È impossibile immaginare la vita di una persona moderna senza elettricità. Volt, Ampere, Watt: queste parole suonano in una conversazione sui dispositivi che funzionano con l'elettricità. Ma cos'è questa corrente elettrica e quali sono le condizioni per la sua esistenza? Ne parleremo ulteriormente, fornendo una breve spiegazione per gli elettricisti principianti.
Contenuto:
- Definizione
- Condizioni per l'esistenza di corrente elettrica
- Corrente elettrica in diversi ambienti
- Nei metalli
- Nei semiconduttori
- Nel vuoto e nel gas
- In liquido
- Conclusione
Definizione
La corrente elettrica è il movimento direzionale dei portatori di carica - questa è una formulazione standard da un libro di testo di fisica. A loro volta, alcune particelle di una sostanza sono chiamate portatori di carica. Possono essere:
- Gli elettroni sono portatori di carica negativa.
- Gli ioni sono portatori di carica positiva.
Ma da dove vengono i portatori di carica? Per rispondere a questa domanda, è necessario ricordare le conoscenze di base sulla struttura della materia. Tutto ciò che ci circonda è materia, è costituito da molecole, dalle sue particelle più piccole. Le molecole sono costituite da atomi. Un atomo è costituito da un nucleo attorno al quale gli elettroni si muovono in orbite date. Anche le molecole si muovono caoticamente. Il movimento e la struttura di ciascuna di queste particelle dipendono dalla sostanza stessa e dall'influenza dell'ambiente su di essa, ad esempio temperatura, stress e così via.
Uno ione è chiamato atomo in cui il rapporto tra elettroni e protoni è cambiato. Se l'atomo è inizialmente neutro, gli ioni, a loro volta, sono divisi in:
- Gli anioni sono uno ione positivo di un atomo che ha perso elettroni.
- I cationi sono un atomo con elettroni "extra" attaccati all'atomo.
L'unità di misura della corrente è Ampere, secondo Legge di Ohm si calcola con la formula:
io = U / R,
dove U è la tensione, [V], e R è la resistenza, [Ohm].
Oppure è direttamente proporzionale alla quantità di carica trasferita per unità di tempo:
io = Q / t,
dove Q - carica, [Cl], t - tempo, [s].
Condizioni per l'esistenza di corrente elettrica
Abbiamo capito cos'è la corrente elettrica, ora parliamo di come assicurarne il flusso. Per il flusso di corrente elettrica devono essere soddisfatte due condizioni:
- La presenza di vettori gratuiti.
- Campo elettrico.
La prima condizione per l'esistenza e il flusso dell'elettricità dipende dalla sostanza in cui scorre (o non scorre) la corrente, nonché dal suo stato. Anche la seconda condizione è fattibile: per l'esistenza di un campo elettrico è necessaria la presenza di potenziali diversi, tra i quali vi è un mezzo in cui scorreranno i portatori di carica.
Ricordiamo: Tensione, EMF è la differenza di potenziale. Ne consegue che per soddisfare le condizioni per l'esistenza di una corrente - la presenza di un campo elettrico e una corrente elettrica, è necessaria la tensione. Queste possono essere piastre di un condensatore carico, una cella galvanica, un EMF generato da un campo magnetico (generatore).
Come nasce, l'abbiamo capito, parliamo di dove è diretto. La corrente, principalmente nel nostro uso abituale, si muove nei conduttori (cablaggio elettrico in appartamento, lampadine a incandescenza) o nei semiconduttori (LED, processore del tuo smartphone e altri dispositivi elettronici), meno spesso nei gas (lampade fluorescenti).
Quindi i principali portatori di carica nella maggior parte dei casi sono gli elettroni, si muovono dal meno (punti con un potenziale negativo) a più (un punto con un potenziale positivo, imparerai di più su questo di seguito).
Ma un fatto interessante è che la direzione del movimento attuale è stata presa come il movimento di cariche positive - da più a meno. Anche se, in realtà, tutto accade al contrario. Il fatto è che la decisione sulla direzione della corrente è stata presa prima di studiarne la natura, e anche prima che fosse determinata a causa di ciò che la corrente scorre ed esiste.
Corrente elettrica in diversi ambienti
Abbiamo già detto che in ambienti diversi la corrente elettrica può differire nel tipo di portatori di carica. I mezzi possono essere suddivisi in base alla natura della conduttività (in conducibilità decrescente):
- Conduttore (metalli).
- Semiconduttore (silicio, germanio, arseniuro di gallio, ecc.).
- Dielettrico (vuoto, aria, acqua distillata).
Nei metalli
Nei metalli ci sono vettori gratuiti, a volte chiamati "gas elettrico". Da dove provengono i vettori gratuiti? Il fatto è che un metallo, come qualsiasi sostanza, è costituito da atomi. Gli atomi si muovono o oscillano in un modo o nell'altro. Maggiore è la temperatura del metallo, più forte è questo movimento. Allo stesso tempo, gli atomi stessi generalmente rimangono al loro posto, di fatto, formando la struttura del metallo.
Nei gusci elettronici di un atomo, di solito ci sono diversi elettroni, che hanno un legame piuttosto debole con il nucleo. Sotto l'influenza delle temperature, delle reazioni chimiche e dell'interazione delle impurità, che sono comunque nel metallo, gli elettroni si staccano dai loro atomi, si formano ioni caricati positivamente. Gli elettroni distaccati sono chiamati liberi e si muovono caoticamente.
Se sono interessati da un campo elettrico, ad esempio, se colleghi una batteria a un pezzo di metallo, il movimento caotico degli elettroni diventerà ordinato. Gli elettroni dal punto a cui è collegato il potenziale negativo (il catodo di una cella galvanica, per esempio) inizieranno a spostarsi verso il punto con un potenziale positivo.
Nei semiconduttori
I semiconduttori sono materiali in cui non ci sono vettori gratuiti nello stato normale. Sono nella cosiddetta zona proibita. Ma se si applicano forze esterne, come un campo elettrico, calore, radiazioni varie (luce, radiazioni, ecc.), superano la zona vietata ed entrano in una zona franca o in una zona conducibilità. Gli elettroni si staccano dai loro atomi e si liberano, formando ioni - portatori di carica positiva.
I portatori positivi nei semiconduttori sono chiamati buchi.
Se trasferisci semplicemente energia a un semiconduttore, ad esempio lo riscaldi, inizierà il movimento caotico dei portatori di carica. Ma se stiamo parlando di elementi semiconduttori, come un diodo o un transistor, allora alle estremità opposte del cristallo (viene applicato uno strato metallizzato e i cavi sono saldati) Si verificherà EMF, ma questo non si applica all'argomento di oggi articoli.
Se applichi una sorgente EMF a un semiconduttore, anche i portatori di carica entreranno nella banda di conduzione e inizieranno anche il loro movimento direzionale - i fori andranno dalla parte con un potenziale elettrico inferiore e gli elettroni - dalla parte con Grande.
Nel vuoto e nel gas
Un vuoto è chiamato un mezzo con una completa (caso ideale) assenza di gas o la sua quantità ridotta (in realtà). Dal momento che non c'è sostanza nel vuoto, non c'è da nessuna parte da dove provengano i portatori di carica. Tuttavia, il flusso di corrente nel vuoto ha segnato l'inizio dell'elettronica e un'intera era di elementi elettronici: i tubi a vuoto. Sono stati utilizzati nella prima metà del secolo scorso e negli anni '50 hanno iniziato a lasciare gradualmente il posto ai transistor (a seconda del campo specifico dell'elettronica).
Supponiamo di avere un recipiente da cui è stato pompato tutto il gas, ad es. c'è un vuoto completo in esso. Nel recipiente vengono posti due elettrodi, chiamiamoli anodo e catodo. Se colleghiamo il potenziale negativo della sorgente EMF al catodo e positivo all'anodo, non accadrà nulla e la corrente non scorrerà. Ma se iniziamo a riscaldare il catodo, la corrente inizierà a fluire. Questo processo è chiamato emissione termoionica - l'emissione di elettroni dalla superficie riscaldata di un elettrone.
La figura mostra il processo del flusso di corrente in una lampada a vuoto. Nei tubi a vuoto, il catodo viene riscaldato da un filamento vicino in fig (H), come in una lampada di illuminazione.
In questo caso, se si cambia la polarità dell'alimentatore - si applica un segno negativo all'anodo e si applica un segno positivo al catodo - la corrente non scorrerà. Ciò dimostrerà che la corrente nel vuoto scorre a causa del movimento degli elettroni dal CATODO all'ANODO.
Il gas, come ogni sostanza, è costituito da molecole e atomi, il che significa che se il gas è sotto l'influenza di un campo elettrico, allora a Con una certa forza (tensione di ionizzazione), gli elettroni si staccheranno dall'atomo, quindi entrambe le condizioni per il flusso di corrente elettrica: il campo e mezzi di comunicazione gratuiti.
Come già accennato, questo processo è chiamato ionizzazione. Può verificarsi non solo dalla tensione applicata, ma anche quando il gas viene riscaldato, raggi X, sotto l'influenza di radiazioni ultraviolette e altre cose.
La corrente fluirà attraverso l'aria anche se è installato un bruciatore tra gli elettrodi.
Il flusso di corrente nei gas inerti è accompagnato dalla luminescenza del gas; questo fenomeno è attivamente utilizzato nelle lampade fluorescenti. Il flusso di una corrente elettrica in un mezzo gassoso è chiamato scarica di gas.
In liquido
Diciamo che abbiamo un recipiente con acqua in cui sono posti due elettrodi, a cui è collegata una fonte di alimentazione. Se l'acqua è distillata, cioè pura e non contiene impurità, allora è un dielettrico. Ma se aggiungiamo un po' di sale, acido solforico o qualsiasi altra sostanza all'acqua, si forma un elettrolita e una corrente inizia a fluire attraverso di essa.
Un elettrolita è una sostanza che conduce una corrente elettrica a causa della dissociazione in ioni.
Se aggiungi solfato di rame all'acqua, uno strato di rame si depositerà su uno degli elettrodi (catodo) - questo si chiama elettrolisi, che dimostra che la corrente elettrica in un liquido viene eseguita a causa del movimento di ioni - portatori positivi e negativi carica.
L'elettrolisi è un processo fisico-chimico, che consiste nel rilascio dei componenti che compongono l'elettrolita sugli elettrodi.
Pertanto, si verifica la placcatura in rame, la doratura e il rivestimento con altri metalli.
Conclusione
Per riassumere, sono necessari vettori di carica gratuita per il flusso di corrente elettrica:
- elettroni nei conduttori (metalli) e nel vuoto;
- elettroni e lacune nei semiconduttori;
- ioni (anioni e cationi) in liquidi e gas.
Affinché il movimento di questi vettori sia ordinato, è necessario un campo elettrico. In parole semplici, applicare una tensione alle estremità del corpo o installare due elettrodi in un ambiente in cui dovrebbe fluire una corrente elettrica.
Vale anche la pena notare che la corrente colpisce la sostanza in un certo modo, ci sono tre tipi di esposizione:
- termico;
- chimico;
- fisico.
Infine, ti consigliamo di guardare un video utile, che discute più in dettaglio le condizioni per l'esistenza e il flusso di corrente elettrica:
Utile sull'argomento:
- La dipendenza della resistenza del conduttore dalla temperatura
- Legge di Joule-Lenz in parole semplici
- Quale corrente elettrica è più pericolosa per una persona: continua o alternata
