Elektrischer Strom: Was ist das und wie entsteht er

Das Leben eines modernen Menschen ohne Elektrizität ist nicht vorstellbar. Volt, Ampere, Watt – diese Worte klingen in einem Gespräch über elektrisch betriebene Geräte. Aber was ist dieser elektrische Strom und was sind die Bedingungen für seine Existenz? Darüber werden wir weiter sprechen und eine kurze Erklärung für Elektriker-Anfänger geben.

Definition

Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern – das ist eine Standardformulierung aus einem Physiklehrbuch. Bestimmte Teilchen eines Stoffes wiederum werden Ladungsträger genannt. Sie können sein:

• Elektronen sind negative Ladungsträger.
• Ionen sind positive Ladungsträger.

Aber woher kommen Ladungsträger? Um diese Frage zu beantworten, müssen Sie sich an das grundlegende Wissen über die Struktur der Materie erinnern. Alles, was uns umgibt, ist Materie, es besteht aus Molekülen, seinen kleinsten Teilchen. Moleküle bestehen aus Atomen. Ein Atom besteht aus einem Kern, um den sich Elektronen auf vorgegebenen Bahnen bewegen. Moleküle bewegen sich auch chaotisch. Die Bewegung und Struktur jedes dieser Partikel hängt von der Substanz selbst und dem Einfluss der Umgebung darauf ab, zum Beispiel Temperatur, Spannung usw.

Ein Ion wird als Atom bezeichnet, bei dem sich das Verhältnis von Elektronen und Protonen geändert hat. Wenn das Atom zunächst neutral ist, werden die Ionen wiederum unterteilt in:

• Anionen sind ein positives Ion eines Atoms, das Elektronen verloren hat.
• Kationen sind ein Atom mit "zusätzlichen" Elektronen, die an das Atom gebunden sind.

Die Einheit der Strommessung ist Ampere, gemäß Ohm'sches Gesetz es wird nach der Formel berechnet:

Ich = U / R,

wobei U die Spannung [V] und R der Widerstand [Ohm] ist.

Oder sie ist direkt proportional zur übertragenen Ladungsmenge pro Zeiteinheit:

ich = Q / t,

wobei Q – Ladung, [Cl], t – Zeit, [s].

Bedingungen für die Existenz von elektrischem Strom

Wir haben herausgefunden, was elektrischer Strom ist. Lassen Sie uns nun darüber sprechen, wie man seinen Fluss sicherstellt. Für den Stromfluss müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

1. Das Vorhandensein von freien Ladungsträgern.
2. Elektrisches Feld.

Die erste Bedingung für die Existenz und den Fluss von Elektrizität hängt von der Substanz ab, in der der Strom fließt (oder nicht fließt) sowie von ihrem Zustand. Auch die zweite Bedingung ist denkbar: Für die Existenz eines elektrischen Feldes ist das Vorhandensein unterschiedlicher Potentiale notwendig, zwischen denen sich ein Medium befindet, in dem Ladungsträger fließen.

Erinnern wir uns: Spannung, EMF ist die Potenzialdifferenz. Daraus folgt, dass Spannung erforderlich ist, um die Bedingungen für die Existenz eines Stroms - das Vorhandensein eines elektrischen Feldes und eines elektrischen Stroms - zu erfüllen. Dies können Platten eines geladenen Kondensators, eine galvanische Zelle, eine durch ein Magnetfeld erzeugte EMF (Generator) sein.

Wie es entsteht, wir haben es herausgefunden, sprechen wir darüber, wohin es gerichtet ist. Der Strom, hauptsächlich in unserem üblichen Gebrauch, fließt in den Leitern (elektrische Leitungen in der Wohnung, Glühbirnen Glühlampen) oder in Halbleitern (LEDs, der Prozessor Ihres Smartphones und andere Elektronik), seltener in Gasen (Leuchtstofflampen).

Die Hauptladungsträger sind also in den meisten Fällen Elektronen, sie bewegen sich vom Minus (Punkte mit negativem Potenzial) auf Plus (einen Punkt mit positivem Potenzial, dazu erfährst du weiter unten).

Eine interessante Tatsache ist jedoch, dass die Richtung der Strombewegung als die Bewegung positiver Ladungen angesehen wurde - von Plus nach Minus. Obwohl eigentlich alles andersherum passiert. Tatsache ist, dass die Entscheidung über die Richtung des Stroms getroffen wurde, bevor seine Natur untersucht wurde und auch bevor festgestellt wurde, was der Strom fließt und existiert.

Elektrischer Strom in verschiedenen Umgebungen

Wir haben bereits erwähnt, dass sich der elektrische Strom in verschiedenen Umgebungen in der Art der Ladungsträger unterscheiden kann. Die Medien lassen sich nach der Art der Leitfähigkeit (in abnehmender Leitfähigkeit) einteilen:

1. Leiter (Metalle).
2. Halbleiter (Silizium, Germanium, Galliumarsenid usw.).
3. Dielektrikum (Vakuum, Luft, destilliertes Wasser).

In Metallen

In Metallen gibt es freie Ladungsträger, sie werden manchmal als "Elektrogas" bezeichnet. Woher kommen kostenlose Ladungsträger? Tatsache ist, dass ein Metall wie jede Substanz aus Atomen besteht. Atome bewegen oder schwingen auf die eine oder andere Weise. Je höher die Temperatur des Metalls ist, desto stärker ist diese Bewegung. Gleichzeitig bleiben die Atome selbst im Allgemeinen an ihrem Platz und bilden die Struktur des Metalls.

In den Elektronenhüllen eines Atoms befinden sich meist mehrere Elektronen, die eine eher schwache Bindung zum Atomkern haben. Unter dem Einfluss von Temperaturen, chemischen Reaktionen und der Wechselwirkung von Verunreinigungen, die ohnehin im Metall enthalten sind, werden Elektronen von ihren Atomen gelöst, positiv geladene Ionen entstehen. Abgelöste Elektronen werden als frei bezeichnet und bewegen sich chaotisch.

Werden sie von einem elektrischen Feld beeinflusst, zum Beispiel, wenn Sie eine Batterie an ein Metallstück anschließen, wird die chaotische Bewegung der Elektronen geordnet. Elektronen von dem Punkt, an dem das negative Potenzial angeschlossen ist (z. B. die Kathode einer galvanischen Zelle), beginnen sich zu dem Punkt mit positivem Potenzial zu bewegen.

Bei Halbleitern

Halbleiter sind Materialien, in denen im Normalzustand keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Sie befinden sich in der sogenannten verbotenen Zone. Wenn Sie jedoch äußere Kräfte wie ein elektrisches Feld, Wärme, verschiedene Strahlungen (Licht, Strahlung usw.), überwinden sie die verbotene Zone und gehen in eine freie Zone oder eine Zone Leitfähigkeit. Elektronen lösen sich von ihren Atomen und werden frei, bilden Ionen - positive Ladungsträger.

Positive Ladungsträger in Halbleitern werden Löcher genannt.

Wenn Sie beispielsweise einfach Energie auf einen Halbleiter übertragen, ihn erhitzen, beginnt die chaotische Bewegung der Ladungsträger. Aber wenn wir über Halbleiterelemente wie eine Diode oder einen Transistor sprechen, dann an gegenüberliegenden Enden des Kristalls (auf ihnen wird eine metallisierte Schicht aufgebracht und die Leitungen werden verlötet) EMF wird auftreten, dies gilt jedoch nicht für das heutige Thema Artikel.

Wenn Sie eine EMF-Quelle auf einen Halbleiter anwenden, gehen die Ladungsträger auch in das Leitungsband und beginnen auch ihre Richtungsbewegung - die Löcher gehen zur Seite mit einem niedrigeren elektrischen Potential und die Elektronen - zur Seite mit groß.

Im Vakuum und Gas

Ein Vakuum wird als Medium bezeichnet, bei dem Gase vollständig (im Idealfall) fehlen oder (in Wirklichkeit) minimiert sind. Da sich im Vakuum keine Substanz befindet, können Ladungsträger auch nirgendwo herkommen. Der Stromfluss im Vakuum markierte jedoch den Beginn der Elektronik und eine ganze Ära elektronischer Elemente - Vakuumröhren. Sie wurden in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts verwendet und in den 50er Jahren begannen sie allmählich Transistoren zu weichen (je nach spezifischem Bereich der Elektronik).

Nehmen wir an, wir haben ein Gefäß, aus dem das gesamte Gas abgepumpt wurde, d.h. es ist ein komplettes Vakuum darin. Im Gefäß werden zwei Elektroden platziert, nennen wir sie Anode und Kathode. Wenn wir das negative Potenzial der EMF-Quelle an die Kathode und das positive an die Anode anschließen, passiert nichts und der Strom fließt nicht. Aber wenn wir anfangen, die Kathode zu erhitzen, beginnt der Strom zu fließen. Dieser Vorgang wird als thermionische Emission bezeichnet - die Emission von Elektronen von der erhitzten Oberfläche eines Elektrons.

Die Abbildung zeigt den Stromfluss in einer Vakuumlampe. In Vakuumröhren wird die Kathode durch einen nahegelegenen Glühfaden in Abbildung (H) erhitzt, wie beispielsweise in einer Beleuchtungslampe.

Wenn Sie in diesem Fall die Polarität der Stromversorgung ändern - ein Minus an die Anode und ein Plus an die Kathode anlegen - fließt kein Strom. Dies wird beweisen, dass der Strom im Vakuum aufgrund der Bewegung der Elektronen von der KATHODE zur ANODE fließt.

Gas besteht wie jede Substanz aus Molekülen und Atomen, was bedeutet, dass, wenn das Gas unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes steht, bei Mit einer bestimmten Stärke (Ionisationsspannung) lösen sich die Elektronen vom Atom, dann sind beide Bedingungen für den elektrischen Stromfluss - das Feld und freie Medien.

Wie bereits erwähnt, wird dieser Vorgang als Ionisation bezeichnet. Es kann nicht nur durch die angelegte Spannung auftreten, sondern auch durch Erhitzen des Gases, Röntgenstrahlen, unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung und anderen Dingen.

Der Strom fließt auch dann durch die Luft, wenn zwischen den Elektroden ein Brenner installiert ist.

Der Stromfluss in Inertgasen wird von Gaslumineszenz begleitet, dieses Phänomen wird in Leuchtstofflampen aktiv genutzt. Das Fließen eines elektrischen Stroms in einem gasförmigen Medium wird als Gasentladung bezeichnet.

In Flüssigkeit

Nehmen wir an, wir haben ein Gefäß mit Wasser, in dem zwei Elektroden platziert sind, an die eine Stromquelle angeschlossen ist. Wenn das Wasser destilliert ist, also rein ist und keine Verunreinigungen enthält, handelt es sich um ein Dielektrikum. Wenn wir dem Wasser jedoch ein wenig Salz, Schwefelsäure oder eine andere Substanz hinzufügen, bildet sich ein Elektrolyt und ein Strom beginnt durch ihn zu fließen.

Ein Elektrolyt ist eine Substanz, die durch Dissoziation in Ionen einen elektrischen Strom leitet.

Wenn Sie dem Wasser Kupfersulfat hinzufügen, setzt sich auf einer der Elektroden (Kathode) eine Kupferschicht ab - dies wird als Elektrolyse bezeichnet beweist, dass der elektrische Strom in einer Flüssigkeit aufgrund der Bewegung von Ionen - positiven und negativen Ladungsträgern aufladen.

Die Elektrolyse ist ein physikalisch-chemischer Prozess, bei dem die Bestandteile des Elektrolyten an den Elektroden freigesetzt werden.

So kommt es zum Verkupfern, Vergolden und Beschichten mit anderen Metallen.

Abschluss

Zusammenfassend werden für den elektrischen Stromfluss freie Ladungsträger benötigt:

• Elektronen in Leitern (Metallen) und Vakuum;
• Elektronen und Löcher in Halbleitern;
• Ionen (Anionen und Kationen) in Flüssigkeiten und Gasen.

Damit die Bewegung dieser Träger geordnet wird, wird ein elektrisches Feld benötigt. Einfach gesagt, legen Sie eine Spannung an den Enden des Körpers an oder installieren Sie zwei Elektroden in einer Umgebung, in der ein elektrischer Strom fließen soll.

Es ist auch erwähnenswert, dass der Strom den Stoff in gewisser Weise beeinflusst. Es gibt drei Arten der Exposition:

• Thermal;
• chemisch;
• physisch.

Schließlich empfehlen wir Ihnen, sich ein nützliches Video anzusehen, in dem die Bedingungen für die Existenz und den Fluss von elektrischem Strom näher erläutert werden:

Nützlich zum Thema:

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