זרם חשמלי: מה זה ואיך הוא נוצר

אי אפשר לדמיין את חייו של אדם מודרני ללא חשמל. וולט, אמפר, וואט - מילים אלו נשמעות בשיחה על מכשירים הפועלים על חשמל. אבל מהו הזרם החשמלי הזה ומהם התנאים לקיומו? נדבר על כך בהמשך, ונספק הסבר קצר לחשמלאים מתחילים.

הַגדָרָה

זרם חשמלי הוא תנועה כיוונית של נושאי מטען - זהו ניסוח סטנדרטי מספר לימוד בפיזיקה. בתורו, חלקיקים מסוימים של חומר נקראים נושאי מטען. הם יכולים להיות:

• אלקטרונים הם נושאי מטען שלילי.
• יונים הם נושאי מטען חיובי.

אבל מאיפה מגיעים נושאי תשלום? כדי לענות על שאלה זו, עליך לזכור את הידע הבסיסי על מבנה החומר. כל מה שמקיף אותנו הוא חומר, הוא מורכב ממולקולות, החלקיקים הקטנים ביותר שלו. מולקולות מורכבות מאטומים. אטום מורכב מגרעין שסביבו נעים אלקטרונים במסלולים נתונים. גם מולקולות נעות בצורה כאוטי. התנועה והמבנה של כל אחד מהחלקיקים הללו תלויים בחומר עצמו ובהשפעת הסביבה עליו, למשל, טמפרטורה, מתח וכדומה.

יון נקרא אטום שבו השתנה היחס בין האלקטרונים והפרוטונים. אם האטום הוא נייטרלי בתחילה, אז היונים, בתורם, מחולקים ל:

• אניונים הם יון חיובי של אטום שאיבד אלקטרונים.
• קטיונים הם אטום עם אלקטרונים "מיותרים" מחוברים לאטום.

יחידת המדידה הנוכחית היא אמפר, לפי חוק אוהם זה מחושב לפי הנוסחה:

I = U / R,

כאשר U הוא מתח, [V], ו-R הוא התנגדות, [אוהם].

או שהוא עומד ביחס ישר לכמות החיוב המועבר ליחידת זמן:

I = Q/t,

כאשר Q - מטען, [Cl], t - זמן, [s].

תנאים לקיומו של זרם חשמלי

הבנו מהו זרם חשמלי, עכשיו בואו נדבר על איך להבטיח את הזרימה שלו. לזרימת זרם חשמלי יש לעמוד בשני תנאים:

1. נוכחותם של נושאי תשלום בחינם.
2. שדה חשמלי.

התנאי הראשון לקיומו ולזרימתו של חשמל תלוי בחומר שבו זורם הזרם (או לא זורם), וכן במצבו. גם התנאי השני אפשרי: לקיומו של שדה חשמלי יש צורך בנוכחות של פוטנציאלים שונים, שביניהם ישנו מדיום בו יזרמו נושאי מטען.

בואו נזכיר: מתח, EMF הוא ההבדל הפוטנציאלי. מכאן נובע שכדי למלא את התנאים לקיומו של זרם - נוכחות של שדה חשמלי וזרם חשמלי, יש צורך במתח. אלה יכולים להיות לוחות של קבל טעון, תא גלווני, EMF שנוצר על ידי שדה מגנטי (גנרטור).

איך זה נוצר, הבנו את זה, בואו נדבר לאן זה מכוון. הזרם, בעיקר בשימוש הרגיל שלנו, נע במוליכים (חיווט חשמלי בדירה, נורות ליבון) או במוליכים למחצה (LED, המעבד של הטלפון החכם שלך ואלקטרוניקה אחרת), לעתים רחוקות יותר בגזים (מנורות פלורסנט).

אז נושאי המטען העיקריים ברוב המקרים הם אלקטרונים, הם נעים מהמינוס (נקודות עם פוטנציאל שלילי) עד פלוס (נקודה עם פוטנציאל חיובי, על כך תלמדו בהמשך).

אבל עובדה מעניינת היא שכיוון התנועה הנוכחי נלקח כתנועה של מטענים חיוביים - מפלוס למינוס. למרות שלמעשה הכל קורה הפוך. העובדה היא שההחלטה על כיוון הזרם התקבלה לפני לימוד טיבו, וגם לפני שנקבע בשל מה שהזרם זורם וקיים.

זרם חשמלי בסביבות שונות

כבר הזכרנו שבסביבות שונות הזרם החשמלי יכול להיות שונה בסוג נושאי המטען. ניתן לחלק את המדיה לפי אופי המוליכות (במוליכות יורדת):

1. מוליך (מתכות).
2. מוליך למחצה (סיליקון, גרמניום, גליום ארסניד וכו').
3. דיאלקטרי (וואקום, אוויר, מים מזוקקים).

במתכות

במתכות ישנם נושאי מטען חופשיים, הם נקראים לפעמים "גז חשמלי". מאיפה מגיעים המובילים בתשלום בחינם? העובדה היא שמתכת, כמו כל חומר, מורכבת מאטומים. אטומים נעים או מתנודדים בצורה כזו או אחרת. ככל שהטמפרטורה של המתכת גבוהה יותר, כך תנועה זו חזקה יותר. יחד עם זאת, האטומים עצמם בדרך כלל נשארים במקומם, למעשה, יוצרים את מבנה המתכת.

בקליפות האלקטרונים של אטום, יש בדרך כלל כמה אלקטרונים, שיש להם קשר חלש למדי עם הגרעין. בהשפעת טמפרטורות, תגובות כימיות ואינטראקציה של זיהומים, שנמצאים בכל מקרה במתכת, אלקטרונים מנותקים מהאטומים שלהם, נוצרים יונים טעונים חיובית. אלקטרונים מנותקים נקראים חופשיים ונעים בצורה כאוטית.

אם הם מושפעים משדה חשמלי, למשל, אם מחברים סוללה לפיסת מתכת, התנועה הכאוטית של אלקטרונים תהפוך להיות מסודרת. אלקטרונים מהנקודה שאליה מחובר הפוטנציאל השלילי (הקתודה של תא גלווני, למשל) יתחילו לנוע לנקודה בעלת פוטנציאל חיובי.

במוליכים למחצה

מוליכים למחצה הם חומרים שאין בהם נושאי מטען חינם במצב רגיל. הם נמצאים באזור האסור כביכול. אבל אם אתה מפעיל כוחות חיצוניים, כגון שדה חשמלי, חום, קרינה שונות (אור, קרינה וכו'), הם מתגברים על האזור האסור ונכנסים לאזור חופשי או לאזור מוֹלִיכוּת. אלקטרונים מתנתקים מהאטומים שלהם והופכים חופשיים ויוצרים יונים - נושאי מטען חיובי.

נשאים חיוביים במוליכים למחצה נקראים חורים.

אם פשוט מעבירים אנרגיה למוליך למחצה, למשל, מחממים אותה, תתחיל התנועה הכאוטית של נושאי מטען. אבל אם אנחנו מדברים על אלמנטים מוליכים למחצה, כמו דיודה או טרנזיסטור, אז בקצוות מנוגדים של הגביש (שכבה מתכתית מונחת עליהם והלידים מולחמים) יתרחש EMF, אבל זה לא חל על הנושא של היום מאמרים.

אם תחיל מקור EMF על מוליך למחצה, גם נושאי המטען ייכנסו לרצועת ההולכה, ויתחילו גם הם. התנועה הכיוונית שלהם - החורים ילכו לצד עם פוטנציאל חשמלי נמוך יותר, והאלקטרונים - לצד עם גדול.

בוואקום ובגז

ואקום נקרא מדיום עם היעדר מוחלט (מקרה אידיאלי) של גזים או כמות מזערית שלו (במציאות). מכיוון שאין חומר בוואקום, אין שום מקום לנשאי מטען. עם זאת, זרימת הזרם בוואקום סימנה את תחילתה של האלקטרוניקה ועידן שלם של אלמנטים אלקטרוניים - צינורות ואקום. הם שימשו במחצית הראשונה של המאה הקודמת, ובשנות ה-50 הם החלו להתפנות בהדרגה לטרנזיסטורים (בהתאם לתחום הספציפי של האלקטרוניקה).

נניח שיש לנו כלי שממנו נשאב כל הגז, כלומר. יש בו ואקום מוחלט. בכלי מניחים שתי אלקטרודות, נקרא להן אנודה וקתודה. אם נחבר את הפוטנציאל השלילי של מקור EMF לקתודה, וחיובי לאנודה, לא יקרה כלום והזרם לא יזרום. אבל אם נתחיל לחמם את הקתודה, הזרם יתחיל לזרום. תהליך זה נקרא פליטה תרמיונית - פליטת אלקטרונים מהמשטח המחומם של אלקטרון.

האיור מציג את תהליך זרימת הזרם במנורת ואקום. בצינורות ואקום, הקתודה מחוממת על ידי נימה סמוכה בתאנה (H), כמו במנורת תאורה.

במקרה זה, אם תשנה את הקוטביות של ספק הכוח - תחיל מינוס על האנודה, ותחיל פלוס על הקתודה - הזרם לא יזרום. זה יוכיח שהזרם בוואקום זורם עקב תנועת האלקטרונים מה-CATHODE לאנודה.

גז, כמו כל חומר, מורכב ממולקולות ואטומים, מה שאומר שאם הגז נמצא תחת השפעת שדה חשמלי, אז בשעה עם חוזק מסוים (מתח יינון), האלקטרונים יתנתקו מהאטום, ואז שני התנאים לזרימת זרם חשמלי - השדה והן מדיה חופשית.

כפי שכבר הוזכר, תהליך זה נקרא יינון. זה יכול להתרחש לא רק מהמתח המופעל, אלא גם כאשר הגז מחומם, קרני רנטגן, תחת השפעת קרינה אולטרה סגולה ודברים אחרים.

הזרם יזרום באוויר גם אם מותקן מבער בין האלקטרודות.

זרימת הזרם בגזים אינרטיים מלווה בהארת גז; תופעה זו משמשת באופן פעיל במנורות פלורסנט. זרימת זרם חשמלי בתווך גז נקרא פריקת גז.

בנוזל

נניח שיש לנו כלי עם מים שבתוכו מניחים שתי אלקטרודות, שאליו מחובר מקור כוח. אם המים מזוקקים, כלומר טהורים ואינם מכילים זיהומים, אז זה דיאלקטרי. אבל אם נוסיף למים מעט מלח, חומצה גופרתית או כל חומר אחר, נוצר אלקטרוליט ומתחיל לזרום בו זרם.

אלקטרוליט הוא חומר המוליך זרם חשמלי עקב פירוק ליונים.

אם מוסיפים למים נחושת גופרתית, אז שכבת נחושת תתמקם על אחת האלקטרודות (קתודה) - זה נקרא אלקטרוליזה, אשר מוכיח כי הזרם החשמלי בנוזל מתבצע עקב תנועת יונים - נשאים חיוביים ושליליים לחייב.

אלקטרוליזה היא תהליך פיזיקוכימי, המורכב משחרור הרכיבים המרכיבים את האלקטרוליט על האלקטרודות.

כך מתרחשים ציפוי נחושת, הזהבה וציפוי במתכות אחרות.

סיכום

לסיכום, דרושים נושאי מטען חינם לזרימת זרם חשמלי:

• אלקטרונים במוליכים (מתכות) ובוואקום;
• אלקטרונים וחורים במוליכים למחצה;
• יונים (אניונים וקטיונים) בנוזלים ובגזים.

על מנת שהתנועה של מנשאים אלו תהיה מסודרת, יש צורך בשדה חשמלי. במילים פשוטות, הפעילו מתח בקצוות הגוף או התקינו שתי אלקטרודות בסביבה שבה אמור לזרום זרם חשמלי.

כמו כן, ראוי לציין כי הזרם משפיע על החומר בצורה מסוימת, ישנם שלושה סוגי חשיפה:

• תֶרמִי;
• כִּימִי;
• גוּפָנִי.

לבסוף, אנו ממליצים לצפות בסרטון שימושי, הדן ביתר פירוט בתנאים לקיומו וזרימתו של זרם חשמלי:

שימושי בנושא:

• התלות של ההתנגדות של המוליך בטמפרטורה
• חוק ג'ול-לנץ במילים פשוטות
• איזה זרם חשמלי מסוכן יותר לאדם: ישיר או לסירוגין