Tidak mungkin membayangkan kehidupan orang modern tanpa listrik. Volt, Ampere, Watt - kata-kata ini terdengar dalam percakapan tentang perangkat yang menggunakan listrik. Tetapi apakah arus listrik ini dan bagaimana syarat keberadaannya? Kami akan membicarakan ini lebih lanjut, memberikan penjelasan singkat untuk tukang listrik pemula.
Isi:
- Definisi
- Syarat adanya arus listrik
- Arus listrik di lingkungan yang berbeda
- Dalam logam
- Dalam semikonduktor
- Dalam vakum dan gas
- Dalam cairan
- Kesimpulan
Definisi
Arus listrik adalah gerakan terarah pembawa muatan - ini adalah formulasi standar dari buku teks fisika. Pada gilirannya, partikel tertentu dari suatu zat disebut pembawa muatan. Mereka bisa menjadi:
- Elektron adalah pembawa muatan negatif.
- Ion adalah pembawa muatan positif.
Tapi dari mana pembawa muatan berasal? Untuk menjawab pertanyaan ini, Anda perlu mengingat pengetahuan dasar tentang struktur materi. Segala sesuatu yang mengelilingi kita adalah materi, terdiri dari molekul, partikel terkecilnya. Molekul tersusun dari atom-atom. Sebuah atom terdiri dari inti di mana elektron bergerak dalam orbit tertentu. Molekul juga bergerak kacau. Pergerakan dan struktur masing-masing partikel ini bergantung pada zat itu sendiri dan pengaruh lingkungan terhadapnya, misalnya suhu, tegangan, dan sebagainya.
Ion disebut atom di mana rasio elektron dan proton telah berubah. Jika atom awalnya netral, maka ion, pada gilirannya, dibagi menjadi:
- Anion adalah ion positif dari suatu atom yang kehilangan elektron.
- Kation adalah atom dengan elektron "ekstra" yang melekat pada atom.
Satuan pengukuran arus adalah Ampere, menurut Hukum Ohm itu dihitung dengan rumus:
saya = U / R,
di mana U adalah tegangan, [V], dan R adalah resistansi, [Ohm].
Atau berbanding lurus dengan jumlah muatan yang ditransfer per satuan waktu:
saya = Q/t,
di mana Q - muatan, [Cl], t - waktu, [s].
Syarat adanya arus listrik
Kami menemukan apa itu arus listrik, sekarang mari kita bicara tentang bagaimana memastikan alirannya. Untuk aliran arus listrik, dua kondisi harus dipenuhi:
- Kehadiran operator muatan gratis.
- Medan listrik.
Kondisi pertama untuk keberadaan dan aliran listrik tergantung pada zat di mana arus mengalir (atau tidak mengalir), serta keadaannya. Kondisi kedua juga memungkinkan: untuk keberadaan medan listrik, keberadaan potensial yang berbeda diperlukan, di antaranya ada media di mana pembawa muatan akan mengalir.
Mari kita ingatkan: Tegangan, EMF adalah beda potensial. Maka dari itu untuk memenuhi syarat adanya arus – adanya medan listrik dan arus listrik diperlukan tegangan. Ini bisa berupa pelat kapasitor bermuatan, sel galvanik, EMF yang dihasilkan oleh medan magnet (generator).
Bagaimana itu muncul, kami menemukan jawabannya, mari kita bicara tentang ke mana arahnya. Arus, terutama dalam penggunaan kita yang biasa, bergerak di konduktor (kabel listrik di apartemen, bola lampu pijar) atau dalam semikonduktor (LED, prosesor ponsel cerdas Anda, dan elektronik lainnya), lebih jarang dalam gas (Lampu Pijar).
Jadi pembawa muatan utama dalam banyak kasus adalah elektron, mereka bergerak dari minus (titik dengan potensi negatif) hingga plus (titik dengan potensi positif, Anda akan mempelajari lebih lanjut tentang ini di bawah).
Tetapi fakta yang menarik adalah bahwa arah pergerakan arus diambil sebagai pergerakan muatan positif - dari plus ke minus. Meskipun, pada kenyataannya, semuanya terjadi sebaliknya. Faktanya adalah bahwa keputusan tentang arah arus dibuat sebelum mempelajari sifatnya, dan juga sebelum ditentukan karena apa arus itu mengalir dan ada.
Arus listrik di lingkungan yang berbeda
Kami telah menyebutkan bahwa di lingkungan yang berbeda, arus listrik dapat berbeda dalam jenis pembawa muatan. Media dapat dibagi menurut sifat konduktivitas (dalam penurunan konduktivitas):
- Konduktor (logam).
- Semikonduktor (silikon, germanium, galium arsenida, dll.).
- Dielektrik (vakum, udara, air suling).
Dalam logam
Dalam logam ada pembawa muatan gratis, mereka kadang-kadang disebut "gas listrik". Dari mana operator biaya gratis berasal? Faktanya adalah bahwa logam, seperti zat apa pun, terdiri dari atom. Atom bergerak atau berosilasi dalam satu atau lain cara. Semakin tinggi suhu logam, semakin kuat gerakan ini. Pada saat yang sama, atom-atom itu sendiri umumnya tetap di tempatnya, pada kenyataannya, membentuk struktur logam.
Dalam kulit elektron atom, biasanya ada beberapa elektron, yang memiliki ikatan yang agak lemah dengan nukleus. Di bawah pengaruh suhu, reaksi kimia dan interaksi pengotor, yang dalam hal apa pun dalam logam, elektron terlepas dari atomnya, ion bermuatan positif terbentuk. Elektron yang terlepas disebut bebas dan bergerak secara kacau.
Jika mereka dipengaruhi oleh medan listrik, misalnya, jika Anda menghubungkan baterai ke sepotong logam, pergerakan elektron yang kacau akan menjadi teratur. Elektron dari titik di mana potensial negatif terhubung (katoda sel galvanik, misalnya) akan mulai bergerak ke titik dengan potensial positif.
Dalam semikonduktor
Semikonduktor adalah bahan di mana tidak ada pembawa muatan gratis dalam keadaan normal. Mereka berada di zona terlarang. Tetapi jika Anda menerapkan gaya eksternal, seperti medan listrik, panas, berbagai radiasi (cahaya, radiasi, dll.), mereka mengatasi zona terlarang dan masuk ke zona bebas atau zona daya konduksi. Elektron terlepas dari atomnya dan menjadi bebas, membentuk ion - pembawa muatan positif.
Pembawa positif dalam semikonduktor disebut lubang.
Jika Anda hanya mentransfer energi ke semikonduktor, misalnya, memanaskannya, pergerakan pembawa muatan yang kacau akan dimulai. Tetapi jika kita berbicara tentang elemen semikonduktor, seperti dioda atau transistor, maka pada ujung kristal yang berlawanan (lapisan logam diterapkan pada mereka dan timah disolder) EMF akan terjadi, tetapi ini tidak berlaku untuk topik hari ini artikel.
Jika Anda menerapkan sumber EMF ke semikonduktor, maka pembawa muatan juga akan masuk ke pita konduksi, dan juga akan mulai gerakan arah mereka - lubang akan pergi ke sisi dengan potensi listrik yang lebih rendah, dan elektron - ke sisi dengan Bagus.
Dalam vakum dan gas
Vakum disebut media dengan tidak adanya gas yang lengkap (kasus ideal) atau jumlah yang diminimalkan (pada kenyataannya). Karena tidak ada zat dalam ruang hampa, tidak ada tempat untuk pembawa muatan berasal. Namun, aliran arus dalam ruang hampa menandai awal dari elektronik dan seluruh era elemen elektronik - tabung vakum. Mereka digunakan pada paruh pertama abad terakhir, dan pada 50-an mereka mulai secara bertahap memberi jalan kepada transistor (tergantung pada bidang elektronik tertentu).
Mari kita asumsikan bahwa kita memiliki bejana dari mana semua gas telah dipompa keluar, mis. ada vakum lengkap di dalamnya. Dua elektroda ditempatkan di dalam bejana, sebut saja anoda dan katoda. Jika kita menghubungkan potensial negatif dari sumber EMF ke katoda, dan positif ke anoda, tidak akan terjadi apa-apa dan arus tidak akan mengalir. Tetapi jika kita mulai memanaskan katoda, arus akan mulai mengalir. Proses ini disebut emisi termionik - emisi elektron dari permukaan elektron yang dipanaskan.
Gambar tersebut menunjukkan proses aliran arus dalam lampu vakum. Dalam tabung vakum, katoda dipanaskan oleh filamen terdekat pada gambar (H), seperti pada lampu penerangan.
Dalam hal ini, jika Anda mengubah polaritas catu daya - terapkan minus ke anoda, dan terapkan plus ke katoda - arus tidak akan mengalir. Hal ini akan membuktikan bahwa arus dalam vakum mengalir karena adanya pergerakan elektron dari KATODE ke ANODE.
Gas, seperti zat apa pun, terdiri dari molekul dan atom, yang berarti bahwa jika gas berada di bawah pengaruh medan listrik, maka pada Dengan kekuatan tertentu (tegangan ionisasi), elektron akan terlepas dari atom, maka kedua syarat untuk aliran arus listrik – medan dan media bebas.
Seperti yang telah disebutkan, proses ini disebut ionisasi. Itu dapat terjadi tidak hanya dari tegangan yang diberikan, tetapi juga ketika gas dipanaskan, sinar-X, di bawah pengaruh radiasi ultraviolet dan hal-hal lain.
Arus akan mengalir melalui udara bahkan jika pembakar dipasang di antara elektroda.
Aliran arus dalam gas inert disertai dengan pendaran gas, fenomena ini secara aktif digunakan dalam lampu neon. Aliran arus listrik dalam medium gas disebut pelepasan gas.
Dalam cairan
Katakanlah kita memiliki bejana dengan air di mana dua elektroda ditempatkan, yang terhubung dengan sumber listrik. Jika air disuling, yaitu murni dan tidak mengandung kotoran, maka itu adalah dielektrik. Tetapi jika kita menambahkan sedikit garam, asam sulfat, atau zat lain apa pun ke dalam air, elektrolit akan terbentuk dan arus mulai mengalir melaluinya.
Elektrolit adalah zat yang dapat menghantarkan arus listrik karena disosiasi menjadi ion-ion.
Jika Anda menambahkan tembaga sulfat ke dalam air, maka lapisan tembaga akan mengendap di salah satu elektroda (katoda) - ini disebut elektrolisis, yang membuktikan bahwa arus listrik dalam cairan dilakukan karena pergerakan ion - pembawa positif dan negatif mengenakan biaya.
Elektrolisis adalah proses fisikokimia, yang terdiri dari pelepasan komponen yang membentuk elektrolit pada elektroda.
Dengan demikian, pelapisan tembaga, penyepuhan dan pelapisan dengan logam lain terjadi.
Kesimpulan
Untuk meringkas, pembawa muatan gratis diperlukan untuk aliran arus listrik:
- elektron dalam konduktor (logam) dan vakum;
- elektron dan lubang di semikonduktor;
- ion (anion dan kation) dalam cairan dan gas.
Agar pergerakan pembawa-pembawa ini menjadi teratur, diperlukan medan listrik. Dengan kata sederhana, berikan tegangan di ujung tubuh atau pasang dua elektroda di lingkungan di mana arus listrik seharusnya mengalir.
Perlu juga dicatat bahwa arus mempengaruhi zat dengan cara tertentu, ada tiga jenis paparan:
- panas;
- bahan kimia;
- fisik.
Akhirnya, kami sarankan menonton video yang bermanfaat, yang membahas secara lebih rinci kondisi keberadaan dan aliran arus listrik:
Berguna pada topik:
- Ketergantungan resistansi konduktor pada suhu
- Hukum Joule-Lenz dengan kata-kata sederhana
- Arus listrik mana yang lebih berbahaya bagi seseorang: langsung atau bolak-balik
