Het is onmogelijk om het leven van een moderne persoon zonder elektriciteit voor te stellen. Volt, Ampère, Watt - deze woorden klinken in een gesprek over apparaten die op elektriciteit werken. Maar wat is deze elektrische stroom en wat zijn de voorwaarden voor zijn bestaan? We zullen hier verder over praten en een korte uitleg geven voor beginnende elektriciens.
Inhoud:
- Definitie
- Voorwaarden voor het bestaan van elektrische stroom
- Elektrische stroom in verschillende omgevingen
- in metalen
- In halfgeleiders
- In vacuüm en gas
- in vloeistof
- Conclusie
Definitie
Elektrische stroom is de gerichte beweging van ladingsdragers - dit is een standaardformulering uit een natuurkundeboek. Op hun beurt worden bepaalde deeltjes van een stof ladingsdragers genoemd. Ze kunnen zijn:
- Elektronen zijn negatieve ladingsdragers.
- Ionen zijn positieve ladingsdragers.
Maar waar komen ladingdragers vandaan? Om deze vraag te beantwoorden, moet je de basiskennis over de structuur van materie onthouden. Alles wat ons omringt is materie, het bestaat uit moleculen, de kleinste deeltjes. Moleculen zijn opgebouwd uit atomen. Een atoom bestaat uit een kern waarrond elektronen in bepaalde banen bewegen. Moleculen bewegen ook chaotisch. De beweging en structuur van elk van deze deeltjes is afhankelijk van de stof zelf en de invloed van de omgeving daarop, bijvoorbeeld temperatuur, stress, enzovoort.
Een ion wordt een atoom genoemd waarin de verhouding van elektronen en protonen is veranderd. Als het atoom aanvankelijk neutraal is, zijn de ionen op hun beurt verdeeld in:
- Anionen zijn een positief ion van een atoom dat elektronen heeft verloren.
- Kationen zijn een atoom met "extra" elektronen aan het atoom.
De eenheid van stroommeting is Ampere, volgens: De wet van Ohm het wordt berekend met de formule:
ik = U / R,
waarbij U spanning is, [V], en R weerstand is, [Ohm].
Of het is recht evenredig met de hoeveelheid lading die per tijdseenheid wordt overgedragen:
ik = Q / t,
waarbij Q - lading, [Cl], t - tijd, [s].
Voorwaarden voor het bestaan van elektrische stroom
We hebben ontdekt wat elektrische stroom is, laten we het nu hebben over hoe we ervoor kunnen zorgen dat deze stroom loopt. Voor de stroom van elektrische stroom moet aan twee voorwaarden worden voldaan:
- De aanwezigheid van gratis vervoerders.
- Elektrisch veld.
De eerste voorwaarde voor het bestaan en de stroom van elektriciteit hangt af van de stof waarin de stroom vloeit (of niet stroomt), evenals de toestand ervan. De tweede voorwaarde is ook haalbaar: voor het bestaan van een elektrisch veld is de aanwezigheid van verschillende potentialen nodig, waartussen zich een medium bevindt waarin ladingsdragers zullen stromen.
Laten we eraan herinneren: Spanning, EMF is het potentiaalverschil. Hieruit volgt dat om te voldoen aan de voorwaarden voor het bestaan van een stroom - de aanwezigheid van een elektrisch veld en een elektrische stroom, spanning nodig is. Dit kunnen platen zijn van een geladen condensator, een galvanische cel, een EMF gegenereerd door een magnetisch veld (generator).
Hoe het ontstaat, we hebben het bedacht, laten we het hebben over waar het naartoe is geleid. De stroom, voornamelijk bij ons gebruikelijke gebruik, beweegt in de geleiders (elektrische bedrading in het appartement, gloeilampen gloeilamp) of in halfgeleiders (LED's, de processor van uw smartphone en andere elektronica), minder vaak in gassen (fluorescentielampen).
Dus de belangrijkste ladingsdragers zijn in de meeste gevallen elektronen, ze bewegen van de min (punten met een negatieve potentiaal) naar plus (een punt met een positieve potentiaal, hierover leest u hieronder meer).
Maar een interessant feit is dat de richting van de huidige beweging werd genomen als de beweging van positieve ladingen - van plus naar min. Al gebeurt in feite alles andersom. Het feit is dat de beslissing over de richting van de stroom werd genomen voordat de aard ervan werd bestudeerd, en ook voordat het werd bepaald vanwege wat de stroom vloeit en bestaat.
Elektrische stroom in verschillende omgevingen
We hebben al vermeld dat in verschillende omgevingen de elektrische stroom kan verschillen in het type ladingsdragers. De media kunnen worden onderverdeeld volgens de aard van de geleidbaarheid (in afnemende geleidbaarheid):
- Geleider (metalen).
- Halfgeleider (silicium, germanium, galliumarsenide, enz.).
- Diëlektrisch (vacuüm, lucht, gedestilleerd water).
in metalen
In metalen zijn er gratis ladingsdragers, ze worden soms "elektrisch gas" genoemd. Waar komen gratis vervoerders vandaan? Feit is dat een metaal, zoals elke stof, uit atomen bestaat. Atomen bewegen of oscilleren op de een of andere manier. Hoe hoger de temperatuur van het metaal, hoe sterker deze beweging. Tegelijkertijd blijven de atomen zelf over het algemeen op hun plaats en vormen in feite de structuur van het metaal.
In de elektronenschillen van een atoom bevinden zich meestal meerdere elektronen, die een vrij zwakke binding met de kern hebben. Onder invloed van temperaturen, chemische reacties en de interactie van onzuiverheden, die in ieder geval in het metaal zitten, worden elektronen losgemaakt van hun atomen, positief geladen ionen worden gevormd. Vrijstaande elektronen worden vrij genoemd en bewegen chaotisch.
Als ze worden beïnvloed door een elektrisch veld, bijvoorbeeld als je een batterij op een stuk metaal aansluit, wordt de chaotische beweging van elektronen ordelijk. De elektronen van het punt waarop de negatieve potentiaal is aangesloten (bijvoorbeeld de kathode van een galvanische cel) zullen beginnen te bewegen naar het punt met de positieve potentiaal.
In halfgeleiders
Halfgeleiders zijn materialen waarin zich in de normale toestand geen vrije ladingsdragers bevinden. Ze bevinden zich in de zogenaamde verboden zone. Maar als je externe krachten toepast, zoals een elektrisch veld, warmte, verschillende straling (licht, straling, enz.), overwinnen ze de verboden zone en gaan ze naar een vrije zone of een zone geleidbaarheid. Elektronen komen los van hun atomen en worden vrij, waarbij ionen worden gevormd - positieve ladingsdragers.
Positieve dragers in halfgeleiders worden gaten genoemd.
Als je gewoon energie overdraagt aan een halfgeleider, bijvoorbeeld verwarmt, begint de chaotische beweging van ladingsdragers. Maar als we het hebben over halfgeleiderelementen, zoals een diode of transistor, dan aan tegenovergestelde uiteinden van het kristal (er wordt een gemetalliseerde laag op aangebracht en de draden worden gesoldeerd) EMF zal optreden, maar dit is niet van toepassing op het onderwerp van vandaag Lidwoord.
Als je een EMF-bron op een halfgeleider toepast, gaan de ladingsdragers ook in de geleidingsband en beginnen ook hun gerichte beweging - de gaten gaan naar de kant met een lagere elektrische potentiaal, en de elektronen - naar de kant met groot.
In vacuüm en gas
Een vacuüm wordt een medium genoemd met een volledige (ideale) afwezigheid van gassen of de geminimaliseerde (in werkelijkheid) hoeveelheid. Aangezien er geen stof in een vacuüm is, kunnen ladingsdragers nergens vandaan komen. De stroom van stroom in een vacuüm markeerde echter het begin van de elektronica en een heel tijdperk van elektronische elementen - vacuümbuizen. Ze werden gebruikt in de eerste helft van de vorige eeuw en in de jaren 50 begonnen ze geleidelijk plaats te maken voor transistors (afhankelijk van het specifieke gebied van elektronica).
Laten we aannemen dat we een vat hebben waaruit al het gas is weggepompt, d.w.z. er zit een compleet vacuüm in. Er worden twee elektroden in het vat geplaatst, laten we ze anode en kathode noemen. Als we de negatieve potentiaal van de EMF-bron verbinden met de kathode en positief met de anode, gebeurt er niets en zal de stroom niet vloeien. Maar als we de kathode gaan verwarmen, begint de stroom te vloeien. Dit proces wordt thermionische emissie genoemd - de emissie van elektronen vanaf het verwarmde oppervlak van een elektron.
De afbeelding toont het proces van de stroom in een vacuümlamp. In vacuümbuizen wordt de kathode verwarmd door een nabijgelegen gloeidraad in fig (H), zoals in een verlichtingslamp.
In dit geval, als u de polariteit van de voeding verandert - breng een min aan op de anode en breng een plus aan op de kathode - de stroom zal niet vloeien. Dit zal bewijzen dat de stroom in vacuüm vloeit als gevolg van de beweging van elektronen van de KATHODE naar de ANODE.
Gas bestaat, zoals elke stof, uit moleculen en atomen, wat betekent dat als het gas onder invloed staat van een elektrisch veld, Met een bepaalde sterkte (ionisatiespanning) zullen de elektronen loskomen van het atoom, dan zijn beide voorwaarden voor de stroom van elektrische stroom - het veld en gratis media.
Zoals eerder vermeld, wordt dit proces ionisatie genoemd. Het kan niet alleen optreden door de aangelegde spanning, maar ook wanneer het gas wordt verwarmd, röntgenstralen, onder invloed van ultraviolette straling en andere dingen.
De stroom zal door de lucht vloeien, zelfs als er een brander tussen de elektroden is geïnstalleerd.
De stroming van stroom in inerte gassen gaat gepaard met gasluminescentie; dit fenomeen wordt actief gebruikt in fluorescentielampen. Het vloeien van een elektrische stroom in een gasmedium wordt een gasontlading genoemd.
in vloeistof
Laten we zeggen dat we een vat met water hebben waarin twee elektroden zijn geplaatst, waarop een stroombron is aangesloten. Als het water wordt gedestilleerd, dat wil zeggen zuiver en geen onzuiverheden bevat, dan is het een diëlektricum. Maar als we een beetje zout, zwavelzuur of een andere stof aan het water toevoegen, wordt er een elektrolyt gevormd en begint er een stroom door te stromen.
Een elektrolyt is een stof die een elektrische stroom geleidt door dissociatie in ionen.
Als kopersulfaat aan het water wordt toegevoegd, zal een laag koper neerslaan op een van de elektroden (kathode) - dit wordt elektrolyse genoemd, wat bewijst dat de elektrische stroom in een vloeistof wordt uitgevoerd door de beweging van ionen - positieve en negatieve dragers opladen.
Elektrolyse is een fysisch-chemisch proces, dat bestaat uit het vrijkomen van de componenten waaruit de elektrolyt op de elektroden bestaat.
Zo vindt koperplateren, vergulden en coaten met andere metalen plaats.
Conclusie
Om samen te vatten, zijn gratis ladingsdragers nodig voor de stroom van elektrische stroom:
- elektronen in geleiders (metalen) en vacuüm;
- elektronen en gaten in halfgeleiders;
- ionen (anionen en kationen) in vloeistoffen en gassen.
Om de beweging van deze dragers geordend te laten worden, is een elektrisch veld nodig. In eenvoudige bewoordingen, breng een spanning aan op de uiteinden van het lichaam of installeer twee elektroden in een omgeving waar een elektrische stroom zou moeten vloeien.
Het is ook vermeldenswaard dat de stroom de stof op een bepaalde manier beïnvloedt, er zijn drie soorten blootstelling:
- thermisch;
- chemisch;
- fysiek.
Ten slotte raden we aan een nuttige video te bekijken, waarin de voorwaarden voor het bestaan en vloeien van elektrische stroom in meer detail worden besproken:
Handig over het onderwerp:
- De afhankelijkheid van de weerstand van de geleider op temperatuur
- De wet van Joule-Lenz in eenvoudige woorden
- Welke elektrische stroom is gevaarlijker voor een persoon: direct of wisselstroom?