Elektrisk strøm: hva er det og hvordan oppstår det

Det er umulig å forestille seg livet til en moderne person uten strøm. Volt, Ampere, Watt - disse ordene høres ut i en samtale om enheter som går på elektrisitet. Men hva er denne elektriske strømmen og hva er betingelsene for dens eksistens? Vi vil snakke om dette videre, og gi en kort forklaring for nybegynnere elektrikere.

Definisjon

Elektrisk strøm er retningsbevegelsen til ladningsbærere - dette er en standardformulering fra en fysikklærebok. I sin tur kalles visse partikler av et stoff ladningsbærere. De kan være:

• Elektroner er negative ladningsbærere.
• Ioner er positive ladningsbærere.

Men hvor kommer ladebærerne fra? For å svare på dette spørsmålet, må du huske den grunnleggende kunnskapen om materiens struktur. Alt som omgir oss er materie, det består av molekyler, dets minste partikler. Molekyler er bygd opp av atomer. Et atom består av en kjerne som elektroner beveger seg rundt i gitte baner. Molekyler beveger seg også kaotisk. Bevegelsen og strukturen til hver av disse partiklene avhenger av selve stoffet og miljøets påvirkning på det, for eksempel temperatur, stress og så videre.

Et ion kalles et atom der forholdet mellom elektroner og protoner har endret seg. Hvis atomet i utgangspunktet er nøytralt, er ionene på sin side delt inn i:

• Anioner er et positivt ion av et atom som har mistet elektroner.
• Kationer er et atom med "ekstra" elektroner knyttet til atomet.

Enheten for strømmåling er Ampere, iht Ohms lov det beregnes med formelen:

I = U/R,

hvor U er spenning, [V], og R er motstand, [Ohm].

Eller det er direkte proporsjonalt med mengden belastning som overføres per tidsenhet:

I = Q/t,

hvor Q - ladning, [Cl], t - tid, [s].

Betingelser for eksistensen av elektrisk strøm

Vi fant ut hva elektrisk strøm er, la oss nå snakke om hvordan vi sikrer flyten. For flyt av elektrisk strøm må to betingelser være oppfylt:

1. Tilstedeværelsen av gratis ladebærere.
2. Elektrisk felt.

Den første betingelsen for eksistensen og flyten av elektrisitet avhenger av stoffet der strømmen flyter (eller ikke flyter), så vel som dens tilstand. Den andre betingelsen er også mulig: for eksistensen av et elektrisk felt er tilstedeværelsen av forskjellige potensialer nødvendig, mellom hvilke det er et medium der ladningsbærere vil strømme.

La oss minne om: Spenning, EMF er potensialforskjellen. Det følger av dette at for å oppfylle betingelsene for eksistensen av en strøm - tilstedeværelsen av et elektrisk felt og en elektrisk strøm, er spenning nødvendig. Disse kan være plater av en ladet kondensator, en galvanisk celle, en EMF generert av et magnetfelt (generator).

Hvordan det oppstår, vi fant det ut, la oss snakke om hvor det er rettet. Strømmen, hovedsakelig i vår vanlige bruk, beveger seg i lederne (elektriske ledninger i leiligheten, lyspærer glødelampe) eller i halvledere (LED, smarttelefonens prosessor og annen elektronikk), sjeldnere i gasser (lysrør).

Så de viktigste ladningsbærerne er i de fleste tilfeller elektroner, de beveger seg fra minus (poeng med et negativt potensial) til pluss (et punkt med et positivt potensial, du vil lære mer om dette nedenfor).

Men et interessant faktum er at retningen av gjeldende bevegelse ble tatt som bevegelsen av positive ladninger - fra pluss til minus. Selv om alt faktisk skjer omvendt. Faktum er at beslutningen om strømmens retning ble tatt før man studerte dens natur, og også før den ble bestemt på grunn av hva strømmen flyter og eksisterer.

Elektrisk strøm i forskjellige miljøer

Vi har allerede nevnt at i forskjellige miljøer kan den elektriske strømmen variere i type ladningsbærere. Mediene kan deles inn etter arten av ledningsevne (i avtagende ledningsevne):

1. Leder (metaller).
2. Halvleder (silisium, germanium, galliumarsenid, etc.).
3. Dielektrisk (vakuum, luft, destillert vann).

I metaller

I metaller er det gratis ladningsbærere, de kalles noen ganger "elektrisk gass". Hvor kommer gratis operatører fra? Faktum er at et metall, som ethvert stoff, består av atomer. Atomer beveger seg eller oscillerer på en eller annen måte. Jo høyere temperatur metallet har, desto sterkere er denne bevegelsen. Samtidig forblir atomene selv generelt på sine steder, og danner faktisk strukturen til metallet.

I elektronskallene til et atom er det vanligvis flere elektroner, som har en ganske svak binding til kjernen. Under påvirkning av temperaturer, kjemiske reaksjoner og samspillet mellom urenheter, som uansett er i metallet, løsnes elektroner fra atomene deres, positivt ladede ioner dannes. Løsrevne elektroner kalles frie og beveger seg kaotisk.

Blir de påvirket av et elektrisk felt, hvis du for eksempel kobler et batteri til et metallstykke, vil den kaotiske bevegelsen av elektroner bli ordnet. Elektroner fra punktet som det negative potensialet er koblet til (katoden til en galvanisk celle, for eksempel) vil begynne å bevege seg til punktet med et positivt potensial.

I halvledere

Halvledere er materialer der det ikke er gratis ladebærere i normal tilstand. De befinner seg i den såkalte forbudssonen. Men hvis du bruker ytre krefter, som et elektrisk felt, varme, forskjellig stråling (lys, stråling, etc.), overvinner de den forbudte sonen og går inn i en fri sone eller en sone ledningsevne. Elektroner løsner fra atomene sine og blir frie, og danner ioner - positive ladningsbærere.

Positive bærere i halvledere kalles hull.

Hvis du bare overfører energi til en halvleder, for eksempel, varmer den opp, vil den kaotiske bevegelsen til ladningsbærere begynne. Men hvis vi snakker om halvlederelementer, for eksempel en diode eller transistor, så i motsatte ender av krystallen (et metallisert lag påføres dem og ledningene loddes) EMF vil oppstå, men dette gjelder ikke temaet i dagens artikler.

Hvis du bruker en EMF-kilde til en halvleder, vil ladningsbærerne også gå inn i ledningsbåndet, og vil også begynne deres retningsbevegelse - hullene vil gå til siden med et lavere elektrisk potensial, og elektronene - til siden med flott.

I vakuum og gass

Et vakuum kalles et medium med fullstendig (ideelt tilfelle) fravær av gasser eller dens minimerte (i virkeligheten) mengde. Siden det ikke er noe stoff i et vakuum, er det ingen steder for ladningsbærere å komme fra. Strømstrømmen i et vakuum markerte imidlertid begynnelsen på elektronikk og en hel æra av elektroniske elementer - vakuumrør. De ble brukt i første halvdel av forrige århundre, og på 50-tallet begynte de gradvis å vike for transistorer (avhengig av det spesifikke elektronikkfeltet).

La oss anta at vi har et fartøy hvor all gassen er pumpet ut, dvs. det er et fullstendig vakuum i den. To elektroder er plassert i karet, la oss kalle dem anode og katode. Hvis vi kobler det negative potensialet til EMF-kilden til katoden, og positivt til anoden, vil ingenting skje og strømmen vil ikke flyte. Men hvis vi begynner å varme opp katoden, vil strømmen begynne å flyte. Denne prosessen kalles termionisk emisjon - utslipp av elektroner fra den oppvarmede overflaten til et elektron.

Figuren viser prosessen med strømflyt i en vakuumlampe. I vakuumrør varmes katoden opp av en nærliggende glødetråd i fig (H), for eksempel i en belysningslampe.

I dette tilfellet, hvis du endrer polariteten til strømforsyningen - bruk et minus på anoden, og bruk et pluss på katoden - strømmen vil ikke flyte. Dette vil bevise at strømmen i vakuum flyter på grunn av bevegelse av elektroner fra KATODE til ANODE.

Gass, som ethvert stoff, består av molekyler og atomer, noe som betyr at hvis gassen er under påvirkning av et elektrisk felt, så kl. Med en viss styrke (ioniseringsspenning) vil elektronene løsne fra atomet, da både betingelser for flyt av elektrisk strøm - feltet og gratis medier.

Som allerede nevnt kalles denne prosessen ionisering. Det kan oppstå ikke bare fra den påførte spenningen, men også når gassen varmes opp, røntgenstråler, under påvirkning av ultrafiolett stråling og andre ting.

Strømmen vil flyte gjennom luften selv om en brenner er installert mellom elektrodene.

Strømstrømmen i inerte gasser er ledsaget av gassluminescens; dette fenomenet brukes aktivt i fluorescerende lamper. Strømmen av en elektrisk strøm i et gassmedium kalles en gassutladning.

I væske

La oss si at vi har et kar med vann der det er plassert to elektroder, som en strømkilde er koblet til. Hvis vannet er destillert, det vil si rent og ikke inneholder urenheter, er det et dielektrikum. Men hvis vi tilsetter litt salt, svovelsyre eller et annet stoff til vannet, dannes det en elektrolytt og en strøm begynner å strømme gjennom den.

En elektrolytt er et stoff som leder en elektrisk strøm på grunn av dissosiasjon til ioner.

Hvis du tilsetter kobbersulfat til vannet, vil et lag med kobber legge seg på en av elektrodene (katoden) - dette kalles elektrolyse, som beviser at den elektriske strømmen i en væske utføres på grunn av bevegelsen av ioner - positive og negative bærere lade.

Elektrolyse er en fysisk-kjemisk prosess, som består i frigjøring av komponentene som utgjør elektrolytten på elektrodene.

Dermed oppstår kobberplettering, forgylling og belegg med andre metaller.

Konklusjon

For å oppsummere er det nødvendig med gratis ladebærere for flyten av elektrisk strøm:

• elektroner i ledere (metaller) og vakuum;
• elektroner og hull i halvledere;
• ioner (anioner og kationer) i væsker og gasser.

For at bevegelsen til disse bærerne skal bli ordnet, er det nødvendig med et elektrisk felt. Med enkle ord, påfør en spenning i endene av kroppen eller installer to elektroder i et miljø der det er ment å flyte en elektrisk strøm.

Det er også verdt å merke seg at strømmen påvirker stoffet på en viss måte, det er tre typer eksponering:

• termisk;
• kjemisk;
• fysisk.

Til slutt anbefaler vi å se en nyttig video, som diskuterer mer detaljert betingelsene for eksistensen og flyten av elektrisk strøm:

Nyttig om emnet:

• Avhengigheten av motstanden til lederen på temperaturen
• Joule-Lenz lov i enkle ord
• Hvilken elektrisk strøm er farligere for en person: direkte eller vekslende