Prąd elektryczny: co to jest i jak powstaje

Nie sposób wyobrazić sobie życia współczesnego człowieka bez elektryczności. Wolty, Ampery, Waty – te słowa brzmią w rozmowie o urządzeniach zasilanych energią elektryczną. Ale czym jest ten prąd elektryczny i jakie są warunki jego istnienia? Porozmawiamy o tym dalej, podając krótkie wyjaśnienie dla początkujących elektryków.

Definicja

Prąd elektryczny to kierunkowy ruch nośników ładunku - to standardowe sformułowanie z podręcznika fizyki. Z kolei pewne cząstki substancji nazywane są nośnikami ładunku. Oni mogą być:

• Elektrony są ujemnymi nośnikami ładunku.
• Jony są dodatnimi nośnikami ładunku.

Ale skąd pochodzą przewoźnicy opłat? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musisz pamiętać o podstawowej wiedzy o budowie materii. Wszystko co nas otacza jest materią, składa się z cząsteczek, jej najmniejszych cząsteczek. Cząsteczki składają się z atomów. Atom składa się z jądra, wokół którego elektrony poruszają się po określonych orbitach. Cząsteczki również poruszają się chaotycznie. Ruch i struktura każdej z tych cząstek zależą od samej substancji i wpływu środowiska na nią, na przykład temperatury, naprężenia i tak dalej.

Jon nazywamy atomem, w którym zmienił się stosunek elektronów do protonów. Jeśli atom jest początkowo obojętny, to z kolei jony dzielą się na:

• Aniony to dodatni jon atomu, który utracił elektrony.
• Kationy to atomy z „dodatkowymi” elektronami przyłączonymi do atomu.

Jednostką pomiaru prądu jest Amper, zgodnie z Prawo Ohma oblicza się ją według wzoru:

ja = U / R,

gdzie U to napięcie [V], a R to rezystancja [Ohm].

Lub jest wprost proporcjonalna do kwoty opłaty przekazanej na jednostkę czasu:

ja = Q / t,

gdzie Q - ładunek, [Cl], t - czas, [s].

Warunki istnienia prądu elektrycznego

Dowiedzieliśmy się, czym jest prąd elektryczny, teraz porozmawiajmy o tym, jak zapewnić jego przepływ. Dla przepływu prądu elektrycznego muszą być spełnione dwa warunki:

1. Obecność bezpłatnych przewoźników.
2. Pole elektryczne.

Pierwszy warunek istnienia i przepływu elektryczności zależy od substancji, w której płynie prąd (lub nie płynie), a także od jej stanu. Drugi warunek jest również możliwy: dla istnienia pola elektrycznego konieczna jest obecność różnych potencjałów, między którymi znajduje się ośrodek, w którym będą płynąć nośniki ładunku.

Przypomnijmy: Napięcie, EMF to różnica potencjałów. Wynika z tego, że do spełnienia warunków istnienia prądu - obecności pola elektrycznego i prądu elektrycznego potrzebne jest napięcie. Mogą to być płytki naładowanego kondensatora, ogniwa galwanicznego, pola elektromagnetycznego generowanego przez pole magnetyczne (generator).

Jak to powstaje, zorientowaliśmy się, porozmawiajmy o tym, gdzie jest skierowany. Prąd, głównie w naszym zwykłym użyciu, porusza się w przewodach (instalacja elektryczna w mieszkaniu, żarówki) żarowe) lub w półprzewodnikach (diody LED, procesor smartfona i inna elektronika), rzadziej w gazach (świetlówki).

Więc głównymi nośnikami ładunku w większości przypadków są elektrony, poruszają się od minusa (punkty z potencjałem ujemnym) na plus (punkt z potencjałem dodatnim, więcej na ten temat dowiesz się poniżej).

Ciekawostką jest jednak to, że kierunek obecnego ruchu został przyjęty jako ruch ładunków dodatnich - od plusa do minusa. Chociaż w rzeczywistości wszystko dzieje się na odwrót. Faktem jest, że decyzja o kierunku prądu została podjęta przed zbadaniem jego natury, a także przed jej ustaleniem ze względu na to, jaki prąd płynie i istnieje.

Prąd elektryczny w różnych środowiskach

Wspomnieliśmy już, że w różnych środowiskach prąd elektryczny może różnić się rodzajem nośników ładunku. Media można podzielić ze względu na charakter przewodnictwa (przy malejącej przewodności):

1. Przewodnik (metale).
2. Półprzewodnik (krzem, german, arsenek galu itp.).
3. Dielektryk (próżnia, powietrze, woda destylowana).

W metalach

W metalach występują bezpłatne nośniki opłat, czasami nazywane są „gazem elektrycznym”. Skąd pochodzą przewoźnicy bez opłat? Faktem jest, że metal, jak każda substancja, składa się z atomów. Atomy poruszają się lub oscylują w taki czy inny sposób. Im wyższa temperatura metalu, tym silniejszy ruch. Jednocześnie same atomy na ogół pozostają na swoich miejscach, w rzeczywistości tworząc strukturę metalu.

W powłokach elektronowych atomu znajduje się zwykle kilka elektronów, które mają raczej słabe wiązanie z jądrem. Pod wpływem temperatur, reakcji chemicznych i oddziaływania zanieczyszczeń, które i tak znajdują się w metalu, elektrony odrywają się od ich atomów, powstają dodatnio naładowane jony. Oderwane elektrony nazywane są wolnymi i poruszają się chaotycznie.

Jeśli na nie wpłynie pole elektryczne, na przykład, jeśli podłączysz baterię do kawałka metalu, chaotyczny ruch elektronów stanie się uporządkowany. Elektrony z punktu, do którego podłączony jest potencjał ujemny (na przykład katody ogniwa galwanicznego) zaczną przemieszczać się do punktu o potencjale dodatnim.

W półprzewodnikach

Półprzewodniki to materiały, w których w normalnym stanie nie ma bezpłatnych nośników opłat. Znajdują się w tzw. strefie zakazanej. Ale jeśli zastosujesz siły zewnętrzne, takie jak pole elektryczne, ciepło, różne promieniowanie (światło, promieniowania itp.), pokonują strefę zakazaną i wchodzą do strefy wolnej lub strefy przewodność. Elektrony odrywają się od swoich atomów i stają się wolne, tworząc jony – dodatnie nośniki ładunku.

Nośniki dodatnie w półprzewodnikach nazywane są dziurami.

Jeśli po prostu przeniesiesz energię do półprzewodnika, na przykład go podgrzejesz, rozpocznie się chaotyczny ruch nośników ładunku. Ale jeśli mówimy o elementach półprzewodnikowych, takich jak dioda czy tranzystor, to na przeciwległych końcach kryształu (nakładana jest na nie warstwa metalizowana i wyprowadzenia są lutowane) wystąpi pole elektromotoryczne, ale nie dotyczy to tematu dzisiejszego artykuły.

Jeśli zastosujesz źródło pola elektromagnetycznego do półprzewodnika, nośniki ładunku również trafią do pasma przewodzenia i również zaczną ich kierunkowy ruch - dziury pójdą w bok z niższym potencjałem elektrycznym, a elektrony - w bok z Świetnie.

W próżni i gazie

Próżnia nazywana jest medium z całkowitym (przypadek idealnym) brakiem gazów lub ich minimalną (w rzeczywistości) ilością. Ponieważ w próżni nie ma substancji, nie ma skąd pochodzić nośniki ładunku. Jednak przepływ prądu w próżni oznaczał początek elektroniki i całej ery elementów elektronicznych - lamp próżniowych. Stosowano je w pierwszej połowie ubiegłego wieku, a w latach 50. zaczęły stopniowo ustępować miejsca tranzystorom (w zależności od specyfiki dziedziny elektroniki).

Załóżmy, że mamy naczynie, z którego cały gaz został wypompowany, czyli jest w nim zupełna próżnia. W naczyniu umieszczone są dwie elektrody, nazwijmy je anodą i katodą. Jeśli połączymy ujemny potencjał źródła EMF z katodą, a dodatni z anodą, nic się nie stanie i prąd nie popłynie. Ale jeśli zaczniemy podgrzewać katodę, prąd zacznie płynąć. Proces ten nazywa się emisją termionową - emisją elektronów z nagrzanej powierzchni elektronu.

Rysunek przedstawia proces przepływu prądu w lampie próżniowej. W lampach próżniowych katoda jest ogrzewana przez pobliski żarnik na rys. (H), taki jak w lampie oświetleniowej.

W takim przypadku, jeśli zmienisz polaryzację zasilacza - zastosuj minus do anody i zastosuj plus do katody - prąd nie popłynie. To udowodni, że prąd w próżni płynie z powodu ruchu elektronów z KATODY do ANODY.

Gaz, jak każda substancja, składa się z cząsteczek i atomów, co oznacza, że ​​jeśli gaz znajduje się pod wpływem pola elektrycznego, to przy Przy określonej sile (napięcie jonizacji) elektrony oderwą się od atomu, wtedy oba warunki przepływu prądu elektrycznego - pole i wolne media.

Jak już wspomniano, proces ten nazywa się jonizacją. Może wystąpić nie tylko z przyłożonego napięcia, ale także z podgrzania gazu, promieniowania rentgenowskiego, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego i innych rzeczy.

Prąd będzie płynął przez powietrze, nawet jeśli pomiędzy elektrodami zainstalowany jest palnik.

Przepływowi prądu w gazach obojętnych towarzyszy luminescencja gazu, zjawisko to jest aktywnie wykorzystywane w świetlówkach. Przepływ prądu elektrycznego w medium gazowym nazywamy wyładowaniem gazowym.

W płynie

Załóżmy, że mamy naczynie z wodą, w którym umieszczone są dwie elektrody, do których podłączone jest źródło zasilania. Jeśli woda jest destylowana, czyli czysta i nie zawiera zanieczyszczeń, to jest dielektrykiem. Ale jeśli dodamy do wody trochę soli, kwasu siarkowego lub innej substancji, powstaje elektrolit i zaczyna przez niego płynąć prąd.

Elektrolit to substancja przewodząca prąd elektryczny w wyniku dysocjacji na jony.

Jeśli do wody doda się siarczan miedzi, warstwa miedzi osiądzie na jednej z elektrod (katodzie) - nazywa się to elektrolizą, która dowodzi, że prąd elektryczny w cieczy odbywa się w wyniku ruchu jonów - nośników dodatnich i ujemnych opłata.

Elektroliza to proces fizykochemiczny, polegający na uwalnianiu na elektrodach składników tworzących elektrolit.

W ten sposób dochodzi do miedziowania, złocenia i pokrywania innymi metalami.

Wniosek

Podsumowując, do przepływu prądu elektrycznego potrzebne są bezpłatne nośniki ładunku:

• elektrony w przewodnikach (metalach) i próżni;
• elektrony i dziury w półprzewodnikach;
• jony (aniony i kationy) w cieczach i gazach.

Aby ruch tych nośników został uporządkowany, potrzebne jest pole elektryczne. Krótko mówiąc, przyłóż napięcie na końcach ciała lub zainstaluj dwie elektrody w środowisku, w którym ma płynąć prąd elektryczny.

Warto również zauważyć, że prąd wpływa na substancję w pewien sposób, istnieją trzy rodzaje narażenia:

• termiczny;
• chemiczny;
• fizyczny.

Na koniec zalecamy obejrzenie przydatnego filmu, który bardziej szczegółowo omawia warunki istnienia i przepływu prądu elektrycznego:

Przydatne w temacie:

• Zależność rezystancji przewodnika od temperatury
• Prawo Joule'a-Lenza w prostych słowach
• Który prąd elektryczny jest bardziej niebezpieczny dla osoby: bezpośredni czy przemienny?