Il est impossible d'imaginer la vie d'une personne moderne sans électricité. Volts, Ampères, Watts - ces mots résonnent dans une conversation sur les appareils fonctionnant à l'électricité. Mais qu'est-ce que ce courant électrique et quelles sont les conditions de son existence? Nous en parlerons plus loin, en fournissant une brève explication pour les électriciens débutants.
Teneur:
- Définition
- Conditions d'existence du courant électrique
- Courant électrique dans différents environnements
- Dans les métaux
- Dans les semi-conducteurs
- Dans le vide et le gaz
- En liquide
- Conclusion
Définition
Le courant électrique est le mouvement directionnel des porteurs de charge - il s'agit d'une formulation standard d'un manuel de physique. À leur tour, certaines particules d'une substance sont appelées porteurs de charge. Ils peuvent être:
- Les électrons sont des porteurs de charges négatives.
- Les ions sont des porteurs de charge positifs.
Mais d'où viennent les porteurs de charges? Pour répondre à cette question, vous devez vous rappeler les connaissances de base sur la structure de la matière. Tout ce qui nous entoure est matière, il est constitué de molécules, ses plus petites particules. Les molécules sont constituées d'atomes. Un atome est constitué d'un noyau autour duquel des électrons se déplacent sur des orbites données. Les molécules se déplacent également de manière chaotique. Le mouvement et la structure de chacune de ces particules dépendent de la substance elle-même et de l'influence de l'environnement sur celle-ci, par exemple la température, le stress, etc.
Un ion est appelé un atome dans lequel le rapport des électrons et des protons a changé. Si l'atome est initialement neutre, les ions sont à leur tour divisés en :
- Les anions sont un ion positif d'un atome qui a perdu des électrons.
- Les cations sont un atome avec des électrons "supplémentaires" attachés à l'atome.
L'unité de mesure du courant est l'ampère, selon La loi d'Ohm il est calculé par la formule :
I = U / R,
où U est la tension, [V], et R est la résistance, [Ohm].
Soit il est directement proportionnel au montant de la charge transférée par unité de temps :
I = Q / t,
où Q - charge, [Cl], t - temps, [s].
Conditions d'existence du courant électrique
Nous avons compris ce qu'est le courant électrique, parlons maintenant de la façon d'assurer son flux. Pour le passage du courant électrique, deux conditions doivent être remplies :
- La présence de transporteurs gratuits.
- Champ électrique.
La première condition d'existence et de circulation de l'électricité dépend de la substance dans laquelle le courant circule (ou ne circule pas), ainsi que de son état. La deuxième condition est également réalisable: pour l'existence d'un champ électrique, la présence de différents potentiels est nécessaire, entre lesquels se trouve un milieu dans lequel vont circuler des porteurs de charge.
Rappelons: Tension, EMF est la différence de potentiel. Il s'ensuit que pour remplir les conditions d'existence d'un courant - la présence d'un champ électrique et d'un courant électrique, il faut une tension. Ceux-ci peuvent être des plaques d'un condensateur chargé, une cellule galvanique, un champ électromagnétique généré par un champ magnétique (générateur).
Comment cela survient, nous l'avons compris, parlons de l'endroit où cela est dirigé. Le courant, principalement dans notre usage habituel, circule dans les conducteurs (cablage électrique dans l'appartement, ampoules incandescent) ou dans les semi-conducteurs (LED, le processeur de votre smartphone et autres appareils électroniques), moins souvent dans les gaz (lampes fluorescentes).
Ainsi, les principaux porteurs de charge sont dans la plupart des cas des électrons, ils se déplacent du moins (points avec un potentiel négatif) à plus (un point avec un potentiel positif, vous en apprendrez plus à ce sujet ci-dessous).
Mais un fait intéressant est que la direction du mouvement du courant a été prise comme le mouvement des charges positives - du plus au moins. Même si, en fait, tout se passe dans l'autre sens. Le fait est que la décision sur la direction du courant a été prise avant d'étudier sa nature, et aussi avant qu'elle ne soit déterminée en raison de ce que le courant circule et existe.
Courant électrique dans différents environnements
Nous avons déjà mentionné que dans différents environnements, le courant électrique peut différer par le type de porteurs de charge. Les milieux peuvent être divisés selon la nature de la conductivité (en conductivité décroissante) :
- Conducteur (métaux).
- Semi-conducteur (silicium, germanium, arséniure de gallium, etc.).
- Diélectrique (vide, air, eau distillée).
Dans les métaux
Dans les métaux il existe des porteurs de charges gratuits, ils sont parfois appelés "gaz électrique". D'où viennent les transporteurs gratuits? Le fait est qu'un métal, comme toute substance, est constitué d'atomes. Les atomes se déplacent ou oscillent d'une manière ou d'une autre. Plus la température du métal est élevée, plus ce mouvement est fort. Dans le même temps, les atomes eux-mêmes restent généralement à leur place, formant en fait la structure du métal.
Dans les couches électroniques d'un atome, il y a généralement plusieurs électrons, qui ont une liaison assez faible avec le noyau. Sous l'influence des températures, des réactions chimiques et de l'interaction des impuretés, qui se trouvent de toute façon dans le métal, des électrons se détachent de leurs atomes, des ions chargés positivement se forment. Les électrons détachés sont dits libres et se déplacent de manière chaotique.
S'ils sont affectés par un champ électrique, par exemple, si vous connectez une batterie à un morceau de métal, le mouvement chaotique des électrons deviendra ordonné. Les électrons du point auquel le potentiel négatif est connecté (la cathode d'une cellule galvanique, par exemple) commenceront à se déplacer vers le point avec un potentiel positif.
Dans les semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont des matériaux dans lesquels il n'y a pas de porteurs de charge gratuits à l'état normal. Ils sont dans la zone dite interdite. Mais si vous appliquez des forces externes, telles qu'un champ électrique, de la chaleur, divers rayonnements (lumière, radiations, etc.), ils franchissent la zone interdite et pénètrent dans une zone libre ou une zone conductivité. Les électrons se détachent de leurs atomes et deviennent libres, formant des ions - porteurs de charge positifs.
Les porteurs positifs dans les semi-conducteurs sont appelés trous.
Si vous transférez simplement de l'énergie à un semi-conducteur, par exemple, le chauffez, le mouvement chaotique des porteurs de charge commencera. Mais si nous parlons d'éléments semi-conducteurs, tels qu'une diode ou un transistor, alors aux extrémités opposées du cristal (une couche métallisée leur est appliquée et les fils sont soudés) Des CEM se produiront, mais cela ne s'applique pas au sujet d'aujourd'hui des articles.
Si vous appliquez une source EMF à un semi-conducteur, les porteurs de charge entreront également dans la bande de conduction et commenceront également leur mouvement directionnel - les trous iront du côté avec un potentiel électrique inférieur, et les électrons - du côté avec super.
Dans le vide et le gaz
Un vide est appelé un milieu avec une absence totale (cas idéal) de gaz ou sa quantité minimisée (en réalité). Puisqu'il n'y a pas de substance dans le vide, il n'y a nulle part d'où proviennent les porteurs de charge. Cependant, le passage du courant dans le vide a marqué le début de l'électronique et toute une ère d'éléments électroniques - les tubes à vide. Ils ont été utilisés dans la première moitié du siècle dernier et, dans les années 50, ils ont commencé à céder progressivement la place aux transistors (selon le domaine spécifique de l'électronique).
Supposons que nous ayons un récipient à partir duquel tout le gaz a été pompé, c'est-à-dire il y a un vide complet dedans. Deux électrodes sont placées dans la cuve, appelons-les anode et cathode. Si nous connectons le potentiel négatif de la source EMF à la cathode et positif à l'anode, rien ne se passera et le courant ne circulera pas. Mais si nous commençons à chauffer la cathode, le courant commencera à circuler. Ce processus est appelé émission thermoionique - l'émission d'électrons à partir de la surface chauffée d'un électron.
La figure montre le processus de circulation du courant dans une lampe à vide. Dans les tubes à vide, la cathode est chauffée par un filament voisin sur la figure (H), comme dans une lampe d'éclairage.
Dans ce cas, si vous modifiez la polarité de l'alimentation - appliquez un moins à l'anode et appliquez un plus à la cathode - le courant ne circulera pas. Cela prouvera que le courant dans le vide circule en raison du mouvement des électrons de la CATHODE à l'ANODE.
Le gaz, comme toute substance, est constitué de molécules et d'atomes, ce qui signifie que si le gaz est sous l'influence d'un champ électrique, alors à Avec une certaine force (tension d'ionisation), les électrons se détacheront de l'atome, puis les deux conditions pour le passage du courant électrique - le champ et médias libres.
Comme déjà mentionné, ce processus est appelé ionisation. Cela peut se produire non seulement à partir de la tension appliquée, mais également lorsque le gaz est chauffé, aux rayons X, sous l'influence du rayonnement ultraviolet et d'autres choses.
Le courant circulera dans l'air même si un brûleur est installé entre les électrodes.
Le passage du courant dans les gaz inertes s'accompagne d'une luminescence gazeuse; ce phénomène est activement utilisé dans les lampes fluorescentes. Le passage d'un courant électrique dans un milieu gazeux est appelé décharge gazeuse.
En liquide
Disons que nous avons un récipient avec de l'eau dans lequel sont placées deux électrodes, auxquelles une source d'alimentation est connectée. Si l'eau est distillée, c'est-à-dire pure et ne contient pas d'impuretés, alors c'est un diélectrique. Mais si nous ajoutons un peu de sel, d'acide sulfurique ou toute autre substance à l'eau, un électrolyte se forme et un courant commence à la traverser.
Un électrolyte est une substance qui conduit un courant électrique en raison de sa dissociation en ions.
Si vous ajoutez du sulfate de cuivre à l'eau, une couche de cuivre se déposera sur l'une des électrodes (cathode) - c'est ce qu'on appelle l'électrolyse, qui prouve que le courant électrique dans un liquide est effectué en raison du mouvement des ions - porteurs positifs et négatifs charger.
L'électrolyse est un processus physico-chimique, qui consiste en la libération des composants qui composent l'électrolyte sur les électrodes.
Ainsi, le placage de cuivre, la dorure et le revêtement avec d'autres métaux se produisent.
Conclusion
Pour résumer, des porteurs de charge gratuits sont nécessaires pour la circulation du courant électrique :
- électrons dans les conducteurs (métaux) et le vide;
- électrons et trous dans les semi-conducteurs;
- ions (anions et cations) dans les liquides et les gaz.
Pour que le mouvement de ces porteurs devienne ordonné, un champ électrique est nécessaire. En termes simples, appliquez une tension aux extrémités du corps ou installez deux électrodes dans un environnement où un courant électrique est censé circuler.
Il est également intéressant de noter que le courant affecte la substance d'une certaine manière, il existe trois types d'exposition :
- thermique;
- chimique;
- physique.
Enfin, nous vous recommandons de regarder une vidéo utile, qui traite plus en détail des conditions d'existence et de circulation du courant électrique :
Utile sur le sujet :
- La dépendance de la résistance du conducteur à la température
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