Je nemožné si predstaviť život moderného človeka bez elektriny. Volty, ampéry, watty – tieto slová znejú v rozhovore o zariadeniach, ktoré fungujú na elektrinu. Čo je však tento elektrický prúd a aké sú podmienky jeho existencie? Budeme o tom hovoriť ďalej a poskytneme krátke vysvetlenie pre začínajúcich elektrikárov.
Obsah:
- Definícia
- Podmienky existencie elektrického prúdu
- Elektrický prúd v rôznych prostrediach
- V kovoch
- V polovodičoch
- Vo vákuu a plyne
- V kvapaline
- Záver
Definícia
Elektrický prúd je smerový pohyb nosičov náboja – to je štandardná formulácia z učebnice fyziky. Na druhej strane sa určité častice látky nazývajú nosiče náboja. Môžu byť:
- Elektróny sú nosiče záporného náboja.
- Ióny sú kladné nosiče náboja.
Ale odkiaľ pochádzajú nosiče nábojov? Na zodpovedanie tejto otázky si treba zapamätať základné poznatky o štruktúre hmoty. Všetko, čo nás obklopuje, je hmota, skladá sa z molekúl, jej najmenších častíc. Molekuly sa skladajú z atómov. Atóm pozostáva z jadra, okolo ktorého sa elektróny pohybujú po daných dráhach. Molekuly sa tiež pohybujú chaoticky. Pohyb a štruktúra každej z týchto častíc závisí od samotnej látky a vplyvu prostredia na ňu, napríklad teploty, napätia atď.
Ión sa nazýva atóm, v ktorom sa zmenil pomer elektrónov a protónov. Ak je atóm na začiatku neutrálny, potom sa ióny delia na:
- Anióny sú kladný ión atómu, ktorý stratil elektróny.
- Katióny sú atóm s "extra" elektrónmi pripojenými k atómu.
Jednotkou merania prúdu je ampér, podľa Ohmov zákon vypočíta sa podľa vzorca:
I = U / R,
kde U je napätie [V] a R je odpor [Ohm].
Alebo je to priamo úmerné výške poplatku preneseného za jednotku času:
I = Q / t,
kde Q - náboj, [Cl], t - čas, [s].
Podmienky existencie elektrického prúdu
Prišli sme na to, čo je elektrický prúd, teraz si povedzme, ako zabezpečiť jeho tok. Pre tok elektrického prúdu musia byť splnené dve podmienky:
- Prítomnosť bezplatných nosičov náboja.
- Elektrické pole.
Prvá podmienka existencie a toku elektriny závisí od látky, v ktorej prúd tečie (alebo netečie), ako aj od jej stavu. Druhá podmienka je tiež realizovateľná: pre existenciu elektrického poľa je potrebná prítomnosť rôznych potenciálov, medzi ktorými je médium, v ktorom budú prúdiť nosiče náboja.
Pripomeňme si: Napätie, EMF je potenciálny rozdiel. Z toho vyplýva, že na splnenie podmienok existencie prúdu - prítomnosti elektrického poľa a elektrického prúdu je potrebné napätie. Môžu to byť dosky nabitého kondenzátora, galvanický článok, EMF generované magnetickým poľom (generátor).
Ako vzniká, prišli sme na to, povedzme si, kam smeruje. Prúd, hlavne pri našom bežnom používaní, sa pohybuje vo vodičoch (elektrické rozvody v byte, žiarovky žiarovka) alebo v polovodičoch (LED, procesor vášho smartfónu a iná elektronika), menej často v plynoch (žiarivky).
Takže hlavnými nosičmi náboja sú vo väčšine prípadov elektróny, pohybujú sa od mínus (body s negatívnym potenciálom) do plusu (bod s pozitívnym potenciálom, o tom sa dozviete nižšie).
Zaujímavým faktom však je, že smer súčasného pohybu bol braný ako pohyb kladných nábojov – od plusu po mínus. Aj keď v skutočnosti sa všetko deje naopak. Faktom je, že rozhodnutie o smere prúdu bolo prijaté pred štúdiom jeho povahy a tiež predtým, ako bolo určené kvôli tomu, aký prúd tečie a existuje.
Elektrický prúd v rôznych prostrediach
Už sme spomenuli, že v rôznych prostrediach sa elektrický prúd môže líšiť v type nosičov náboja. Médiá možno rozdeliť podľa charakteru vodivosti (pri znižovaní vodivosti):
- Vodič (kovy).
- Polovodič (kremík, germánium, arzenid gália atď.).
- Dielektrikum (vákuum, vzduch, destilovaná voda).
V kovoch
V kovoch sú voľné nosiče náboja, niekedy sa im hovorí „elektrický plyn“. Odkiaľ pochádzajú poskytovatelia bezplatných poplatkov? Faktom je, že kov, ako každá látka, pozostáva z atómov. Atómy sa pohybujú alebo oscilujú tak či onak. Čím vyššia je teplota kovu, tým silnejší je tento pohyb. Zároveň samotné atómy vo všeobecnosti zostávajú na svojich miestach, v skutočnosti tvoria štruktúru kovu.
V elektrónových obaloch atómu sa zvyčajne nachádza niekoľko elektrónov, ktoré majú s jadrom dosť slabú väzbu. Pod vplyvom teplôt, chemických reakcií a interakcie nečistôt, ktoré sú v každom prípade v kove, sa elektróny oddeľujú od ich atómov, vytvárajú sa kladne nabité ióny. Odpojené elektróny sa nazývajú voľné a pohybujú sa chaoticky.
Ak sú ovplyvnené elektrickým poľom, napríklad ak pripojíte batériu ku kusu kovu, chaotický pohyb elektrónov sa stane usporiadaným. Elektróny z bodu, ku ktorému je pripojený záporný potenciál (napríklad katóda galvanického článku), sa začnú pohybovať do bodu s kladným potenciálom.
V polovodičoch
Polovodiče sú materiály, v ktorých v normálnom stave nie sú žiadne voľné nosiče náboja. Sú v takzvanej zakázanej zóne. Ale ak použijete vonkajšie sily, ako je elektrické pole, teplo, rôzne žiarenie (svetlo, žiarenia atď.), prekonajú zakázanú zónu a prejdú do voľnej zóny alebo zóny vodivosť. Elektróny sa odpájajú od svojich atómov a stávajú sa voľnými, pričom vytvárajú ióny - pozitívne nosiče náboja.
Kladné nosiče v polovodičoch sa nazývajú diery.
Ak jednoducho prenesiete energiu do polovodiča, napríklad ho zahrejete, začne chaotický pohyb nosičov náboja. Ale ak hovoríme o polovodičových prvkoch, ako je dióda alebo tranzistor, potom na opačných koncoch kryštálu (nanesie sa na ne metalizovaná vrstva a vývody sa prispájkujú) EMF sa vyskytnú, ale to sa netýka témy dnešného články.
Ak použijete zdroj EMF na polovodič, nosiče náboja tiež prejdú do vodivého pásma a tiež začnú ich smerový pohyb - otvory pôjdu na stranu s nižším elektrickým potenciálom a elektróny - na stranu s skvelé.
Vo vákuu a plyne
Vákuum sa nazýva médium s úplnou (ideálnou) absenciou plynov alebo ich minimalizovaným (v skutočnosti) množstvom. Keďže vo vákuu nie je žiadna látka, nie je odkiaľ pochádzať nosiče náboja. Tok prúdu vo vákuu však znamenal začiatok elektroniky a celej éry elektronických prvkov – elektrónok. Používali sa v prvej polovici minulého storočia a v 50. rokoch začali postupne ustupovať tranzistorom (v závislosti od konkrétnej oblasti elektroniky).
Predpokladajme, že máme nádobu, z ktorej bol odčerpaný všetok plyn, t.j. je v nej úplné vákuum. V nádobe sú umiestnené dve elektródy, nazvime ich anóda a katóda. Ak pripojíme záporný potenciál zdroja EMF ku katóde a kladný k anóde, nič sa nestane a prúd nepotečie. Ale ak začneme ohrievať katódu, prúd začne tiecť. Tento proces sa nazýva termionická emisia - emisia elektrónov zo zahriateho povrchu elektrónu.
Obrázok ukazuje proces toku prúdu vo vákuovej lampe. Vo vákuových trubiciach je katóda ohrievaná blízkym vláknom na obrázku (H), ako napríklad v osvetľovacej lampe.
V tomto prípade, ak zmeníte polaritu napájacieho zdroja - aplikujte mínus na anódu a aplikujte plus na katódu - prúd nebude tiecť. To dokáže, že prúd vo vákuu tečie v dôsledku pohybu elektrónov z KATÉDY do ANÓDY.
Plyn, ako každá látka, pozostáva z molekúl a atómov, čo znamená, že ak je plyn pod vplyvom elektrického poľa, potom pri Pri určitej sile (ionizačné napätie) sa elektróny od atómu odtrhnú, potom sú obe podmienky toku elektrického prúdu - pole a slobodné médiá.
Ako už bolo spomenuté, tento proces sa nazýva ionizácia. Môže sa vyskytnúť nielen z aplikovaného napätia, ale aj pri zahrievaní plynu, röntgenových lúčoch, pod vplyvom ultrafialového žiarenia a iných vecí.
Prúd bude prúdiť vzduchom, aj keď je medzi elektródami nainštalovaný horák.
Tok prúdu v inertných plynoch je sprevádzaný luminiscenciou plynu, tento jav sa aktívne využíva v žiarivkách. Tok elektrického prúdu v plynnom médiu sa nazýva výboj plynu.
V kvapaline
Povedzme, že máme nádobu s vodou, v ktorej sú umiestnené dve elektródy, ku ktorým je pripojený zdroj energie. Ak je voda destilovaná, teda čistá a neobsahuje nečistoty, tak ide o dielektrikum. Ale ak do vody pridáme trochu soli, kyseliny sírovej alebo akejkoľvek inej látky, vytvorí sa elektrolyt a začne ňou pretekať prúd.
Elektrolyt je látka, ktorá vedie elektrický prúd v dôsledku disociácie na ióny.
Ak do vody pridáte síran meďnatý, na jednej z elektród (katóde) sa usadí vrstva medi – nazýva sa to elektrolýza, ktorá dokazuje, že elektrický prúd v kvapaline sa uskutočňuje v dôsledku pohybu iónov - pozitívnych a negatívnych nosičov poplatok.
Elektrolýza je fyzikálno-chemický proces, ktorý spočíva v uvoľnení zložiek, ktoré tvoria elektrolyt na elektródach.
Dochádza tak k pomedeniu, pozláteniu a potiahnutiu inými kovmi.
Záver
Aby som to zhrnul, na tok elektrického prúdu sú potrebné bezplatné nosiče náboja:
- elektróny vo vodičoch (kovy) a vákuum;
- elektróny a diery v polovodičoch;
- ióny (anióny a katióny) v kvapalinách a plynoch.
Aby sa pohyb týchto nosičov stal usporiadaným, je potrebné elektrické pole. Jednoducho povedané, použite napätie na koncoch tela alebo nainštalujte dve elektródy do prostredia, kde má prúdiť elektrický prúd.
Za zmienku tiež stojí, že prúd ovplyvňuje látku určitým spôsobom, existujú tri typy expozície:
- tepelný;
- chemický;
- fyzické.
Na záver odporúčame pozrieť si užitočné video, ktoré podrobnejšie rozoberá podmienky existencie a toku elektrického prúdu:
Užitočné k téme:
- Závislosť odporu vodiča od teploty
- Joule-Lenzov zákon jednoduchými slovami
- Ktorý elektrický prúd je pre človeka nebezpečnejší: jednosmerný alebo striedavý