Elektrický proud: co to je a jak vzniká

Je nemožné si představit život moderního člověka bez elektřiny. Volty, ampéry, watty – tato slova znějí v rozhovoru o zařízeních, která fungují na elektřinu. Co je ale tento elektrický proud a jaké jsou podmínky jeho existence? Budeme o tom mluvit dále a poskytneme krátké vysvětlení pro začínající elektrikáře.

Definice

Elektrický proud je směrový pohyb nosičů náboje – to je standardní formulace z učebnice fyziky. Určité částice látky se zase nazývají nosiče náboje. Oni mohou být:

• Elektrony jsou nosiče záporného náboje.
• Ionty jsou kladné nosiče náboje.

Ale odkud pocházejí nosiče nábojů? Chcete-li odpovědět na tuto otázku, musíte si zapamatovat základní znalosti o struktuře hmoty. Vše, co nás obklopuje, je hmota, skládá se z molekul, jejích nejmenších částic. Molekuly se skládají z atomů. Atom se skládá z jádra, kolem kterého se elektrony pohybují po daných drahách. Molekuly se také pohybují chaoticky. Pohyb a struktura každé z těchto částic závisí na látce samotné a vlivu prostředí na ni, např. teplotě, napětí a podobně.

Iont se nazývá atom, ve kterém se změnil poměr elektronů a protonů. Pokud je atom zpočátku neutrální, pak se ionty zase dělí na:

• Anionty jsou kladným iontem atomu, který ztratil elektrony.
• Kationty jsou atom s "extra" elektrony připojenými k atomu.

Jednotkou měření proudu je ampér, podle Ohmův zákon vypočítá se podle vzorce:

I = U / R,

kde U je napětí [V] a R je odpor [Ohm].

Nebo je to přímo úměrné výši poplatku přeneseného za jednotku času:

I = Q / t,

kde Q - náboj, [Cl], t - čas, [s].

Podmínky existence elektrického proudu

Přišli jsme na to, co je elektrický proud, nyní si povíme, jak zajistit jeho tok. Pro tok elektrického proudu musí být splněny dvě podmínky:

1. Přítomnost bezplatných nosičů náboje.
2. Elektrické pole.

První podmínka existence a toku elektřiny závisí na látce, kterou proud protéká (nebo neteče), a také na jejím stavu. Schůdná je i druhá podmínka: pro existenci elektrického pole je nutná přítomnost různých potenciálů, mezi kterými je prostředí, ve kterém budou proudit nosiče náboje.

Připomeňme: Napětí, EMF je potenciální rozdíl. Z toho vyplývá, že ke splnění podmínek existence proudu - přítomnosti elektrického pole a elektrického proudu je potřeba napětí. Mohou to být desky nabitého kondenzátoru, galvanický článek, EMF generované magnetickým polem (generátor).

Jak vzniká, na to jsme přišli, pojďme se bavit o tom, kam směřuje. Proud, hlavně při našem obvyklém použití, se pohybuje ve vodičích (elektrické rozvody v bytě, žárovky žárovka) nebo v polovodičích (LED, procesor vašeho smartphonu a další elektronika), méně často v plynech (zářivky).

Takže hlavními nosiči náboje jsou ve většině případů elektrony, pohybují se od mínus (body se záporným potenciálem) do plusu (bod s kladným potenciálem, více se o tom dozvíte níže).

Zajímavým faktem ale je, že směr aktuálního pohybu byl brán jako pohyb kladných nábojů – z plusu do mínusu. I když ve skutečnosti se vše děje naopak. Faktem je, že rozhodnutí o směru proudu bylo učiněno před studiem jeho povahy a také předtím, než bylo určeno kvůli tomu, co proud teče a existuje.

Elektrický proud v různých prostředích

Již jsme zmínili, že v různých prostředích se elektrický proud může lišit typem nosičů náboje. Média lze rozdělit podle charakteru vodivosti (při klesající vodivosti):

1. Vodič (kovy).
2. Polovodič (křemík, germanium, arsenid gallia atd.).
3. Dielektrikum (vakuum, vzduch, destilovaná voda).

V kovech

V kovech jsou volné nosiče náboje, někdy se jim říká „elektrický plyn“. Odkud pocházejí dopravci zdarma? Faktem je, že kov, jako každá látka, se skládá z atomů. Atomy se pohybují nebo oscilují tak či onak. Čím vyšší je teplota kovu, tím silnější je tento pohyb. Atomy samotné přitom obecně zůstávají na svých místech, ve skutečnosti tvoří strukturu kovu.

V elektronových obalech atomu je obvykle několik elektronů, které mají spíše slabou vazbu s jádrem. Vlivem teplot, chemických reakcí a interakcí nečistot, které jsou v každém případě v kovu, se elektrony oddělují od jejich atomů, vznikají kladně nabité ionty. Oddělené elektrony se nazývají volné a pohybují se chaoticky.

Pokud na ně působí elektrické pole, například připojíte-li baterii ke kusu kovu, stane se chaotický pohyb elektronů uspořádaný. Elektrony z bodu, ke kterému je připojen záporný potenciál (například katoda galvanického článku), se začnou pohybovat do bodu s kladným potenciálem.

V polovodičích

Polovodiče jsou materiály, ve kterých v normálním stavu nejsou žádné volné nosiče náboje. Jsou v tzv. zakázané zóně. Ale pokud použijete vnější síly, jako je elektrické pole, teplo, různá záření (světlo, záření atd.), překonají zakázanou zónu a přejdou do volné zóny nebo zóny vodivost. Elektrony se oddělují od svých atomů a stávají se volnými, tvoří ionty – kladné nosiče náboje.

Kladné nosiče v polovodičích se nazývají díry.

Pokud jednoduše přenesete energii do polovodiče, například jej zahřejete, začne chaotický pohyb nosičů náboje. Ale pokud mluvíme o polovodičových prvcích, jako je dioda nebo tranzistor, pak na opačných koncích krystalu (nanese se na ně metalizovaná vrstva a vývody se připájejí) EMF nastane, ale to se netýká tématu dnešního články.

Pokud použijete zdroj EMF na polovodič, pak nosiče náboje také přejdou do vodivého pásma a také začnou jejich směrový pohyb - otvory půjdou na stranu s nižším elektrickým potenciálem a elektrony - na stranu s skvělý.

Ve vakuu a plynu

Vakuem se nazývá prostředí s úplnou (ideální) absencí plynů nebo jejich minimalizovaným (ve skutečnosti) množstvím. Protože ve vakuu není žádná látka, není odkud pocházet nosiče náboje. Proudění proudu ve vakuu však znamenalo začátek elektroniky a celé éry elektronických prvků – elektronek. Používaly se v první polovině minulého století a v 50. letech začaly postupně ustupovat tranzistorům (v závislosti na konkrétním oboru elektroniky).

Předpokládejme, že máme nádobu, ze které byl všechen plyn odčerpán, tzn. je v něm úplné vakuum. V nádobě jsou umístěny dvě elektrody, říkejme jim anoda a katoda. Pokud připojíme záporný potenciál zdroje EMF ke katodě a kladný k anodě, nic se nestane a proud nepoteče. Pokud ale začneme zahřívat katodu, začne téct proud. Tento proces se nazývá termionická emise – emise elektronů z ohřátého povrchu elektronu.

Obrázek ukazuje proces toku proudu ve vakuové lampě. Ve vakuových trubicích je katoda ohřívána blízkým vláknem na obr. (H), například v osvětlovací lampě.

V tomto případě, pokud změníte polaritu napájecího zdroje - použijte mínus na anodu a použijte plus na katodu - proud nepoteče. To prokáže, že proud ve vakuu teče díky pohybu elektronů z KATODY na ANODU.

Plyn se jako každá látka skládá z molekul a atomů, což znamená, že pokud je plyn pod vlivem elektrického pole, pak při Při určité síle (ionizačním napětí) se elektrony od atomu oddělí, pak jsou obě podmínky pro tok elektrického proudu - pole a svobodná média.

Jak již bylo zmíněno, tento proces se nazývá ionizace. Může nastat nejen z aplikovaného napětí, ale také při zahřívání plynu, rentgenovém záření, pod vlivem ultrafialového záření a dalších věcí.

Proud bude protékat vzduchem, i když je mezi elektrodami instalován hořák.

Tok proudu v inertních plynech je doprovázen luminiscencí plynu, tento jev se aktivně využívá u zářivek. Tok elektrického proudu v plynném médiu se nazývá plynový výboj.

V kapalině

Řekněme, že máme nádobu s vodou, ve které jsou umístěny dvě elektrody, ke kterým je připojen zdroj energie. Pokud je voda destilovaná, tedy čistá a neobsahuje nečistoty, pak je to dielektrikum. Pokud ale do vody přidáme trochu soli, kyseliny sírové nebo jakékoli jiné látky, vytvoří se elektrolyt a začne jím protékat proud.

Elektrolyt je látka, která vede elektrický proud v důsledku disociace na ionty.

Pokud do vody přidáte síran měďnatý, pak se na jedné z elektrod (katodě) usadí vrstva mědi – tomu se říká elektrolýza, která dokazuje, že elektrický proud v kapalině se provádí v důsledku pohybu iontů - pozitivních a negativních nosičů nabít.

Elektrolýza je fyzikálně-chemický proces, který spočívá v uvolnění složek tvořících elektrolyt na elektrodách.

Dochází tak k poměďování, zlacení a potahování jinými kovy.

Závěr

Abychom to shrnuli, pro tok elektrického proudu jsou potřeba volné nosiče náboje:

• elektrony ve vodičích (kovech) a vakuu;
• elektrony a díry v polovodičích;
• ionty (anionty a kationty) v kapalinách a plynech.

Aby se pohyb těchto nosičů stal uspořádaným, je potřeba elektrické pole. Jednoduše řečeno, přiveďte napětí na konce těla nebo nainstalujte dvě elektrody v prostředí, kde má protékat elektrický proud.

Za zmínku také stojí, že proud určitým způsobem ovlivňuje látku, existují tři typy expozice:

• tepelný;
• chemikálie;
• fyzický.

Na závěr doporučujeme zhlédnout užitečné video, které podrobněji rozebírá podmínky existence a toku elektrického proudu:

Užitečné k tématu:

• Závislost odporu vodiče na teplotě
• Joule-Lenzův zákon jednoduchými slovy
• Který elektrický proud je pro člověka nebezpečnější: stejnosměrný nebo střídavý