Sähkövirta: mikä se on ja miten se syntyy

On mahdotonta kuvitella nykyaikaisen ihmisen elämää ilman sähköä. Voltit, ampeerit, watit - nämä sanat kuulostavat keskustelussa sähköllä toimivista laitteista. Mutta mikä tämä sähkövirta on ja mitkä ovat sen olemassaolon ehdot? Puhumme tästä lisää tarjoamalla lyhyen selityksen aloitteleville sähköasentajille.

Määritelmä

Sähkövirta on varauksenkuljettajien suunnattua liikettä - tämä on fysiikan oppikirjan vakiomuotoilu. Tiettyjä aineen hiukkasia puolestaan ​​kutsutaan varauksen kantajiksi. Ne voivat olla:

• Elektronit ovat negatiivisia varauksenkantajia.
• Ionit ovat positiivisen varauksen kantajia.

Mutta mistä varauksen kantajat tulevat? Vastataksesi tähän kysymykseen sinun on muistettava perustiedot aineen rakenteesta. Kaikki, mikä meitä ympäröi, on ainetta, se koostuu molekyyleistä, sen pienimmistä hiukkasista. Molekyylit koostuvat atomeista. Atomi koostuu ytimestä, jonka ympärillä elektronit liikkuvat tietyillä kiertoradoilla. Molekyylit liikkuvat myös kaoottisesti. Jokaisen näiden hiukkasten liike ja rakenne riippuvat aineesta itsestään ja ympäristön vaikutuksesta siihen, esimerkiksi lämpötilasta, jännityksestä ja niin edelleen.

Ionia kutsutaan atomiksi, jossa elektronien ja protonien suhde on muuttunut. Jos atomi on alun perin neutraali, ionit puolestaan ​​​​jaetaan:

• Anionit ovat atomin positiivisia ioneja, jotka ovat menettäneet elektroneja.
• Kationit ovat atomi, jonka atomiin on kiinnittynyt "ylimääräisiä" elektroneja.

Virran mittayksikkö on ampeeri Ohmin laki se lasketaan kaavalla:

I = U / R,

missä U on jännite, [V] ja R on vastus, [Ohm].

Tai se on suoraan verrannollinen aikayksikköä kohti siirretyn maksun määrään:

I = Q/t,

missä Q - varaus, [Cl], t - aika, [s].

Edellytykset sähkövirran olemassaololle

Selvitimme, mikä sähkövirta on, nyt puhutaan kuinka varmistaa sen virtaus. Sähkövirran kulkua varten on täytettävä kaksi ehtoa:

1. Ilmaisten varauksenkantajien läsnäolo.
2. Sähkökenttä.

Ensimmäinen ehto sähkön olemassaololle ja virtaukselle riippuu aineesta, jossa virta kulkee (tai ei kulje), sekä sen tilasta. Toinen ehto on myös mahdollinen: sähkökentän olemassaolo edellyttää erilaisten potentiaalien läsnäoloa, joiden välillä on väliaine, jossa varauksen kantajat virtaavat.

Muistutetaan: Jännite, EMF on potentiaaliero. Tästä seuraa, että virran olemassaolon ehtojen täyttämiseksi - sähkökentän ja sähkövirran läsnäolo - tarvitaan jännite. Nämä voivat olla ladatun kondensaattorin, galvaanisen kennon, magneettikentän (generaattorin) tuottaman EMF: n levyjä.

Miten se syntyy, selvitimme sen, puhutaanpa siitä, mihin se on suunnattu. Virta liikkuu pääasiassa normaalikäytössämme johtimissa (asunnon sähköjohdot, hehkulamput hehkulamppu) tai puolijohteissa (LEDit, älypuhelimen prosessori ja muu elektroniikka), harvemmin kaasuissa (loistelamput).

Joten tärkeimmät varauksen kantajat ovat useimmissa tapauksissa elektroneja, ne liikkuvat miinuspisteestä (pisteet negatiivisella potentiaalilla) plussaan (piste, jolla on positiivinen potentiaali, opit tästä lisää alla).

Mutta mielenkiintoinen tosiasia on, että virran liikkeen suunta otettiin positiivisten varausten liikkeeksi - plussasta miinukseen. Vaikka itse asiassa kaikki tapahtuu toisin päin. Tosiasia on, että päätös virran suunnasta tehtiin ennen sen luonteen tutkimista ja myös ennen kuin se määritettiin sen perusteella, mitä virta kulkee ja on olemassa.

Sähkövirta eri ympäristöissä

Olemme jo maininneet, että eri ympäristöissä sähkövirta voi vaihdella varauksenkuljettajien tyypin mukaan. Välineet voidaan jakaa johtavuuden luonteen mukaan (johtavuuden pienentyessä):

1. Johdin (metallit).
2. Puolijohde (pii, germanium, galliumarsenidi jne.).
3. Dielektrinen (tyhjiö, ilma, tislattu vesi).

Metalleissa

Metalleissa on vapaita varauksenkuljettajia, joita kutsutaan joskus "sähkökaasuksi". Mistä ilmaiset maksunkantajat tulevat? Tosiasia on, että metalli, kuten mikä tahansa aine, koostuu atomeista. Atomit liikkuvat tai värähtelevät tavalla tai toisella. Mitä korkeampi metallin lämpötila, sitä voimakkaampi tämä liike on. Samaan aikaan itse atomit pysyvät yleensä paikoillaan, itse asiassa muodostaen metallin rakenteen.

Atomin elektronikuorissa on yleensä useita elektroneja, joilla on melko heikko sidos ytimeen. Lämpötilojen, kemiallisten reaktioiden ja metallissa joka tapauksessa olevien epäpuhtauksien vuorovaikutuksen vaikutuksesta elektronit irtoavat atomeistaan, muodostuu positiivisesti varautuneita ioneja. Irronneita elektroneja kutsutaan vapaiksi ja ne liikkuvat kaoottisesti.

Jos niihin vaikuttaa sähkökenttä, esimerkiksi jos liität akun metallipalaan, elektronien kaoottinen liike muuttuu säännölliseksi. Elektronit kohdasta, johon negatiivinen potentiaali on kytketty (esimerkiksi galvaanisen kennon katodi), alkavat liikkua positiivisen potentiaalin pisteeseen.

Puolijohteissa

Puolijohteet ovat materiaaleja, joissa normaalitilassa ei ole vapaita varauksenkantajia. Ne ovat niin sanotulla kielletyllä alueella. Mutta jos käytät ulkoisia voimia, kuten sähkökenttää, lämpöä, erilaista säteilyä (valoa, säteily jne.), he ylittävät kielletyn alueen ja menevät vapaalle alueelle tai vyöhykkeelle johtavuus. Elektronit irtoavat atomeistaan ​​ja vapautuvat muodostaen ioneja - positiivisia varauksenkuljettajia.

Puolijohteiden positiivisia kantoaaltoja kutsutaan rei'iksi.

Jos yksinkertaisesti siirrät energiaa puolijohteeseen, esimerkiksi lämmität sitä, varauksenkuljettajien kaoottinen liike alkaa. Mutta jos puhumme puolijohdeelementeistä, kuten diodista tai transistorista, niin kiteen vastakkaisissa päissä (niihin levitetään metalloitu kerros ja johdot juotetaan) EMF tapahtuu, mutta tämä ei koske tämän päivän aihetta artikkeleita.

Jos asetat EMF-lähteen puolijohteeseen, myös varauksenkantajat menevät johtavuuskaistalle ja alkavat myös niiden suunnattu liike - reiät menevät pienemmän sähköpotentiaalin puolelle ja elektronit - puolelle loistava.

Tyhjiössä ja kaasulla

Tyhjiötä kutsutaan väliaineeksi, jossa (ihanteellisessa tapauksessa) ei ole kaasuja tai sen määrä on minimoitu (todellisuudessa). Koska tyhjiössä ei ole ainetta, varauksenkantajia ei ole mistä tulla. Virran virtaus tyhjiössä merkitsi kuitenkin elektroniikan ja koko elektronisten elementtien - tyhjiöputkien - aikakauden alkua. Niitä käytettiin viime vuosisadan ensimmäisellä puoliskolla, ja 50-luvulla ne alkoivat vähitellen väistää transistoreja (riippuen tietystä elektroniikka-alasta).

Oletetaan, että meillä on astia, josta kaikki kaasu on pumpattu pois, ts. siinä on täydellinen tyhjiö. Astiaan asetetaan kaksi elektrodia, kutsutaan niitä anodiksi ja katodiks. Jos kytkemme EMF-lähteen negatiivisen potentiaalin katodiin ja positiivisen anodiin, mitään ei tapahdu eikä virta kulje. Mutta jos alamme lämmittää katodia, virta alkaa virrata. Tätä prosessia kutsutaan lämpöemissioksi - elektronien emissioksi elektronin kuumennetulta pinnalta.

Kuvassa näkyy virran kulku tyhjiölampussa. Tyhjiöputkissa katodia lämmittää lähellä oleva kuvan (H) hehkulanka, kuten valaistuslampussa.

Tässä tapauksessa, jos muutat virtalähteen napaisuutta - aseta miinus anodille ja lisää katodille - virta ei kulje. Tämä todistaa, että tyhjiövirta virtaa elektronien liikkeen vuoksi KATODISTA ANODIIN.

Kaasu, kuten mikä tahansa aine, koostuu molekyyleistä ja atomeista, mikä tarkoittaa, että jos kaasu on sähkökentän vaikutuksen alaisena, Tietyllä voimakkuudella (ionisaatiojännitteellä) elektronit irtautuvat atomista, jolloin molemmat sähkövirran kulkuolosuhteet - kenttä ja ilmainen media.

Kuten jo mainittiin, tätä prosessia kutsutaan ionisaatioksi. Se voi tapahtua paitsi käytetystä jännitteestä, myös kun kaasua kuumennetaan, röntgensäteet, ultraviolettisäteilyn ja muiden asioiden vaikutuksen alaisena.

Virta kulkee ilman läpi, vaikka elektrodien väliin olisi asennettu poltin.

Inerttien kaasujen virran virtaukseen liittyy kaasun luminesenssi; tätä ilmiötä käytetään aktiivisesti loistelampuissa. Sähkövirran virtausta kaasuväliaineessa kutsutaan kaasupurkaukseksi.

Nesteessä

Oletetaan, että meillä on vesiastia, johon on sijoitettu kaksi elektrodia, joihin on kytketty virtalähde. Jos vesi on tislattua, eli puhdasta ja ei sisällä epäpuhtauksia, se on dielektrinen. Mutta jos lisäämme veteen hieman suolaa, rikkihappoa tai mitä tahansa muuta ainetta, muodostuu elektrolyytti ja virta alkaa kulkea sen läpi.

Elektrolyytti on aine, joka johtaa sähkövirtaa dissosioituessaan ioneiksi.

Jos lisäät kuparisulfaattia veteen, kuparikerros laskeutuu yhdelle elektrodista (katodista) - tätä kutsutaan elektrolyysiksi, joka osoittaa, että nesteen sähkövirta tapahtuu ionien - positiivisten ja negatiivisten kantajien - liikkeen vuoksi veloittaa.

Elektrolyysi on fysikaalis-kemiallinen prosessi, joka koostuu elektrolyytin muodostavien komponenttien vapautumisesta.

Siten tapahtuu kuparipinnoitusta, kultausta ja pinnoitusta muilla metalleilla.

Johtopäätös

Yhteenvetona voidaan todeta, että sähkövirran virtaamiseen tarvitaan vapaita varauksenkuljettajia:

• elektronit johtimissa (metallit) ja tyhjiö;
• puolijohteiden elektronit ja reiät;
• ionit (anionit ja kationit) nesteissä ja kaasuissa.

Jotta näiden kantoaaltojen liike saadaan järjestykseen, tarvitaan sähkökenttä. Yksinkertaisesti sanottuna syötä jännite rungon päihin tai asenna kaksi elektrodia ympäristöön, jossa sähkövirran on tarkoitus kulkea.

On myös syytä huomata, että virta vaikuttaa aineeseen tietyllä tavalla, altistumistyyppejä on kolme:

• lämpö;
• kemiallinen;
• fyysistä.

Lopuksi suosittelemme katsomaan hyödyllistä videota, jossa käsitellään yksityiskohtaisemmin sähkövirran olemassaolon ja virtauksen ehtoja:

Hyödyllinen aiheesta:

• Johtimen resistanssin riippuvuus lämpötilasta
• Joule-Lenzin laki yksinkertaisin sanoin
• Mikä sähkövirta on vaarallisempi henkilölle: suora vai vaihtovirta