Det er umuligt at forestille sig livet for en moderne person uden elektricitet. Volt, Ampere, Watt - disse ord lyder i en samtale om enheder, der kører på elektricitet. Men hvad er denne elektriske strøm, og hvad er betingelserne for dens eksistens? Vi vil tale om dette yderligere og give en kort forklaring til begyndere elektrikere.
Indhold:
- Definition
- Betingelser for eksistensen af elektrisk strøm
- Elektrisk strøm i forskellige miljøer
- I metaller
- I halvledere
- I vakuum og gas
- I væske
- Konklusion
Definition
Elektrisk strøm er den retningsbestemte bevægelse af ladningsbærere - dette er en standardformulering fra en fysiklærebog. Til gengæld kaldes visse partikler af et stof ladningsbærere. De kan være:
- Elektroner er negative ladningsbærere.
- Ioner er positive ladningsbærere.
Men hvor kommer afgiftsselskaberne fra? For at besvare dette spørgsmål skal du huske den grundlæggende viden om stoffets struktur. Alt, hvad der omgiver os, er stof, det består af molekyler, dets mindste partikler. Molekyler er opbygget af atomer. Et atom består af en kerne, som elektroner bevæger sig omkring i givne baner. Molekyler bevæger sig også kaotisk. Bevægelsen og strukturen af hver af disse partikler afhænger af selve stoffet og miljøets indflydelse på det, for eksempel temperatur, stress og så videre.
En ion kaldes et atom, hvor forholdet mellem elektroner og protoner har ændret sig. Hvis atomet oprindeligt er neutralt, er ionerne til gengæld opdelt i:
- Anioner er en positiv ion af et atom, der har mistet elektroner.
- Kationer er et atom med "ekstra" elektroner knyttet til atomet.
Enheden for strømmåling er Ampere, iflg Ohms lov det beregnes med formlen:
I = U/R,
hvor U er spænding, [V], og R er modstand, [Ohm].
Eller det er direkte proportionalt med mængden af afgift, der overføres pr. tidsenhed:
I = Q/t,
hvor Q - ladning, [Cl], t - tid, [s].
Betingelser for eksistensen af elektrisk strøm
Vi fandt ud af, hvad elektrisk strøm er, lad os nu tale om, hvordan man sikrer dens flow. For strømmen af elektrisk strøm skal to betingelser være opfyldt:
- Tilstedeværelsen af gratis afgiftsselskaber.
- Elektrisk felt.
Den første betingelse for eksistensen og strømmen af elektricitet afhænger af det stof, hvori strømmen flyder (eller ikke flyder), såvel som dens tilstand. Den anden betingelse er også mulig: for eksistensen af et elektrisk felt er tilstedeværelsen af forskellige potentialer nødvendig, mellem hvilke der er et medium, hvor ladningsbærere vil strømme.
Lad os minde om: Spænding, EMF er potentialforskellen. Det følger af dette, at for at opfylde betingelserne for eksistensen af en strøm - tilstedeværelsen af et elektrisk felt og en elektrisk strøm, er spænding nødvendig. Disse kan være plader af en opladet kondensator, en galvanisk celle, en EMF genereret af et magnetfelt (generator).
Hvordan det opstår, vi fandt ud af det, lad os tale om, hvor det er rettet. Strømmen, hovedsageligt i vores sædvanlige brug, bevæger sig i lederne (elektriske ledninger i lejligheden, pærer glødelamper) eller i halvledere (LED'er, din smartphones processor og anden elektronik), sjældnere i gasser (fluorescerende lamper).
Så de vigtigste ladningsbærere er i de fleste tilfælde elektroner, de bevæger sig fra minus (punkter med et negativt potentiale) til plus (et punkt med et positivt potentiale, du vil lære mere om dette nedenfor).
Men en interessant kendsgerning er, at retningen af den nuværende bevægelse blev taget som bevægelsen af positive ladninger - fra plus til minus. Selvom alt faktisk sker omvendt. Faktum er, at beslutningen om strømmens retning blev truffet, før man studerede dens natur, og også før den blev bestemt på grund af, hvad strømmen flyder og eksisterer.
Elektrisk strøm i forskellige miljøer
Vi har allerede nævnt, at den elektriske strøm i forskellige miljøer kan variere i typen af ladningsbærere. Medierne kan opdeles efter arten af ledningsevne (i faldende ledningsevne):
- Leder (metaller).
- Halvleder (silicium, germanium, galliumarsenid osv.).
- Dielektrisk (vakuum, luft, destilleret vand).
I metaller
I metaller er der gratis ladningsbærere, de kaldes nogle gange "elektrisk gas". Hvor kommer gratis udbydere fra? Faktum er, at et metal, som ethvert stof, består af atomer. Atomer bevæger sig eller oscillerer på en eller anden måde. Jo højere metallets temperatur er, jo stærkere er denne bevægelse. Samtidig forbliver atomerne selv generelt på deres steder, og danner faktisk metallets struktur.
I et atoms elektronskaller er der normalt flere elektroner, som har en ret svag binding til kernen. Under påvirkning af temperaturer, kemiske reaktioner og interaktion af urenheder, som under alle omstændigheder er i metallet, løsnes elektroner fra deres atomer, positivt ladede ioner dannes. Løsrevne elektroner kaldes frie og bevæger sig kaotisk.
Bliver de påvirket af et elektrisk felt, hvis du for eksempel forbinder et batteri til et stykke metal, vil den kaotiske bevægelse af elektroner blive ordnet. Elektroner fra det punkt, hvortil det negative potentiale er forbundet (for eksempel katoden i en galvanisk celle) vil begynde at bevæge sig til punktet med et positivt potentiale.
I halvledere
Halvledere er materialer, hvori der ikke er nogen gratis ladningsbærere i normal tilstand. De er i den såkaldte forbudte zone. Men hvis du anvender eksterne kræfter, såsom et elektrisk felt, varme, forskellig stråling (lys, stråling osv.), overvinder de den forbudte zone og går ind i en fri zone eller en zone ledningsevne. Elektroner løsnes fra deres atomer og bliver frie og danner ioner - positive ladningsbærere.
Positive bærere i halvledere kaldes huller.
Hvis du blot overfører energi til en halvleder, for eksempel opvarmer den, vil den kaotiske bevægelse af ladningsbærere begynde. Men hvis vi taler om halvlederelementer, såsom en diode eller transistor, så i modsatte ender af krystallen (et metalliseret lag påføres dem, og ledningerne er loddet) EMF vil forekomme, men dette gælder ikke for emnet for dagens artikler.
Hvis du anvender en EMF-kilde til en halvleder, vil ladningsbærerne også gå ind i ledningsbåndet og vil også begynde deres retningsmæssige bevægelse - hullerne vil gå til siden med et lavere elektrisk potentiale, og elektronerne - til siden med store.
I vakuum og gas
Et vakuum kaldes et medium med et fuldstændigt (ideelt tilfælde) fravær af gasser eller dets minimerede (i virkeligheden) mængde. Da der ikke er noget stof i et vakuum, er der ingen steder for ladningsbærere at komme fra. Men strømmen af strøm i et vakuum markerede begyndelsen af elektronik og en hel æra af elektroniske elementer - vakuumrør. De blev brugt i første halvdel af forrige århundrede, og i 50'erne begyndte de gradvist at vige for transistorer (afhængigt af det specifikke område af elektronik).
Lad os antage, at vi har et kar, hvorfra al gassen er pumpet ud, dvs. der er et komplet vakuum i det. To elektroder er placeret i karret, lad os kalde dem anode og katode. Hvis vi forbinder EMF-kildens negative potentiale til katoden og positiv til anoden, vil der ikke ske noget, og strømmen vil ikke flyde. Men hvis vi begynder at opvarme katoden, vil strømmen begynde at flyde. Denne proces kaldes termionisk emission - emissionen af elektroner fra den opvarmede overflade af en elektron.
Figuren viser processen med strømflow i en vakuumlampe. I vakuumrør opvarmes katoden af en nærliggende glødetråd i fig (H), såsom i en belysningslampe.
I dette tilfælde, hvis du ændrer strømforsyningens polaritet - påfør et minus på anoden og påfør et plus på katoden - strømmen vil ikke flyde. Dette vil bevise, at strømmen i vakuum flyder på grund af bevægelsen af elektroner fra KATODE til ANODE.
Gas består som ethvert stof af molekyler og atomer, hvilket betyder, at hvis gassen er under påvirkning af et elektrisk felt, så kl. Med en vis styrke (ioniseringsspænding) vil elektronerne løsne sig fra atomet, så begge betingelser for strømmen af elektrisk strøm - feltet og gratis medier.
Som allerede nævnt kaldes denne proces ionisering. Det kan forekomme ikke kun fra den påførte spænding, men også når gassen opvarmes, røntgenstråler, under påvirkning af ultraviolet stråling og andre ting.
Strømmen vil strømme gennem luften, selvom der er installeret en brænder mellem elektroderne.
Strømstrømmen i inerte gasser ledsages af gasluminescens; dette fænomen bruges aktivt i fluorescerende lamper. Strømningen af en elektrisk strøm i et gasmedium kaldes en gasudladning.
I væske
Lad os sige, at vi har et kar med vand, hvori der er placeret to elektroder, hvortil der er tilsluttet en strømkilde. Hvis vandet er destilleret, det vil sige rent og ikke indeholder urenheder, så er det et dielektrikum. Men hvis vi tilsætter lidt salt, svovlsyre eller et hvilket som helst andet stof til vandet, dannes der en elektrolyt, og en strøm begynder at løbe igennem den.
En elektrolyt er et stof, der leder en elektrisk strøm på grund af dissociation til ioner.
Hvis du tilsætter kobbersulfat til vandet, så vil et lag kobber lægge sig på en af elektroderne (katoden) - det kaldes elektrolyse, som beviser, at den elektriske strøm i en væske udføres på grund af bevægelsen af ioner - positive og negative bærere oplade.
Elektrolyse er en fysisk-kemisk proces, som består i frigivelsen af de komponenter, der udgør elektrolytten på elektroderne.
Således forekommer kobberbelægning, forgyldning og belægning med andre metaller.
Konklusion
For at opsummere er der brug for gratis ladningsbærere til strømmen af elektrisk strøm:
- elektroner i ledere (metaller) og vakuum;
- elektroner og huller i halvledere;
- ioner (anioner og kationer) i væsker og gasser.
For at bevægelsen af disse bærere kan blive bestilt, er et elektrisk felt nødvendigt. Med enkle ord, påfør en spænding i enderne af kroppen eller installer to elektroder i et miljø, hvor en elektrisk strøm formodes at flyde.
Det er også værd at bemærke, at strømmen påvirker stoffet på en bestemt måde, der er tre typer eksponering:
- termisk;
- kemisk;
- fysisk.
Endelig anbefaler vi at se en nyttig video, som diskuterer mere detaljeret betingelserne for eksistensen og strømmen af elektrisk strøm:
Nyttigt om emnet:
- Lederens modstands afhængighed af temperaturen
- Joule-Lenz lov i enkle ord
- Hvilken elektrisk strøm er mere farlig for en person: direkte eller vekslende