Es imposible imaginar la vida de una persona moderna sin electricidad. Voltios, amperios, vatios: estas palabras suenan en una conversación sobre dispositivos que funcionan con electricidad. Pero, ¿qué es esta corriente eléctrica y cuáles son las condiciones para su existencia? Hablaremos más sobre esto, brindando una breve explicación para los electricistas principiantes.
Contenido:
- Definición
- Condiciones para la existencia de corriente eléctrica.
- Corriente eléctrica en diferentes entornos.
- En metales
- En semiconductores
- En vacío y gas
- En liquido
- Conclusión
Definición
La corriente eléctrica es el movimiento direccional de los portadores de carga; esta es una formulación estándar de un libro de texto de física. A su vez, ciertas partículas de una sustancia se denominan portadores de carga. Ellos pueden ser:
- Los electrones son portadores de carga negativa.
- Los iones son portadores de carga positiva.
Pero, ¿de dónde vienen los portadores de cargos? Para responder a esta pregunta, debe recordar los conocimientos básicos sobre la estructura de la materia. Todo lo que nos rodea es materia, está formado por moléculas, sus partículas más pequeñas. Las moléculas están formadas por átomos. Un átomo consta de un núcleo alrededor del cual se mueven los electrones en órbitas determinadas. Las moléculas también se mueven de forma caótica. El movimiento y la estructura de cada una de estas partículas dependen de la sustancia en sí y de la influencia del entorno en ella, por ejemplo, la temperatura, el estrés, etc.
Un ion se denomina átomo en el que la proporción de electrones y protones ha cambiado. Si el átomo es inicialmente neutro, los iones, a su vez, se dividen en:
- Los aniones son iones positivos de un átomo que ha perdido electrones.
- Los cationes son un átomo con electrones "extra" unidos al átomo.
La unidad de medida de la corriente es el amperio, según Ley de Ohm se calcula mediante la fórmula:
I = U / R,
donde U es voltaje, [V] y R es resistencia, [Ohm].
O es directamente proporcional a la cantidad de carga transferida por unidad de tiempo:
Yo = Q / t,
donde Q - carga, [Cl], t - tiempo, [s].
Condiciones para la existencia de corriente eléctrica.
Descubrimos qué es la corriente eléctrica, ahora hablemos sobre cómo garantizar su flujo. Para el flujo de corriente eléctrica, se deben cumplir dos condiciones:
- La presencia de portadores de carga gratuita.
- Campo eléctrico.
La primera condición para la existencia y el flujo de electricidad depende de la sustancia en la que fluye (o no fluye) la corriente, así como de su estado. La segunda condición también es factible: para la existencia de un campo eléctrico es necesaria la presencia de diferentes potenciales, entre los cuales hay un medio en el que fluirán los portadores de carga.
Recordemos: Voltaje, EMF es la diferencia de potencial. De esto se deduce que para cumplir las condiciones para la existencia de una corriente, la presencia de un campo eléctrico y una corriente eléctrica, se necesita voltaje. Pueden ser placas de un condensador cargado, una celda galvánica, un EMF generado por un campo magnético (generador).
Cómo surge, lo averiguamos, hablemos de hacia dónde se dirige. La corriente, principalmente en nuestro uso habitual, se mueve en los conductores (cableado eléctrico en el apartamento, bombillas incandescente) o en semiconductores (LED, el procesador de su teléfono inteligente y otros dispositivos electrónicos), con menos frecuencia en gases (Lámparas fluorescentes).
Entonces, los principales portadores de carga en la mayoría de los casos son electrones, se mueven desde el menos (puntos con un potencial negativo) a más (un punto con un potencial positivo, aprenderá más sobre esto a continuación).
Pero un hecho interesante es que la dirección del movimiento actual se tomó como el movimiento de cargas positivas, de más a menos. Aunque, de hecho, todo sucede al revés. El caso es que la decisión sobre la dirección de la corriente se tomó antes de estudiar su naturaleza, y también antes de que se determinara por qué fluye y existe la corriente.
Corriente eléctrica en diferentes entornos.
Ya hemos mencionado que en diferentes entornos la corriente eléctrica puede diferir en el tipo de portadores de carga. Los medios se pueden dividir según la naturaleza de la conductividad (en conductividad decreciente):
- Conductor (metales).
- Semiconductores (silicio, germanio, arseniuro de galio, etc.).
- Dieléctrico (vacío, aire, agua destilada).
En metales
En los metales existen portadores de carga gratuita, a veces se les llama "gas eléctrico". ¿De dónde proceden los transportistas de carga gratuita? El hecho es que un metal, como cualquier sustancia, está formado por átomos. Los átomos se mueven u oscilan de una forma u otra. Cuanto mayor sea la temperatura del metal, más fuerte será este movimiento. Al mismo tiempo, los propios átomos generalmente permanecen en su lugar, de hecho, forman la estructura del metal.
En las capas de electrones de un átomo, generalmente hay varios electrones, que tienen un enlace bastante débil con el núcleo. Bajo la influencia de las temperaturas, las reacciones químicas y la interacción de las impurezas, que en cualquier caso están en el metal, los electrones se desprenden de sus átomos, se forman iones cargados positivamente. Los electrones desprendidos se denominan libres y se mueven caóticamente.
Si se ven afectados por un campo eléctrico, por ejemplo, si conecta una batería a una pieza de metal, el movimiento caótico de los electrones se volverá ordenado. Los electrones desde el punto al que está conectado el potencial negativo (el cátodo de una celda galvánica, por ejemplo) comenzarán a moverse hacia el punto con el potencial positivo.
En semiconductores
Los semiconductores son materiales en los que no hay portadores de carga gratuita en el estado normal. Están en la llamada zona prohibida. Pero si aplica fuerzas externas, como un campo eléctrico, calor, varias radiaciones (luz, radiación, etc.), superan la zona prohibida y entran en una zona franca o en una zona conductividad. Los electrones se desprenden de sus átomos y se liberan, formando iones, portadores de carga positiva.
Los portadores positivos en los semiconductores se denominan huecos.
Si simplemente transfiere energía a un semiconductor, por ejemplo, lo calienta, comenzará el movimiento caótico de los portadores de carga. Pero si estamos hablando de elementos semiconductores, como un diodo o un transistor, entonces en los extremos opuestos del cristal (se les aplica una capa metalizada y se sueldan los cables) Se producirán EMF, pero esto no se aplica al tema de hoy. artículos.
Si aplica una fuente EMF a un semiconductor, los portadores de carga también entrarán en la banda de conducción y también comenzarán su movimiento direccional - los agujeros irán hacia el lado con un potencial eléctrico más bajo, y los electrones - hacia el lado con estupendo.
En vacío y gas
Un vacío se denomina medio con una ausencia completa (caso ideal) de gases o su cantidad minimizada (en realidad). Dado que no hay sustancia en el vacío, no hay ningún lugar de donde provengan los portadores de carga. Sin embargo, el flujo de corriente en el vacío marcó el comienzo de la electrónica y toda una era de elementos electrónicos: los tubos de vacío. Se utilizaron en la primera mitad del siglo pasado, y en los años 50 empezaron a dar paso paulatinamente a los transistores (según el campo específico de la electrónica).
Supongamos que tenemos un recipiente del que se ha extraído todo el gas, es decir hay un vacío total en él. Se colocan dos electrodos en el recipiente, llamémoslos ánodo y cátodo. Si conectamos el potencial negativo de la fuente EMF al cátodo y el positivo al ánodo, no pasará nada y la corriente no fluirá. Pero si comenzamos a calentar el cátodo, la corriente comenzará a fluir. Este proceso se llama emisión termoiónica: la emisión de electrones de la superficie calentada de un electrón.
La figura muestra el proceso de flujo de corriente en una lámpara de vacío. En los tubos de vacío, el cátodo se calienta mediante un filamento cercano en la figura (H), como en una lámpara de iluminación.
En este caso, si cambia la polaridad de la fuente de alimentación, aplique un signo menos al ánodo y aplique un signo más al cátodo, la corriente no fluirá. Esto demostrará que la corriente en el vacío fluye debido al movimiento de electrones del CÁTODO al ÁNODO.
El gas, como cualquier sustancia, consta de moléculas y átomos, lo que significa que si el gas está bajo la influencia de un campo eléctrico, entonces en Con una cierta fuerza (voltaje de ionización), los electrones se desprenderán del átomo, luego ambas condiciones para el flujo de una corriente eléctrica: el campo y medios libres.
Como ya se mencionó, este proceso se llama ionización. Puede ocurrir no solo por el voltaje aplicado, sino también cuando el gas se calienta, los rayos X, bajo la influencia de la radiación ultravioleta y otras cosas.
La corriente fluirá a través del aire incluso si se instala un quemador entre los electrodos.
El flujo de corriente en gases inertes se acompaña de luminiscencia de gas; este fenómeno se utiliza activamente en lámparas fluorescentes. El flujo de una corriente eléctrica en un medio gaseoso se denomina descarga de gas.
En liquido
Digamos que tenemos un recipiente con agua en el que se colocan dos electrodos, al que se conecta una fuente de alimentación. Si el agua es destilada, es decir, pura y no contiene impurezas, entonces es un dieléctrico. Pero si añadimos un poco de sal, ácido sulfúrico o cualquier otra sustancia al agua, se forma un electrolito y comienza a fluir una corriente a través de él.
Un electrolito es una sustancia que conduce una corriente eléctrica debido a la disociación en iones.
Si agrega sulfato de cobre al agua, entonces una capa de cobre se asentará en uno de los electrodos (cátodo), esto se llama electrólisis, que demuestra que la corriente eléctrica en un líquido se lleva a cabo debido al movimiento de iones: portadores positivos y negativos cargar.
La electrólisis es un proceso fisicoquímico, que consiste en la liberación de los componentes que componen el electrolito de los electrodos.
Por lo tanto, se produce el enchapado de cobre, el dorado y el revestimiento con otros metales.
Conclusión
En resumen, se necesitan portadores de carga gratuita para el flujo de corriente eléctrica:
- electrones en conductores (metales) y vacío;
- electrones y huecos en semiconductores;
- iones (aniones y cationes) en líquidos y gases.
Para que el movimiento de estos portadores se ordene, se necesita un campo eléctrico. En palabras simples, aplique un voltaje en los extremos del cuerpo o instale dos electrodos en un entorno donde se supone que fluye una corriente eléctrica.
También vale la pena señalar que la corriente afecta a la sustancia de cierta manera, existen tres tipos de exposición:
- térmico;
- químico;
- físico.
Finalmente, recomendamos ver un video útil, que analiza con más detalle las condiciones para la existencia y el flujo de corriente eléctrica:
Útil sobre el tema:
- La dependencia de la resistencia del conductor de la temperatura.
- Ley de Joule-Lenz en palabras simples
- ¿Qué corriente eléctrica es más peligrosa para una persona: directa o alterna?
