Električna struja: što je to i kako nastaje

Nemoguće je zamisliti život moderne osobe bez struje. Volti, Amperi, Vati - ove riječi zvuče u razgovoru o uređajima koji rade na struju. Ali što je to električna struja i koji su uvjeti za njezino postojanje? O tome ćemo dalje govoriti, pružajući kratko objašnjenje za električare početnike.

Definicija

Električna struja je usmjereno kretanje nositelja naboja - ovo je standardna formulacija iz udžbenika fizike. Zauzvrat, određene čestice tvari nazivaju se nositelji naboja. Oni mogu biti:

• Elektroni su nosioci negativnog naboja.
• Ioni su nosioci pozitivnog naboja.

Ali odakle potječu nosači naboja? Da biste odgovorili na ovo pitanje, morate se sjetiti osnovnih znanja o strukturi materije. Sve što nas okružuje je materija, sastoji se od molekula, njenih najmanjih čestica. Molekule se sastoje od atoma. Atom se sastoji od jezgre oko koje se elektroni kreću po zadanim orbitama. Molekule se također kreću kaotično. Kretanje i struktura svake od tih čestica ovise o samoj tvari i utjecaju okoline na nju, na primjer, o temperaturi, stresu i tako dalje.

Ionom se naziva atom u kojem se promijenio omjer elektrona i protona. Ako je atom u početku neutralan, onda se ioni, pak, dijele na:

• Anioni su pozitivni ion atoma koji je izgubio elektrone.
• Kationi su atom s "dodatnim" elektronima vezanim na atom.

Jedinica mjerenja struje je Amper, prema Ohmov zakon izračunava se po formuli:

I = U / R,

gdje je U napon, [V], a R otpor, [Ohm].

Ili je izravno proporcionalan iznosu prijenosa naknade po jedinici vremena:

I = Q / t,

gdje je Q - naboj, [Cl], t - vrijeme, [s].

Uvjeti za postojanje električne struje

Shvatili smo što je električna struja, a sada razgovarajmo o tome kako osigurati njezin protok. Za protok električne struje moraju biti zadovoljena dva uvjeta:

1. Prisutnost besplatnih nositelja naboja.
2. Električno polje.

Prvi uvjet za postojanje i protok električne energije ovisi o tvari u kojoj teče (ili ne teče) struja, kao i o njezinom stanju. Drugi uvjet je također izvediv: za postojanje električnog polja nužna je prisutnost različitih potencijala između kojih se nalazi medij u kojem će teći nosioci naboja.

Podsjetimo: Napon, EMF je razlika potencijala. Iz ovoga proizlazi da je za ispunjenje uvjeta za postojanje struje - prisutnost električnog polja i električne struje potreban napon. To mogu biti ploče nabijenog kondenzatora, galvanske ćelije, EMF generiran magnetskim poljem (generator).

Kako nastaje, shvatili smo, razgovarajmo o tome kamo je usmjerena. Struja, uglavnom u našoj uobičajenoj upotrebi, kreće se u vodičima (električne instalacije u stanu, žarulje sa žarnom niti) ili u poluvodičima (LED, procesor vašeg pametnog telefona i druga elektronika), rjeđe u plinovima (fluorescentne svjetiljke).

Dakle, glavni nosioci naboja u većini slučajeva su elektroni, oni se kreću od minusa (točke s negativnim potencijalom) do plusa (točka s pozitivnim potencijalom, o tome ćete saznati više u nastavku).

No, zanimljiva je činjenica da je smjer kretanja struje uzet kao kretanje pozitivnih naboja - od plusa do minusa. Iako se, zapravo, sve događa obrnuto. Činjenica je da je odluka o smjeru struje donesena prije proučavanja njezine prirode, a također i prije nego što je utvrđeno zbog čega struja teče i postoji.

Električna struja u različitim okruženjima

Već smo spomenuli da se u različitim okruženjima električna struja može razlikovati po vrsti nositelja naboja. Mediji se mogu podijeliti prema prirodi vodljivosti (u opadanju vodljivosti):

1. Dirigent (metali).
2. Poluvodiči (silicij, germanij, galijev arsenid itd.).
3. Dielektrik (vakuum, zrak, destilirana voda).

U metalima

U metalima postoje besplatni nosači naboja, ponekad se nazivaju "električni plin". Odakle dolaze besplatni nosači naplate? Činjenica je da se metal, kao i svaka tvar, sastoji od atoma. Atomi se kreću ili osciliraju na ovaj ili onaj način. Što je temperatura metala viša, to je kretanje jače. Istodobno, sami atomi općenito ostaju na svojim mjestima, zapravo tvoreći strukturu metala.

U elektronskim ljuskama atoma obično postoji nekoliko elektrona, koji imaju prilično slabu vezu s jezgrom. Pod utjecajem temperatura, kemijskih reakcija i međudjelovanja nečistoća, koje se u svakom slučaju nalaze u metalu, elektroni se odvajaju od njihovih atoma, nastaju pozitivno nabijeni ioni. Odijeljeni elektroni nazivaju se slobodnim i kreću se kaotično.

Ako na njih utječe električno polje, na primjer, spojite li bateriju na komad metala, kaotično kretanje elektrona postat će uredno. Elektroni iz točke na koju je spojen negativni potencijal (na primjer katoda galvanske ćelije) počet će se kretati do točke s pozitivnim potencijalom.

U poluvodičima

Poluvodiči su materijali u kojima nema slobodnih nositelja naboja u normalnom stanju. Nalaze se u tzv. zabranjenoj zoni. Ali ako primijenite vanjske sile, poput električnog polja, topline, raznih zračenja (svjetlo, zračenje i sl.), prevladavaju zabranjenu zonu i prelaze u slobodnu zonu ili zonu provodljivost. Elektroni se odvajaju od svojih atoma i postaju slobodni, tvoreći ione – nositelje pozitivnog naboja.

Pozitivni nosači u poluvodičima nazivaju se rupe.

Ako jednostavno prenesete energiju na poluvodič, na primjer, zagrijete ga, počet će kaotično kretanje nositelja naboja. Ali ako govorimo o poluvodičkim elementima, kao što su dioda ili tranzistor, onda na suprotnim krajevima kristala (na njih se nanosi metalizirani sloj i leme se vodi) EMF će se pojaviti, ali to se ne odnosi na temu današnjeg članaka.

Ako primijenite izvor EMF-a na poluvodič, tada će nositelji naboja također ući u pojas vodljivosti, a također će početi njihovo usmjereno kretanje - rupe će ići na stranu s nižim električnim potencijalom, a elektroni - na stranu s Sjajno.

U vakuumu i plinu

Vakuumom se naziva medij s potpunim (idealnim) izostankom plinova ili njegovom minimalnom (u stvarnosti) količinom. Budući da u vakuumu nema tvari, nema odakle doći nositelji naboja. Međutim, protok struje u vakuumu označio je početak elektronike i čitave ere elektroničkih elemenata – vakuumskih cijevi. Korišteni su u prvoj polovici prošlog stoljeća, a 50-ih godina počeli su postupno ustupati mjesto tranzistorima (ovisno o specifičnom području elektronike).

Pretpostavimo da imamo posudu iz koje je sav plin ispumpan, t.j. u njemu je potpuni vakuum. U posudu su postavljene dvije elektrode, nazovimo ih anoda i katoda. Spojimo li negativni potencijal EMF izvora na katodu, a pozitivan na anodu, ništa se neće dogoditi i struja neće teći. Ali ako počnemo zagrijavati katodu, struja će početi teći. Taj se proces naziva termoionska emisija – emisija elektrona sa zagrijane površine elektrona.

Na slici je prikazan proces strujanja struje u vakuumskoj lampi. U vakuumskim cijevima, katoda se zagrijava obližnjom niti na sl. (H), kao što je u svjetiljci za rasvjetu.

U tom slučaju, ako promijenite polaritet napajanja - primijenite minus na anodu i primijenite plus na katodu - struja neće teći. Time će se dokazati da struja u vakuumu teče zbog gibanja elektrona od KATODE do ANODE.

Plin se, kao i svaka tvar, sastoji od molekula i atoma, što znači da ako je plin pod utjecajem električnog polja, tada na Uz određenu snagu (ionizacijski napon) elektroni će se odvojiti od atoma, tada će oba uvjeta za protok električne struje – polje i slobodni mediji.

Kao što je već spomenuto, ovaj proces se naziva ionizacija. Može se pojaviti ne samo od primijenjenog napona, već i kada se plin zagrijava, rendgenskih zraka, pod utjecajem ultraljubičastog zračenja i drugih stvari.

Struja će teći kroz zrak čak i ako je plamenik ugrađen između elektroda.

Protok struje u inertnim plinovima popraćen je plinskom luminiscencijom; ovaj se fenomen aktivno koristi u fluorescentnim svjetiljkama. Protok električne struje u plinskom mediju naziva se plinsko pražnjenje.

U tekućini

Recimo da imamo posudu s vodom u koju su postavljene dvije elektrode na koje je spojen izvor napajanja. Ako je voda destilirana, odnosno čista i ne sadrži nečistoće, onda je to dielektrik. No, ako u vodu dodamo malo soli, sumporne kiseline ili bilo koje druge tvari, nastaje elektrolit i kroz njega počinje teći struja.

Elektrolit je tvar koja provodi električnu struju zbog disocijacije na ione.

Ako u vodu dodate bakreni sulfat, tada će se sloj bakra taložiti na jednoj od elektroda (katoda) - to se zove elektroliza, koja dokazuje da se električna struja u tekućini provodi zbog gibanja iona – pozitivnih i negativnih nositelja naplatiti.

Elektroliza je fizikalno-kemijski proces koji se sastoji u oslobađanju komponenti koje čine elektrolit na elektrodama.

Tako dolazi do bakrenja, pozlate i oblaganja drugim metalima.

Zaključak

Ukratko, za protok električne struje potrebni su besplatni nosači naboja:

• elektroni u vodičima (metali) i vakuumu;
• elektroni i rupe u poluvodičima;
• ioni (anioni i kationi) u tekućinama i plinovima.

Da bi kretanje ovih nosača postalo uređeno, potrebno je električno polje. Jednostavnim riječima, dovedite napon na krajeve tijela ili ugradite dvije elektrode u okolinu u kojoj bi trebala teći električna struja.

Također je vrijedno napomenuti da struja na određeni način utječe na tvar, postoje tri vrste izloženosti:

• toplinski;
• kemijski;
• fizički.

Na kraju, preporučujemo gledanje korisnog videa, koji detaljnije govori o uvjetima za postojanje i protok električne struje:

Korisno na temu:

• Ovisnost otpora vodiča o temperaturi
• Joule-Lenzov zakon jednostavnim riječima
• Koja je električna struja opasnija za osobu: izravna ili izmjenična