Curentul electric: ce este și cum apare

Este imposibil să ne imaginăm viața unei persoane moderne fără electricitate. Volți, amperi, wați - aceste cuvinte sună într-o conversație despre dispozitivele care funcționează cu electricitate. Dar ce este acest curent electric și care sunt condițiile existenței lui? Vom vorbi despre asta în continuare, oferind o scurtă explicație pentru electricienii începători.

Definiție

Curentul electric este mișcarea direcțională a purtătorilor de sarcină - aceasta este o formulare standard dintr-un manual de fizică. La rândul lor, anumite particule ale unei substanțe sunt numite purtători de sarcină. Ei pot fi:

• Electronii sunt purtători de sarcină negativă.
• Ionii sunt purtători de sarcină pozitivă.

Dar de unde vin purtătorii de taxe? Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să vă amintiți cunoștințele de bază despre structura materiei. Tot ceea ce ne înconjoară este materie, este format din molecule, cele mai mici particule ale sale. Moleculele sunt formate din atomi. Un atom este format dintr-un nucleu în jurul căruia electronii se mișcă pe orbite date. De asemenea, moleculele se mișcă haotic. Mișcarea și structura fiecăreia dintre aceste particule depind de substanța în sine și de influența mediului asupra acesteia, de exemplu, temperatură, stres și așa mai departe.

Un ion se numește atom în care raportul dintre electroni și protoni s-a modificat. Dacă atomul este inițial neutru, atunci ionii, la rândul lor, sunt împărțiți în:

• Anionii sunt un ion pozitiv al unui atom care a pierdut electroni.
• Cationii sunt un atom cu electroni „în plus” atașați de atom.

Unitatea de măsură a curentului este Amperi, conform Legea lui Ohm se calculeaza prin formula:

I = U / R,

unde U este tensiunea, [V] și R este rezistența, [Ohm].

Sau este direct proporțional cu cantitatea de taxă transferată pe unitatea de timp:

I = Q/t,

unde Q - sarcină, [Cl], t - timp, [s].

Condiții de existență a curentului electric

Ne-am dat seama ce este curentul electric, acum să vorbim despre cum să-i asigurăm curgerea. Pentru fluxul de curent electric, trebuie îndeplinite două condiții:

1. Prezența transportatorilor de taxe gratuite.
2. Câmp electric.

Prima condiție pentru existența și curgerea energiei electrice depinde de substanța în care curge (sau nu curge) curentul, precum și de starea acesteia. Este fezabilă și a doua condiție: pentru existența unui câmp electric este necesară prezența unor potențiale diferite, între care există un mediu în care vor circula purtătorii de sarcină.

Să reamintim: Tensiunea, EMF este diferența de potențial. De aici rezultă că pentru a îndeplini condițiile pentru existența unui curent - prezența unui câmp electric și a unui curent electric, este nevoie de tensiune. Acestea pot fi plăci ale unui condensator încărcat, o celulă galvanică, un EMF generat de un câmp magnetic (generator).

Cum apare, ne-am dat seama, haideți să vorbim despre unde este direcționat. Curentul, în principal în uzul nostru obișnuit, se mișcă în conductori (cablaje electrice în apartament, becuri incandescent) sau în semiconductori (LED-uri, procesorul smartphone-ului și alte componente electronice), mai rar în gaze (lampă fluorescentă).

Prin urmare, principalii purtători de sarcină în cele mai multe cazuri sunt electronii, ei se deplasează din minus (puncte cu un potențial negativ) la plus (un punct cu un potențial pozitiv, veți afla mai multe despre asta mai jos).

Dar un fapt interesant este că direcția mișcării curente a fost luată ca mișcare a sarcinilor pozitive - de la plus la minus. Deși, de fapt, totul se întâmplă invers. Cert este că decizia cu privire la direcția curentului a fost luată înainte de a studia natura acestuia și, de asemenea, înainte de a fi determinată din cauza a ceea ce curge și există curentul.

Curentul electric în diferite medii

Am menționat deja că în diferite medii curentul electric poate diferi în ceea ce privește tipul de purtători de sarcină. Mediile pot fi împărțite în funcție de natura conductibilității (în scădere a conductivității):

1. Conductor (metale).
2. Semiconductor (siliciu, germaniu, arseniură de galiu etc.).
3. Dielectric (vid, aer, apă distilată).

În metale

În metale există purtători de încărcare gratuită, acestea fiind uneori numite „gaz electric”. De unde vin transportatorii de taxe gratuite? Faptul este că un metal, ca orice substanță, este format din atomi. Atomii se mișcă sau oscilează într-un fel sau altul. Cu cât temperatura metalului este mai mare, cu atât este mai puternică această mișcare. În același timp, atomii înșiși rămân în general la locul lor, de fapt, formând structura metalului.

În învelișurile de electroni ale unui atom, există de obicei mai mulți electroni, care au o legătură destul de slabă cu nucleul. Sub influența temperaturilor, a reacțiilor chimice și a interacțiunii impurităților, care se află în orice caz în metal, electronii sunt desprinși de atomii lor, se formează ioni încărcați pozitiv. Electronii detașați sunt numiți liberi și se mișcă haotic.

Dacă sunt afectați de un câmp electric, de exemplu, dacă conectați o baterie la o bucată de metal, mișcarea haotică a electronilor va deveni ordonată. Electronii din punctul la care este conectat potențialul negativ (catodul unei celule galvanice, de exemplu) vor începe să se deplaseze în punctul cu potențialul pozitiv.

În semiconductori

Semiconductorii sunt materiale în care nu există purtători de încărcare liberi în stare normală. Sunt în așa-numita zonă interzisă. Dar dacă aplicați forțe externe, cum ar fi un câmp electric, căldură, diferite radiații (lumină, radiații etc.), depășesc zona interzisă și intră într-o zonă liberă sau într-o zonă conductivitate. Electronii se desprind de atomii lor și devin liberi, formând ioni - purtători de sarcină pozitivă.

Purtătorii pozitivi din semiconductori se numesc găuri.

Dacă pur și simplu transferați energie la un semiconductor, de exemplu, încălziți-l, va începe mișcarea haotică a purtătorilor de sarcină. Dar dacă vorbim despre elemente semiconductoare, cum ar fi o diodă sau un tranzistor, atunci la capetele opuse ale cristalului (li se aplică un strat metalizat și cablurile sunt lipite) EMF va apărea, dar acest lucru nu se aplică subiectului de astăzi articole.

Dacă aplicați o sursă EMF unui semiconductor, atunci purtătorii de sarcină vor intra și ei în banda de conducție și vor începe, de asemenea, mișcarea lor direcțională - găurile vor merge în partea cu un potențial electric mai mic, iar electronii - în partea cu Grozav.

În vid și gaz

Un vid se numește un mediu cu o absență completă (cazul ideal) de gaze sau cantitatea sa minimizată (în realitate). Deoarece nu există substanță în vid, nu există de unde să vină purtătorii de încărcare. Cu toate acestea, fluxul de curent în vid a marcat începutul electronicii și o întreagă eră a elementelor electronice - tuburile cu vid. Au fost folosite în prima jumătate a secolului trecut, iar în anii 50 au început să cedeze treptat locul tranzistorilor (în funcție de domeniul specific al electronicii).

Să presupunem că avem un vas din care a fost pompat tot gazul, adică. există un vid complet în el. Doi electrozi sunt plasați în vas, să le numim anod și catod. Dacă conectăm potențialul negativ al sursei EMF la catod și pozitiv la anod, nu se va întâmpla nimic și curentul nu va curge. Dar dacă începem să încălzim catodul, curentul va începe să curgă. Acest proces se numește emisie termoionică - emisia de electroni de pe suprafața încălzită a unui electron.

Figura prezintă procesul de curgere a curentului într-o lampă cu vid. În tuburile cu vid, catodul este încălzit de un filament apropiat din fig (H), cum ar fi într-o lampă de iluminat.

În acest caz, dacă schimbați polaritatea sursei de alimentare - aplicați un minus anodului și aplicați un plus catodului - curentul nu va curge. Aceasta va demonstra că curentul în vid curge datorită mișcării electronilor de la CATOD la ANOD.

Gazul, ca orice substanță, este format din molecule și atomi, ceea ce înseamnă că, dacă gazul se află sub influența unui câmp electric, atunci la Cu o anumită putere (tensiune de ionizare), electronii se vor desprinde de atom, apoi ambele condiții pentru curgerea curentului electric - câmpul și media gratuită.

După cum am menționat deja, acest proces se numește ionizare. Poate apărea nu numai de la tensiunea aplicată, ci și atunci când gazul este încălzit, raze X, sub influența radiațiilor ultraviolete și a altor lucruri.

Curentul va curge prin aer chiar dacă între electrozi este instalat un arzător.

Fluxul de curent în gazele inerte este însoțit de luminiscența gazului; acest fenomen este utilizat în mod activ în lămpile fluorescente. Fluxul unui curent electric într-un mediu gazos se numește descărcare gazoasă.

În lichid

Să presupunem că avem un vas cu apă în care sunt așezați doi electrozi, la care este conectată o sursă de alimentare. Dacă apa este distilată, adică pură și nu conține impurități, atunci este un dielectric. Dar dacă adăugăm puțină sare, acid sulfuric sau orice altă substanță în apă, se formează un electrolit și începe să curgă un curent prin el.

Un electrolit este o substanță care conduce un curent electric datorită disocierii în ioni.

Dacă se adaugă sulfat de cupru în apă, atunci un strat de cupru se va depune pe unul dintre electrozi (catod) - aceasta se numește electroliză, care demonstrează că curentul electric dintr-un lichid se realizează datorită mișcării ionilor - purtători pozitivi și negativi încărca.

Electroliza este un proces fizico-chimic, care constă în eliberarea componentelor care alcătuiesc electrolitul pe electrozi.

Astfel, are loc placarea cu cupru, aurirea și acoperirea cu alte metale.

Concluzie

Pentru a rezuma, purtătorii de încărcare liberi sunt necesari pentru fluxul de curent electric:

• electroni în conductori (metale) și vid;
• electroni și găuri în semiconductori;
• ioni (anioni și cationi) în lichide și gaze.

Pentru ca mișcarea acestor purtători să devină ordonată, este nevoie de un câmp electric. Cu cuvinte simple, aplicați tensiune la capetele corpului sau instalați doi electrozi într-un mediu în care se presupune că circulă un curent electric.

De asemenea, este de remarcat faptul că curentul afectează substanța într-un anumit fel, există trei tipuri de expunere:

• termic;
• chimic;
• fizic.

În cele din urmă, vă recomandăm să vizionați un videoclip util, care discută mai detaliat condițiile de existență și curgere a curentului electric:

Util pe tema:

• Dependența rezistenței conductorului de temperatură
• Legea Joule-Lenz în cuvinte simple
• Care curent electric este mai periculos pentru o persoană: direct sau alternativ