Elektros srovė: kas tai yra ir kaip ji atsiranda

Neįmanoma įsivaizduoti šiuolaikinio žmogaus gyvenimo be elektros. Voltai, amperai, vatai – šie žodžiai skamba pokalbyje apie įrenginius, veikiančius elektra. Bet kas yra ši elektros srovė ir kokios jos egzistavimo sąlygos? Apie tai kalbėsime toliau, pateikdami trumpą paaiškinimą pradedantiesiems elektrikams.

Apibrėžimas

Elektros srovė yra kryptingas krūvininkų judėjimas – tai standartinė formuluotė iš fizikos vadovėlio. Savo ruožtu tam tikros medžiagos dalelės vadinamos krūvininkais. Jie gali būti:

• Elektronai yra neigiamo krūvio nešėjai.
• Jonai yra teigiamo krūvio nešėjai.

Bet iš kur atsiranda krūvininkai? Norėdami atsakyti į šį klausimą, turite prisiminti pagrindines žinias apie materijos struktūrą. Viskas, kas mus supa, yra materija, ji susideda iš molekulių, jos mažiausių dalelių. Molekulės sudarytos iš atomų. Atomas susideda iš branduolio, aplink kurį tam tikromis orbitomis juda elektronai. Molekulės taip pat juda chaotiškai. Kiekvienos iš šių dalelių judėjimas ir struktūra priklauso nuo pačios medžiagos ir aplinkos įtakos jai, pavyzdžiui, temperatūros, įtempių ir pan.

Jonu vadinamas atomas, kuriame pasikeitė elektronų ir protonų santykis. Jei atomas iš pradžių yra neutralus, jonai savo ruožtu skirstomi į:

• Anijonai yra teigiamas atomo jonas, praradęs elektronus.
• Katijonai yra atomas su „papildomais“ elektronais, prijungtais prie atomo.

Srovės matavimo vienetas yra amperas, pagal Omo dėsnis jis apskaičiuojamas pagal formulę:

I = U / R,

kur U yra įtampa, [V], o R yra varža, [omai].

Arba jis yra tiesiogiai proporcingas per laiko vienetą pervestam mokesčiui:

I = Q / t,

kur Q – krūvis, [Cl], t – laikas, [s].

Elektros srovės egzistavimo sąlygos

Mes išsiaiškinome, kas yra elektros srovė, dabar pakalbėkime apie tai, kaip užtikrinti jos srautą. Elektros srovės srautui turi būti įvykdytos dvi sąlygos:

1. Laisvųjų krūvininkų buvimas.
2. Elektrinis laukas.

Pirmoji elektros egzistavimo ir tekėjimo sąlyga priklauso nuo medžiagos, kurioje teka (arba neteka) srovė, taip pat nuo jos būsenos. Galima ir antroji sąlyga: elektriniam laukui egzistuoti būtinas skirtingų potencialų buvimas, tarp kurių yra terpė, kurioje tekės krūvininkai.

Priminsime: Įtampa, EMF yra potencialų skirtumas. Iš to išplaukia, kad norint įvykdyti srovės egzistavimo sąlygas - elektrinio lauko ir elektros srovės buvimą, reikalinga įtampa. Tai gali būti įkrauto kondensatoriaus plokštės, galvaninis elementas, magnetinio lauko generuojamas EMF (generatorius).

Kaip tai atsiranda, mes tai išsiaiškinome, pakalbėkime apie tai, kur tai nukreipta. Srovė, daugiausia mums įprastai naudojama, juda laiduose (elektros instaliacija bute, lemputės kaitinamuose) arba puslaidininkiuose (LED, išmaniojo telefono procesorius ir kita elektronika), rečiau dujose (fluorescencinės lempos).

Taigi pagrindiniai krūvininkai daugeliu atvejų yra elektronai, jie juda iš minuso (taškai su neigiamu potencialu) iki pliuso (taškas su teigiamu potencialu, daugiau apie tai sužinosite toliau).

Tačiau įdomus faktas yra tai, kad srovės judėjimo kryptis buvo laikoma teigiamų krūvių judėjimu - nuo pliuso iki minuso. Nors iš tikrųjų viskas vyksta atvirkščiai. Faktas yra tas, kad sprendimas dėl srovės krypties buvo priimtas prieš tiriant jos pobūdį, taip pat prieš jį nustatant dėl ​​to, kokia srovė teka ir egzistuoja.

Elektros srovė įvairiose aplinkose

Jau minėjome, kad skirtingose ​​aplinkose elektros srovė gali skirtis pagal krūvininkų tipą. Terpės gali būti skirstomos pagal laidumo pobūdį (mažinant laidumą):

1. Laidininkas (metalai).
2. Puslaidininkis (silicis, germanis, galio arsenidas ir kt.).
3. Dielektrinis (vakuuminis, oras, distiliuotas vanduo).

Metaluose

Metaluose yra laisvųjų krūvininkų, jie kartais vadinami „elektrinėmis dujomis“. Iš kur atsiranda nemokami mokesčių nešėjai? Faktas yra tas, kad metalas, kaip ir bet kuri medžiaga, susideda iš atomų. Atomai vienaip ar kitaip juda arba svyruoja. Kuo aukštesnė metalo temperatūra, tuo stipresnis šis judėjimas. Tuo pačiu metu patys atomai paprastai lieka savo vietose, iš tikrųjų formuodami metalo struktūrą.

Atomo elektronų apvalkaluose dažniausiai yra keli elektronai, kurie turi gana silpną ryšį su branduoliu. Veikiant temperatūroms, vykstant cheminėms reakcijoms ir sąveikaujant priemaišoms, kurių bet kuriuo atveju yra metale, nuo atomų atsiskiria elektronai, susidaro teigiamai įkrauti jonai. Atsiskyrę elektronai vadinami laisvaisiais ir juda chaotiškai.

Jei juos veikia elektrinis laukas, pavyzdžiui, prijungus bateriją prie metalo gabalo, chaotiškas elektronų judėjimas taps tvarkingas. Elektronai iš taško, prie kurio prijungtas neigiamas potencialas (pavyzdžiui, galvaninio elemento katodas), pradės judėti į teigiamo potencialo tašką.

Puslaidininkiuose

Puslaidininkiai yra medžiagos, kuriose normalioje būsenoje nėra laisvųjų krūvininkų. Jie yra vadinamojoje draudžiamoje zonoje. Bet jei naudojate išorines jėgas, tokias kaip elektrinis laukas, šiluma, įvairi spinduliuotė (šviesa, radiacija ir pan.), jie įveikia draudžiamąją zoną ir patenka į laisvąją zoną arba zoną laidumas. Elektronai atsiskiria nuo atomų ir tampa laisvi, sudarydami jonus – teigiamus krūvininkus.

Teigiami nešikliai puslaidininkiuose vadinami skylėmis.

Jei tiesiog perduosite energiją į puslaidininkį, pavyzdžiui, pašildysite, prasidės chaotiškas krūvininkų judėjimas. Bet jei mes kalbame apie puslaidininkinius elementus, tokius kaip diodas ar tranzistorius, tada priešinguose kristalo galuose (ant jų užtepamas metalizuotas sluoksnis ir sulituojami laidai) atsiras EMF, bet tai netinka šiandienos temai straipsnius.

Jei naudosite EML šaltinį puslaidininkiui, tada krūvininkai taip pat pateks į laidumo juostą ir taip pat prasidės jų kryptingas judėjimas - skylės eis į tą pusę su mažesniu elektriniu potencialu, o elektronai - į šoną su puiku.

Vakuume ir dujomis

Vakuumu vadinama terpė, kurioje visiškai (idealiu atveju) nėra dujų arba jos minimalus (realiai) kiekis. Kadangi vakuume nėra medžiagos, nėra iš kur atsirasti krūvininkų. Tačiau srovės tekėjimas vakuume pažymėjo elektronikos ir visos elektroninių elementų – vakuuminių vamzdžių – eros pradžią. Jie buvo naudojami praėjusio amžiaus pirmoje pusėje, o šeštajame dešimtmetyje pradėjo palaipsniui užleisti vietą tranzistoriams (priklausomai nuo konkrečios elektronikos srities).

Tarkime, kad turime indą, iš kurio išsiurbtos visos dujos, t.y. jame yra visiškas vakuumas. Į indą įdedami du elektrodai, pavadinkime juos anodu ir katodu. Jei neigiamą EMF šaltinio potencialą prijungsime prie katodo, o teigiamą - prie anodo, nieko neatsitiks ir srovė netekės. Bet jei pradėsime šildyti katodą, srovė pradės tekėti. Šis procesas vadinamas termone emisija – elektronų emisija nuo įkaitinto elektrono paviršiaus.

Paveikslėlyje parodytas srovės tekėjimo vakuuminėje lempoje procesas. Vakuuminiuose vamzdeliuose katodas šildomas šalia esančio kaitinimo siūlu (H pav.), pavyzdžiui, apšvietimo lempoje.

Tokiu atveju, jei pakeisite maitinimo šaltinio poliškumą – anodui uždėkite minusą, o katodui – pliusą – srovė netekės. Tai įrodys, kad srovė vakuume teka dėl elektronų judėjimo iš KATODO į ANODĄ.

Dujos, kaip ir bet kuri medžiaga, susideda iš molekulių ir atomų, o tai reiškia, kad jei dujos yra veikiamos elektrinio lauko, tada Esant tam tikram stiprumui (jonizacijos įtampai) elektronai atsiskirs nuo atomo, tada susiklostys abi elektros srovės tekėjimo sąlygos – laukas ir nemokama žiniasklaida.

Kaip jau minėta, šis procesas vadinamas jonizacija. Tai gali atsirasti ne tik nuo įjungtos įtampos, bet ir kaitinant dujas, rentgeno spindulius, veikiant ultravioletinei spinduliuotei ir kt.

Srovė tekės oru, net jei tarp elektrodų sumontuotas degiklis.

Srovės srautą inertinėse dujose lydi dujų liuminescencija, šis reiškinys aktyviai naudojamas fluorescencinėse lempose. Elektros srovės tekėjimas dujų terpėje vadinamas dujų išlydžiu.

Skystyje

Tarkime, kad turime indą su vandeniu, kuriame įdedami du elektrodai, prie kurių prijungtas maitinimo šaltinis. Jei vanduo yra distiliuotas, tai yra grynas ir jame nėra priemaišų, tai yra dielektrikas. Bet jei į vandenį įberiame šiek tiek druskos, sieros rūgšties ar kokios kitos medžiagos, susidaro elektrolitas ir juo pradeda tekėti srovė.

Elektrolitas yra medžiaga, kuri praleidžia elektros srovę dėl disociacijos į jonus.

Jei į vandenį pridedama vario sulfato, ant vieno iš elektrodų (katodo) nusės vario sluoksnis – tai vadinama elektrolize, kuri įrodo, kad elektros srovė skystyje vyksta dėl jonų – teigiamų ir neigiamų nešėjų – judėjimo mokestis.

Elektrolizė yra fizikinis ir cheminis procesas, kurio metu išsiskiria komponentai, sudarantys elektrolitą ant elektrodų.

Taigi atsiranda vario dengimas, auksavimas ir dengimas kitais metalais.

Išvada

Apibendrinant galima pasakyti, kad elektros srovei tekėti reikalingi laisvieji krūvininkai:

• elektronai laidininkuose (metaluose) ir vakuume;
• elektronai ir skylės puslaidininkiuose;
• jonai (anijonai ir katijonai) skysčiuose ir dujose.

Kad šių nešiklių judėjimas taptų tvarkingas, reikalingas elektrinis laukas. Paprastais žodžiais tariant, įjunkite įtampą korpuso galuose arba įdiekite du elektrodus aplinkoje, kurioje turėtų tekėti elektros srovė.

Taip pat verta paminėti, kad srovė tam tikru būdu veikia medžiagą, yra trys poveikio tipai:

• terminis;
• cheminė medžiaga;
• fizinis.

Galiausiai rekomenduojame pažiūrėti naudingą vaizdo įrašą, kuriame išsamiau aptariamos elektros srovės egzistavimo ir tekėjimo sąlygos:

Naudinga tema:

• Laidininko varžos priklausomybė nuo temperatūros
• Džaulio-Lenco dėsnis paprastais žodžiais
• Kuri elektros srovė žmogui pavojingesnė: tiesioginė ar kintamoji