika riktningar.
Ström kan också flöda i vakuum (detta är den princip som t.ex. elektronrör bygger på). Detta kräver elektroner eller joner.
Elektriskt fält
Trots förekomsten av fria laddningsbärare är de flesta miljöer elektriskt neutrala. Detta beror på att de negativa (elektroner) och positiva (protoner) partiklarna är jämnt fördelade och att deras fält upphäver varandra. För att ett fält ska uppstå måste laddningarna koncentreras till ett område. Om elektroner koncentreras till en (negativ) elektrod kommer den motsatta (positiva) elektroden att sakna dem och ett fält uppstår, vilket skapar en kraft som verkar på laddningsbärarna och tvingar dem att flytta sig.
En tredje kraft för att överföra kostnaderna
Och det tredje villkoret - det måste finnas en kraft som överför laddningarna i motsatt riktning till det elektrostatiska fältets riktning, annars kommer laddningarna i det slutna systemet snabbt att bli balanserade. Denna yttre kraft kallas elektromotorisk kraft. Dess ursprung kan vara annorlunda.
Elektrokemisk karaktär
I detta fall är EMF ett resultat av elektrokemiska reaktioner. Reaktionerna kan vara irreversibla. Det välkända batteriet är ett exempel på en galvanisk cell. När reagenserna är slut minskar EMF till noll och batteriet "stängs av".
I andra fall kan reaktionerna vara reversibla. I ett batteri uppstår EMF till exempel också som ett resultat av elektrokemiska reaktioner. Men när de är avslutade kan processen återupptas - under påverkan av en extern elektrisk ström kommer reaktionerna att vända och batteriet kommer att vara redo att ge ström igen.
Solceller i naturen
I detta fall orsakas EMF av synlig, ultraviolett eller infraröd strålning som påverkar processerna i halvledarstrukturer. Sådana krafter förekommer i solceller ("solceller"). Ljus orsakar en elektrisk ström i en extern krets.
Termoelektrisk natur
Om du tar två olikfärgade ledare, löder ihop dem och värmer upp förbindelsen, uppstår en elektromagnetisk kraft i kretsen på grund av temperaturskillnaden mellan den varma förbindelsen (förbindelsen mellan ledarna) och den kalla förbindelsen (ledarnas motsatta ändar). På detta sätt kan du inte bara generera ström utan också mäta temperaturen genom att mäta den EMF som uppstår.
Piezoelektrisk natur
Uppstår när vissa fasta ämnen pressas eller deformeras. Den elektriska tändaren fungerar enligt samma princip.
Elektromagnetisk natur
Det vanligaste sättet att producera elektricitet industriellt är med en likströms- eller växelströmsgenerator. I en likströmsmaskin roterar en armatur i form av en ram i ett magnetfält som korsar sina kraftlinjer. Detta ger upphov till en elektromagnetisk kraft som beror på rotorns hastighet och det magnetiska flödet. I praktiken används en armatur som består av ett stort antal spolar som bildar många ramar som är seriekopplade. De resulterande EMF:erna adderas.
В generator Samma princip används, men en magnet (elektrisk eller permanent) roterar i en stationär ram. Samma processer leder också till en EMF i statorn. EMFsom har en sinusform. Växelström används nästan alltid industriellt - det är lättare att omvandla den för transport och praktiska ändamål.
En intressant egenskap hos en generator är att den är reversibel. Om generatorns terminaler förses med spänning från en extern källa börjar rotorn rotera. Detta innebär att en elektrisk maskin beroende på kopplingsschemat kan vara antingen en generator eller en elmotor.
Detta är bara de grundläggande begreppen för fenomenet elektrisk ström. I verkligheten är de processer som är inblandade i elektronernas rörelseriktning mycket mer komplexa. För att förstå dem krävs en djupare studie av elektrodynamiken.
Relaterade artiklar:
