Elektriskā strāva: kas tas ir un kā tas rodas

Mūsdienu cilvēka dzīvi bez elektrības nav iespējams iedomāties. Volti, ampēri, vati – šie vārdi izskan sarunā par ierīcēm, kas darbojas ar elektrību. Bet kas ir šī elektriskā strāva un kādi ir tās pastāvēšanas nosacījumi? Mēs par to runāsim tālāk, sniedzot īsu skaidrojumu iesācējiem elektriķiem.

Definīcija

Elektriskā strāva ir lādiņnesēju virziena kustība - tas ir standarta formulējums no fizikas mācību grāmatas. Savukārt atsevišķas vielas daļiņas sauc par lādiņnesējiem. Tie var būt:

• Elektroni ir negatīvu lādiņu nesēji.
• Joni ir pozitīvu lādiņu nesēji.

Bet no kurienes nāk lādiņu nesēji? Lai atbildētu uz šo jautājumu, ir jāatceras pamatzināšanas par matērijas uzbūvi. Viss, kas mūs ieskauj, ir matērija, tā sastāv no molekulām, tās mazākajām daļiņām. Molekulas sastāv no atomiem. Atoms sastāv no kodola, ap kuru noteiktās orbītās pārvietojas elektroni. Arī molekulas pārvietojas haotiski. Katras šīs daļiņas kustība un struktūra ir atkarīga no pašas vielas un vides ietekmes uz to, piemēram, temperatūras, sprieguma utt.

Jonu sauc par atomu, kurā ir mainījusies elektronu un protonu attiecība. Ja atoms sākotnēji ir neitrāls, tad jonus savukārt iedala:

• Anjoni ir pozitīvs atoma jons, kas zaudējis elektronus.
• Katjoni ir atoms ar "papildu" elektroniem, kas pievienoti atomam.

Strāvas mērvienība ir ampērs, saskaņā ar Oma likums to aprēķina pēc formulas:

I = U / R,

kur U ir spriegums [V] un R ir pretestība [Om].

Vai arī tas ir tieši proporcionāls pārskaitītās maksas summai laika vienībā:

I = Q/t,

kur Q - lādiņš, [Cl], t - laiks, [s].

Elektriskās strāvas pastāvēšanas nosacījumi

Mēs sapratām, kas ir elektriskā strāva, tagad parunāsim par to, kā nodrošināt tās plūsmu. Elektriskās strāvas plūsmai ir jāievēro divi nosacījumi:

1. Brīvo lādiņu nesēju klātbūtne.
2. Elektriskais lauks.

Pirmais elektroenerģijas pastāvēšanas un plūsmas nosacījums ir atkarīgs no vielas, kurā strāva plūst (vai neplūst), kā arī no tās stāvokļa. Ir iespējams arī otrs nosacījums: elektriskā lauka pastāvēšanai ir nepieciešama dažādu potenciālu klātbūtne, starp kuriem ir vide, kurā plūst lādiņnesēji.

Atgādināsim: Spriegums, EMF ir potenciāla atšķirība. No tā izriet, ka, lai izpildītu strāvas pastāvēšanas nosacījumus - elektriskā lauka un elektriskās strāvas klātbūtni, ir nepieciešams spriegums. Tās var būt uzlādēta kondensatora, galvaniskā elementa, magnētiskā lauka (ģeneratora) radītā EMF plāksnes.

Kā tas rodas, mēs to izdomājām, parunāsim par to, kur tas tiek virzīts. Strāva, galvenokārt mūsu ierastajā lietošanā, virzās vadītājos (elektrības vadi dzīvoklī, spuldzes kvēlspuldzēs) vai pusvadītājos (LED, viedtālruņa procesors un cita elektronika), retāk gāzēs (luminiscences spuldzes).

Tātad galvenie lādiņu nesēji vairumā gadījumu ir elektroni, tie pārvietojas no mīnusa (punktiem ar negatīvu potenciālu) uz plusu (punkts ar pozitīvu potenciālu, par to uzzināsiet tālāk).

Bet interesants fakts ir tas, ka strāvas kustības virziens tika pieņemts kā pozitīvo lādiņu kustība - no plusa uz mīnusu. Lai gan patiesībā viss notiek otrādi. Fakts ir tāds, ka lēmums par strāvas virzienu tika pieņemts, pirms tika pētīts tās raksturs, un arī pirms tas tika noteikts, pateicoties tam, kāda ir straumes plūsma un pastāvēšana.

Elektriskā strāva dažādās vidēs

Jau minējām, ka dažādās vidēs elektriskā strāva var atšķirties pēc lādiņnesēju veida. Medijus var iedalīt pēc vadītspējas rakstura (vadītspējas samazināšanās gadījumā):

1. Diriģents (metāli).
2. Pusvadītājs (silīcijs, germānija, gallija arsenīds utt.).
3. Dielektrisks (vakuums, gaiss, destilēts ūdens).

Metālos

Metālos ir brīvi lādiņnesēji, tos dažreiz sauc par "elektrisko gāzi". No kurienes nāk bezmaksas maksas nesēji? Fakts ir tāds, ka metāls, tāpat kā jebkura viela, sastāv no atomiem. Atomi tā vai citādi kustas vai svārstās. Jo augstāka ir metāla temperatūra, jo spēcīgāka ir šī kustība. Tajā pašā laikā paši atomi parasti paliek savās vietās, faktiski veidojot metāla struktūru.

Atoma elektronu apvalkos parasti ir vairāki elektroni, kuriem ir diezgan vāja saite ar kodolu. Temperatūras, ķīmisko reakciju un piemaisījumu mijiedarbības ietekmē, kas jebkurā gadījumā atrodas metālā, elektroni atdalās no atomiem, veidojas pozitīvi lādēti joni. Atdalītos elektronus sauc par brīviem un pārvietojas haotiski.

Ja tos ietekmēs elektriskais lauks, piemēram, pievienojot akumulatoru metāla gabalam, elektronu haotiskā kustība kļūs sakārtota. Elektroni no punkta, uz kuru ir savienots negatīvais potenciāls (piemēram, galvaniskās šūnas katods), sāks pārvietoties uz punktu ar pozitīvu potenciālu.

Pusvadītājos

Pusvadītāji ir materiāli, kuros normālā stāvoklī nav brīvu lādiņu nesēju. Tie atrodas tā sauktajā aizliegtajā zonā. Bet, ja jūs pieliekat ārējos spēkus, piemēram, elektrisko lauku, siltumu, dažādus starojumus (gaismu, starojums utt.), viņi pārvar aizliegto zonu un nonāk brīvajā zonā vai zonā vadītspēja. Elektroni atdalās no atomiem un kļūst brīvi, veidojot jonus – pozitīvus lādiņu nesējus.

Pozitīvos nesējus pusvadītājos sauc par caurumiem.

Ja jūs vienkārši nododat enerģiju pusvadītājam, piemēram, uzsildīsit, sāksies haotiska lādiņnesēju kustība. Bet, ja mēs runājam par pusvadītāju elementiem, piemēram, diode vai tranzistoru, tad kristāla pretējos galos (uz tiem tiek uzklāts metalizēts slānis un pielodēti vadi) EMF radīsies, bet tas neattiecas uz šodienas tēmu rakstus.

Ja pusvadītājam pievienosit EML avotu, lādiņa nesēji arī nonāks vadīšanas joslā un sāks darboties. to virziena kustība - caurumi ies uz sāniem ar zemāku elektrisko potenciālu, bet elektroni - uz pusi ar lieliski.

Vakuumā un gāzē

Vakuumu sauc par vidi ar pilnīgu (ideālā gadījumā) gāzu neesamību vai tā minimālu (reāli) daudzumu. Tā kā vakuumā nav vielas, lādiņa nesējiem nav no kurienes nākt. Taču strāvas plūsma vakuumā iezīmēja elektronikas sākumu un veselu elektronisko elementu – vakuumlampu ēru. Tos izmantoja pagājušā gadsimta pirmajā pusē, un 50. gados sāka pamazām piekāpties tranzistoriem (atkarībā no konkrētās elektronikas jomas).

Pieņemsim, ka mums ir trauks, no kura ir izsūknēta visa gāze, t.i. tajā ir pilnīgs vakuums. Tvertnē ir ievietoti divi elektrodi, sauksim tos par anodu un katodu. Ja EMF avota negatīvo potenciālu savienosim ar katodu, bet pozitīvo - ar anodu, nekas nenotiks un strāva neplūst. Bet, ja mēs sākam sildīt katodu, strāva sāks plūst. Šo procesu sauc par termisko emisiju – elektronu emisiju no elektrona apsildāmās virsmas.

Attēlā parādīts strāvas plūsmas process vakuuma lampā. Vakuuma lampās katodu silda blakus esošais kvēldiegs attēlā (H), piemēram, apgaismojuma lampā.

Šajā gadījumā, ja maināt barošanas avota polaritāti - pieliekat mīnusu anodam, bet plus pieliekat katodam - strāva neplūst. Tas pierādīs, ka strāva vakuumā plūst elektronu kustības dēļ no KATODA uz ANODU.

Gāze, tāpat kā jebkura viela, sastāv no molekulām un atomiem, kas nozīmē, ja gāze atrodas elektriskā lauka ietekmē, tad plkst. Ar noteiktu stiprumu (jonizācijas spriegumu) elektroni atdalīsies no atoma, tad abi elektriskās strāvas plūsmas nosacījumi - lauks un bezmaksas mediji.

Kā jau minēts, šo procesu sauc par jonizāciju. Tas var rasties ne tikai no pielietotā sprieguma, bet arī tad, kad gāze tiek uzkarsēta, rentgena stariem, ultravioletā starojuma ietekmē un citām lietām.

Strāva plūdīs pa gaisu pat tad, ja starp elektrodiem ir uzstādīts deglis.

Strāvas plūsmu inertās gāzēs pavada gāzes luminiscence, šī parādība tiek aktīvi izmantota dienasgaismas spuldzēs. Elektriskās strāvas plūsmu gāzes vidē sauc par gāzes izlādi.

Šķidrumā

Pieņemsim, ka mums ir trauks ar ūdeni, kurā ir ievietoti divi elektrodi, kuriem ir pievienots strāvas avots. Ja ūdens ir destilēts, tas ir, tīrs un nesatur piemaisījumus, tad tas ir dielektrisks. Bet, ja ūdenim pievienojam nedaudz sāls, sērskābi vai kādu citu vielu, veidojas elektrolīts un pa to sāk plūst strāva.

Elektrolīts ir viela, kas vada elektrisko strāvu disociācijas dēļ jonos.

Ja ūdenim pievienosiet vara sulfātu, tad uz viena no elektrodiem (katoda) nosēdīsies vara slānis - to sauc par elektrolīzi, kas pierāda, ka elektriskā strāva šķidrumā tiek veikta jonu - pozitīvo un negatīvo nesēju - kustības dēļ maksas.

Elektrolīze ir fizikāli ķīmisks process, kas sastāv no komponentu, kas veido elektrolītu, atbrīvošanās uz elektrodiem.

Tādējādi notiek vara apšuvums, zeltīšana un pārklāšana ar citiem metāliem.

Secinājums

Rezumējot, elektriskās strāvas plūsmai ir nepieciešami brīvi lādiņu nesēji:

• elektroni vadītājos (metālos) un vakuumā;
• elektroni un caurumi pusvadītājos;
• joni (anjoni un katjoni) šķidrumos un gāzēs.

Lai šo nesēju kustība kļūtu sakārtota, ir nepieciešams elektriskais lauks. Vienkāršiem vārdiem sakot, pielieciet spriegumu korpusa galos vai uzstādiet divus elektrodus vidē, kur paredzēts plūst elektriskajai strāvai.

Ir arī vērts atzīmēt, ka strāva noteiktā veidā ietekmē vielu, ir trīs iedarbības veidi:

• termiski;
• ķīmiskās vielas;
• fiziskais.

Visbeidzot, mēs iesakām noskatīties noderīgu video, kurā sīkāk aplūkoti elektriskās strāvas pastāvēšanas un plūsmas nosacījumi:

Noderīgs par tēmu:

• Vadītāja pretestības atkarība no temperatūras
• Džoula-Lenca likums vienkāršos vārdos
• Kura elektriskā strāva ir bīstamāka cilvēkam: tieša vai mainīga