Elektrivool: mis see on ja kuidas see tekib

Kaasaegse inimese elu on võimatu ette kujutada ilma elektrita. Voldid, amprid, vatid – need sõnad kõlavad vestluses elektriga töötavate seadmete kohta. Aga mis see elektrivool on ja millised on selle olemasolu tingimused? Räägime sellest edasi, pakkudes algajatele elektrikutele lühikese selgituse.

Definitsioon

Elektrivool on laengukandjate suunaline liikumine – see on füüsikaõpiku standardne sõnastus. Aine teatud osakesi nimetatakse omakorda laengukandjateks. Nad võivad olla:

• Elektronid on negatiivse laengu kandjad.
• Ioonid on positiivse laengu kandjad.

Aga kust tulevad laengukandjad? Sellele küsimusele vastamiseks peate meeles pidama põhiteadmisi aine struktuuri kohta. Kõik, mis meid ümbritseb, on mateeria, see koosneb molekulidest, selle väikseimatest osakestest. Molekulid koosnevad aatomitest. Aatom koosneb tuumast, mille ümber elektronid liiguvad etteantud orbiitidel. Molekulid liiguvad ka kaootiliselt. Kõigi nende osakeste liikumine ja struktuur sõltuvad ainest endast ja keskkonna mõjust sellele, näiteks temperatuurist, pingest jne.

Iooniks nimetatakse aatomit, milles elektronide ja prootonite suhe on muutunud. Kui aatom on algselt neutraalne, jagunevad ioonid omakorda:

• Anioonid on elektronid kaotanud aatomi positiivne ioon.
• Katioonid on aatom, mille aatomi külge on kinnitatud "lisa" elektronid.

Voolu mõõtühikuks on amper, vastavalt Ohmi seadus see arvutatakse järgmise valemiga:

I = U / R,

kus U on pinge [V] ja R on takistus [Oom].

Või on see otseselt proportsionaalne ajaühiku kohta ülekantava tasu summaga:

I = Q/t,

kus Q - laeng, [Cl], t - aeg, [s].

Elektrivoolu olemasolu tingimused

Saime aru, mis on elektrivool, nüüd räägime sellest, kuidas selle voolu tagada. Elektrivoolu liikumiseks peavad olema täidetud kaks tingimust:

1. Vabade laengukandjate olemasolu.
2. Elektriväli.

Elektri olemasolu ja voolamise esimene tingimus sõltub ainest, milles vool voolab (või ei voola), samuti selle olekust. Samuti on teostatav teine ​​tingimus: elektrivälja olemasoluks on vajalik erinevate potentsiaalide olemasolu, mille vahel on keskkond, milles laengukandjad voolavad.

Tuletame meelde: Pinge, EMF on potentsiaalide erinevus. Sellest järeldub, et voolu olemasolu tingimuste - elektrivälja ja elektrivoolu olemasolu - täitmiseks on vaja pinget. Need võivad olla laetud kondensaatori plaadid, galvaaniline element, magnetvälja tekitatud EMF (generaator).

Kuidas see tekib, mõtlesime selle välja, räägime sellest, kuhu see on suunatud. Vool, peamiselt meie tavapärasel kasutusel, liigub juhtides (korteri elektrijuhtmestik, lambipirnid hõõglamp) või pooljuhtides (LED-id, nutitelefoni protsessor ja muu elektroonika), harvem gaasides (luminofoorlambid).

Seega on peamised laengukandjad enamikul juhtudel elektronid, nad liiguvad miinuspunktist (punktid negatiivse potentsiaaliga) plussile (positiivse potentsiaaliga punkt, selle kohta saate rohkem teada allpool).

Kuid huvitav fakt on see, et voolu liikumise suunda võeti positiivsete laengute liikumisena - plussist miinuseni. Kuigi tegelikult juhtub kõik vastupidi. Fakt on see, et otsus voolu suuna kohta tehti enne selle olemuse uurimist ja ka enne selle kindlaksmääramist, mille tõttu vool voolab ja eksisteerib.

Elektrivool erinevates keskkondades

Oleme juba maininud, et erinevates keskkondades võib elektrivool erineda laengukandjate tüübi poolest. Meediumi võib jagada juhtivuse olemuse järgi (juhtivuse vähendamisel):

1. Juht (metallid).
2. Pooljuht (räni, germaanium, galliumarseniid jne).
3. Dielektriline (vaakum, õhk, destilleeritud vesi).

Metallides

Metallides on vabu laengukandjaid, neid nimetatakse mõnikord "elektrigaasiks". Kust tulevad tasuta laengukandjad? Fakt on see, et metall, nagu iga aine, koosneb aatomitest. Aatomid liiguvad või võnguvad ühel või teisel viisil. Mida kõrgem on metalli temperatuur, seda tugevam on see liikumine. Samal ajal jäävad aatomid ise üldiselt oma kohtadele, moodustades tegelikult metalli struktuuri.

Aatomi elektronkihtides on tavaliselt mitu elektroni, millel on tuumaga üsna nõrk side. Temperatuuride, keemiliste reaktsioonide ja lisandite vastasmõjul, mida metallis igal juhul on, eralduvad elektronid oma aatomitest, tekivad positiivselt laetud ioonid. Eraldunud elektrone nimetatakse vabadeks ja nad liiguvad kaootiliselt.

Kui neid mõjutab elektriväli, näiteks kui ühendada aku metallitükiga, muutub elektronide kaootiline liikumine korrapäraseks. Negatiivse potentsiaali ühendamise punktist (näiteks galvaanilise elemendi katood) hakkavad elektronid liikuma positiivse potentsiaaliga punkti.

Pooljuhtides

Pooljuhid on materjalid, milles normaalses olekus vabu laengukandjaid ei ole. Need on nn keelatud tsoonis. Kui aga rakendate väliseid jõude, näiteks elektrivälja, soojust, erinevat kiirgust (valgus, kiirgus jne), ületavad nad keelatud tsooni ja lähevad vabasse või tsooni juhtivus. Elektronid eralduvad oma aatomitest ja muutuvad vabaks, moodustades ioone – positiivseid laengukandjaid.

Pooljuhtide positiivseid kandjaid nimetatakse aukudeks.

Kui pooljuhile energia lihtsalt üle kanda, näiteks soojendada, algab laengukandjate kaootiline liikumine. Aga kui me räägime pooljuhtelementidest, nagu diood või transistor, siis kristalli vastasotstes (neile kantakse metalliseeritud kiht ja juhtmed joodetakse) EMF tekib, aga see ei kehti tänase teema kohta artiklid.

Kui rakendate pooljuhile EMF-i allika, lähevad laengukandjad samuti juhtivusribale ja hakkavad samuti nende suunaline liikumine - augud lähevad madalama elektripotentsiaaliga küljele ja elektronid - küljele suurepärane.

Vaakumis ja gaasis

Vaakumiks nimetatakse keskkonda, kus gaaside täielik (ideaalsel juhul) puudub või selle minimeeritud (tegelikkuses) kogus. Kuna vaakumis ainet pole, pole ka laengukandjatel kusagilt tulla. Voolu voolamine vaakumis tähistas aga elektroonika ja terve elektrooniliste elementide – vaakumtorude ajastu algust. Neid kasutati eelmise sajandi esimesel poolel ja 50ndatel hakkasid nad järk-järgult andma teed transistoridele (olenevalt konkreetsest elektroonikavaldkonnast).

Oletame, et meil on anum, millest on kogu gaas välja pumbatud, s.t. selles on täielik vaakum. Anumasse asetatakse kaks elektroodi, nimetagem neid anoodiks ja katoodiks. Kui ühendame EMF-i allika negatiivse potentsiaali katoodiga ja positiivse anoodiga, ei juhtu midagi ja vool ei voola. Aga kui hakkame katoodi soojendama, hakkab vool voolama. Seda protsessi nimetatakse termiooniliseks emissiooniks – elektronide emissioon elektroni kuumutatud pinnalt.

Joonisel on kujutatud voolu kulgemise protsess vaakumlambis. Vaakumtorudes soojendatakse katoodi lähedalasuva hõõgniidi abil joonisel (H), näiteks valgustuslambis.

Sel juhul, kui muudate toiteallika polaarsust - lisage anoodile miinus ja katoodile pluss - vool ei voola. See tõestab, et vaakumis olev vool voolab elektronide liikumise tõttu KATOODILT ANOOODI.

Gaas, nagu iga aine, koosneb molekulidest ja aatomitest, mis tähendab, et kui gaas on elektrivälja mõju all, siis Teatud tugevusega (ionisatsioonipinge) eralduvad elektronid aatomist, siis on mõlemad elektrivoolu kulgemise tingimused - väli ja tasuta meedia.

Nagu juba mainitud, nimetatakse seda protsessi ioniseerimiseks. See võib ilmneda mitte ainult rakendatud pingest, vaid ka gaasi kuumutamisel, röntgenikiirgusel, ultraviolettkiirguse ja muude asjade mõjul.

Vool liigub läbi õhu isegi siis, kui elektroodide vahele on paigaldatud põleti.

Inertgaaside vooluga kaasneb gaasi luminestsents, seda nähtust kasutatakse aktiivselt luminofoorlampides. Elektrivoolu voolu gaasikeskkonnas nimetatakse gaaslahenduseks.

Vedelikuna

Oletame, et meil on veega anum, millesse on asetatud kaks elektroodi, millele on ühendatud toiteallikas. Kui vesi on destilleeritud, see tähendab puhas ja ei sisalda lisandeid, siis on see dielektrik. Kui aga lisada veele veidi soola, väävelhapet või mõnda muud ainet, tekib elektrolüüt ja sellest hakkab läbi voolama vool.

Elektrolüüt on aine, mis juhib ioonideks dissotsieerumise tõttu elektrivoolu.

Kui veele lisatakse vasksulfaati, settib ühele elektroodile (katoodile) vasekiht - seda nimetatakse elektrolüüsiks, mis tõestab, et elektrivool vedelikus toimub ioonide - positiivsete ja negatiivsete kandjate - liikumise tõttu tasu.

Elektrolüüs on füüsikalis-keemiline protsess, mis seisneb elektrolüüdi moodustavate komponentide vabastamises elektroodidel.

Seega toimub vasetamine, kullamine ja katmine teiste metallidega.

Järeldus

Kokkuvõtteks võib öelda, et elektrivoolu voolamiseks on vaja vabu laengukandjaid:

• elektronid juhtides (metallides) ja vaakum;
• elektronid ja augud pooljuhtides;
• ioonid (anioonid ja katioonid) vedelikes ja gaasides.

Selleks, et nende kandjate liikumine muutuks korrapäraseks, on vaja elektrivälja. Lihtsamalt öeldes rakendage korpuse otstele pinget või paigaldage kaks elektroodi keskkonda, kus peaks liikuma elektrivool.

Samuti väärib märkimist, et vool mõjutab ainet teatud viisil, kokkupuudet on kolme tüüpi:

• soojus;
• keemiline;
• füüsiline.

Lõpetuseks soovitame vaadata kasulikku videot, kus käsitletakse täpsemalt elektrivoolu olemasolu ja voolamise tingimusi:

Kasulik teemal:

• Juhi takistuse sõltuvus temperatuurist
• Joule-Lenzi seadus lihtsate sõnadega
• Milline elektrivool on inimesele ohtlikum: otsene või vahelduv