Električni tok: kaj je to in kako nastane

Nemogoče si je predstavljati življenje sodobnega človeka brez elektrike. Volti, Amperi, Vati - te besede zvenijo v pogovoru o napravah, ki delujejo na elektriko. Kaj pa je ta električni tok in kakšni so pogoji za njegov obstoj? O tem bomo govorili še naprej in nudili kratko razlago za električarje začetnike.

Opredelitev

Električni tok je usmerjeno gibanje nosilcev naboja - to je standardna formulacija iz učbenika fizike. Po drugi strani pa se nekateri delci snovi imenujejo nosilci naboja. Lahko so:

• Elektroni so nosilci negativnega naboja.
• Ioni so nosilci pozitivnega naboja.

Toda od kod prihajajo nosilci naboja? Če želite odgovoriti na to vprašanje, se morate spomniti osnovnega znanja o strukturi snovi. Vse, kar nas obdaja, je materija, sestavljena je iz molekul, njenih najmanjših delcev. Molekule so sestavljene iz atomov. Atom je sestavljen iz jedra, okoli katerega se po določenih orbitah gibljejo elektroni. Molekule se premikajo tudi kaotično. Gibanje in struktura vsakega od teh delcev sta odvisna od same snovi in ​​vpliva okolja nanjo, na primer temperature, stresa itd.

Ion se imenuje atom, v katerem se je spremenilo razmerje med elektroni in protoni. Če je atom sprva nevtralen, so ioni po drugi strani razdeljeni na:

• Anioni so pozitivni ion atoma, ki je izgubil elektrone.
• Kationi so atom z "dodatnimi" elektroni, vezanimi na atom.

Merska enota toka je amper, v skladu s Ohmov zakon izračuna se po formuli:

I = U / R,

kjer je U napetost, [V] in R je upor, [Ohm].

Ali pa je neposredno sorazmeren z zneskom prenesene bremenitve na enoto časa:

I = Q / t,

kjer je Q - naboj, [Cl], t - čas, [s].

Pogoji za obstoj električnega toka

Ugotovili smo, kaj je električni tok, zdaj pa se pogovorimo o tem, kako zagotoviti njegov pretok. Za pretok električnega toka morata biti izpolnjena dva pogoja:

1. Prisotnost brezplačnih nosilcev polnjenja.
2. Električno polje.

Prvi pogoj za obstoj in pretok električne energije je odvisen od snovi, v kateri teče (ali ne teče) tok, pa tudi od njenega stanja. Izvedljiv je tudi drugi pogoj: za obstoj električnega polja je nujna prisotnost različnih potencialov, med katerimi je medij, v katerem bodo tekli nosilci naboja.

Naj spomnimo: Napetost, EMF je potencialna razlika. Iz tega sledi, da je za izpolnjevanje pogojev za obstoj toka - prisotnost električnega polja in električnega toka potrebna napetost. To so lahko plošče napolnjenega kondenzatorja, galvanske celice, EMF, ki ga ustvarja magnetno polje (generator).

Kako nastane, smo ugotovili, pogovorimo se o tem, kam je usmerjen. Tok se, predvsem v naši običajni uporabi, giblje v vodnikih (električna napeljava v stanovanju, žarnice žarilno nitko) ali v polprevodnikih (LED, procesor vašega pametnega telefona in druga elektronika), redkeje v plinih (fluorescenčne sijalke).

Torej so glavni nosilci naboja v večini primerov elektroni, premikajo se od minusa (točke z negativnim potencialom) na plus (točka s pozitivnim potencialom, več o tem boste izvedeli spodaj).

Zanimivo pa je, da je bila smer tokovnega gibanja vzeta kot gibanje pozitivnih nabojev - od plusa do minusa. Čeprav se v resnici vse dogaja obratno. Dejstvo je, da je bila odločitev o smeri toka sprejeta pred preučevanjem njegove narave in tudi preden je bilo ugotovljeno, zaradi česa tok teče in obstaja.

Električni tok v različnih okoljih

Omenili smo že, da se lahko v različnih okoljih električni tok razlikuje glede na vrsto nosilcev naboja. Medije lahko razdelimo glede na naravo prevodnosti (v padajoči prevodnosti):

1. Prevodnik (kovine).
2. Polprevodniki (silicij, germanij, galijev arzenid itd.).
3. Dielektrik (vakuum, zrak, destilirana voda).

V kovinah

V kovinah so brezplačni nosilci naboja, včasih jih imenujemo "električni plin". Od kod prihajajo brezplačni nosilci polnjenja? Dejstvo je, da je kovina, tako kot katera koli snov, sestavljena iz atomov. Atomi se tako ali drugače premikajo ali nihajo. Višja kot je temperatura kovine, močnejše je to gibanje. Hkrati atomi sami na splošno ostanejo na svojih mestih, pravzaprav tvorijo strukturo kovine.

V elektronskih lupinah atoma je običajno več elektronov, ki imajo precej šibko vez z jedrom. Pod vplivom temperatur, kemičnih reakcij in interakcije nečistoč, ki so v vsakem primeru v kovini, se elektroni ločijo od njihovih atomov, nastanejo pozitivno nabiti ioni. Ločeni elektroni se imenujejo prosti in se premikajo kaotično.

Če nanje vpliva električno polje, na primer, če priključite baterijo na kos kovine, bo kaotično gibanje elektronov postalo urejeno. Elektroni iz točke, na katero je povezan negativni potencial (na primer katoda galvanskega elementa), se bodo začeli premikati do točke s pozitivnim potencialom.

V polprevodnikih

Polprevodniki so materiali, v katerih v normalnem stanju ni prostih nosilcev naboja. So v tako imenovanem prepovedanem območju. Če pa uporabite zunanje sile, kot so električno polje, toplota, različna sevanja (svetloba, sevanja itd.), premagajo prepovedano območje in gredo v prosto cono ali cono prevodnost. Elektroni se ločijo od svojih atomov in postanejo prosti ter tvorijo ione – nosilce pozitivnega naboja.

Pozitivni nosilci v polprevodnikih se imenujejo luknje.

Če preprosto prenesete energijo na polprevodnik, na primer ga segrejete, se bo začelo kaotično gibanje nosilcev naboja. Če pa govorimo o polprevodniških elementih, kot so dioda ali tranzistor, potem na nasprotnih koncih kristala (nanje se nanese metalizirana plast in vodi so spajkani) se bo pojavil EMF, vendar to ne velja za temo današnjega člankov.

Če vir EMF nanesete na polprevodnik, bodo nosilci naboja tudi šli v prevodni pas in se bodo tudi začeli njihovo usmerjeno gibanje - luknje bodo šle na stran z nižjim električnim potencialom, elektroni pa na stran z Super.

V vakuumu in plinu

Vakuum se imenuje medij s popolno (v idealnem primeru) odsotnostjo plinov ali njegovo minimalno (v resnici) količino. Ker v vakuumu ni snovi, ni od kod prihajati nosilcev naboja. Vendar je tok toka v vakuumu zaznamoval začetek elektronike in cele dobe elektronskih elementov – vakuumskih cevi. Uporabljali so jih v prvi polovici prejšnjega stoletja, v 50. letih pa so se začeli postopoma umikati tranzistorjem (odvisno od specifičnega področja elektronike).

Predpostavimo, da imamo posodo, iz katere je bil izčrpan ves plin, t.j. v njem je popoln vakuum. V posodo sta nameščeni dve elektrodi, poimenujemo ju anoda in katoda. Če negativni potencial vira EMF povežemo s katodo, pozitivni pa z anodo, se ne bo nič zgodilo in tok ne bo tekel. Če pa začnemo segrevati katodo, bo tok začel teči. Ta proces se imenuje termoionska emisija - emisija elektronov iz segrete površine elektrona.

Slika prikazuje proces toka v vakuumski svetilki. V vakuumskih ceveh se katodo segreva z bližnjo žarilno nitko na sliki (H), na primer v svetilki.

V tem primeru, če spremenite polarnost napajanja - uporabite minus na anodi in nanesite plus na katodo - tok ne bo tekel. To bo dokazalo, da tok v vakuumu teče zaradi premikanja elektronov s KATODE na ANODO.

Plin, tako kot katera koli snov, je sestavljen iz molekul in atomov, kar pomeni, da če je plin pod vplivom električnega polja, potem na Z določeno močjo (ionizacijsko napetost) se bodo elektroni ločili od atoma, nato pa sta oba pogoja za pretok električnega toka - polje in brezplačni mediji.

Kot smo že omenili, se ta proces imenuje ionizacija. Lahko se pojavi ne samo zaradi uporabljene napetosti, ampak tudi pri segrevanju plina, rentgenskih žarkih, pod vplivom ultravijoličnega sevanja in drugih stvari.

Tok bo tekel skozi zrak, tudi če je med elektrodami nameščen gorilnik.

Pretok toka v inertnih plinih spremlja plinska luminiscenca, ta pojav se aktivno uporablja v fluorescenčnih sijalkah. Pretok električnega toka v plinskem mediju se imenuje plinska razelektritev.

V tekočini

Recimo, da imamo posodo z vodo, v katero sta nameščeni dve elektrodi, na katere je priključen vir napajanja. Če je voda destilirana, torej čista in ne vsebuje nečistoč, potem je dielektrik. Če pa vodi dodamo malo soli, žveplove kisline ali katerekoli druge snovi, nastane elektrolit in skozenj začne teči tok.

Elektrolit je snov, ki zaradi disociacije na ione prevaja električni tok.

Če vodi dodate bakrov sulfat, se bo plast bakra usedla na eno od elektrod (katodo) - to se imenuje elektroliza, ki dokazuje, da se električni tok v tekočini izvaja zaradi gibanja ionov – pozitivnih in negativnih nosilcev napolniti.

Elektroliza je fizikalno-kemijski proces, ki je sestavljen iz sproščanja komponent, ki sestavljajo elektrolit na elektrodah.

Tako pride do bakrenja, pozlate in prevleke z drugimi kovinami.

Zaključek

Če povzamemo, za pretok električnega toka so potrebni brezplačni nosilci naboja:

• elektroni v prevodnikih (kovinah) in vakuumu;
• elektroni in luknje v polprevodnikih;
• ioni (anioni in kationi) v tekočinah in plinih.

Da bi gibanje teh nosilcev postalo urejeno, je potrebno električno polje. Z enostavnimi besedami nanesite napetost na koncih telesa ali namestite dve elektrodi v okolje, kjer naj bi tekel električni tok.

Prav tako je treba omeniti, da tok na določen način vpliva na snov, obstajajo tri vrste izpostavljenosti:

• toplotni;
• kemični;
• fizično.

Na koncu priporočamo ogled uporabnega videoposnetka, ki podrobneje obravnava pogoje za obstoj in pretok električnega toka:

Koristno na temo:

• Odvisnost upora prevodnika od temperature
• Joule-Lenzov zakon z enostavnimi besedami
• Kateri električni tok je bolj nevaren za osebo: neposredni ali izmenični