Elektrisk ström: vad är det och hur uppstår det

Det är omöjligt att föreställa sig livet för en modern person utan elektricitet. Volt, Ampere, Watt - dessa ord låter i en konversation om enheter som går på el. Men vad är denna elektriska ström och vilka är förutsättningarna för dess existens? Vi kommer att prata om detta ytterligare och ge en kort förklaring för nybörjare elektriker.

Definition

Elektrisk ström är den riktade rörelsen av laddningsbärare - detta är en standardformulering från en fysiklärobok. Vissa partiklar av ett ämne kallas i sin tur laddningsbärare. De kan vara:

• Elektroner är negativa laddningsbärare.
• Joner är positiva laddningsbärare.

Men var kommer laddningsbärarna ifrån? För att svara på denna fråga måste du komma ihåg den grundläggande kunskapen om materiens struktur. Allt som omger oss är materia, det består av molekyler, dess minsta partiklar. Molekyler är uppbyggda av atomer. En atom består av en kärna runt vilken elektroner rör sig i givna banor. Molekyler rör sig också kaotiskt. Rörelsen och strukturen för var och en av dessa partiklar beror på själva ämnet och miljöns inverkan på det, till exempel temperatur, stress och så vidare.

En jon kallas en atom där förhållandet mellan elektroner och protoner har förändrats. Om atomen initialt är neutral, delas jonerna i sin tur in i:

• Anjoner är en positiv jon av en atom som har förlorat elektroner.
• Katjoner är en atom med "extra" elektroner fästa vid atomen.

Enheten för strömmätning är Ampere, enligt Ohms lag det beräknas med formeln:

I = U/R,

där U är spänning, [V] och R är resistans, [Ohm].

Eller så är den direkt proportionell mot mängden avgift som överförs per tidsenhet:

I = Q/t,

där Q - laddning, [Cl], t - tid, [s].

Förutsättningar för förekomsten av elektrisk ström

Vi kom på vad elektrisk ström är, låt oss nu prata om hur man säkerställer dess flöde. För flödet av elektrisk ström måste två villkor vara uppfyllda:

1. Förekomsten av gratis avgiftsbärare.
2. Elektriskt fält.

Det första villkoret för existens och flöde av elektricitet beror på ämnet i vilket strömmen flyter (eller inte flyter), såväl som dess tillstånd. Det andra villkoret är också möjligt: ​​för existensen av ett elektriskt fält är närvaron av olika potentialer nödvändig, mellan vilka det finns ett medium i vilket laddningsbärare kommer att flöda.

Låt oss påminna: Spänning, EMF är potentialskillnaden. Det följer av detta att för att uppfylla villkoren för existensen av en ström - närvaron av ett elektriskt fält och en elektrisk ström, behövs spänning. Dessa kan vara plattor av en laddad kondensator, en galvanisk cell, en EMF genererad av ett magnetfält (generator).

Hur det uppstår, vi räknade ut det, låt oss prata om vart det är riktat. Strömmen, främst i vår vanliga användning, rör sig i ledarna (elektriska ledningar i lägenheten, glödlampor glödlampor) eller i halvledare (lysdioder, din smartphones processor och annan elektronik), mer sällan i gaser (fluorescerande lampor).

Så de huvudsakliga laddningsbärarna är i de flesta fall elektroner, de rör sig från minus (punkter med en negativ potential) till plus (en punkt med en positiv potential, du kommer att lära dig mer om detta nedan).

Men ett intressant faktum är att riktningen för nuvarande rörelse togs som rörelsen av positiva laddningar - från plus till minus. Fast i själva verket händer allt tvärtom. Faktum är att beslutet om strömriktningen togs innan man studerade dess natur, och även innan det bestämdes på grund av vad strömmen flyter och existerar.

Elektrisk ström i olika miljöer

Vi har redan nämnt att i olika miljöer kan den elektriska strömmen skilja sig åt i typen av laddningsbärare. Medierna kan delas in efter ledningsförmågans natur (i minskande ledningsförmåga):

1. Ledare (metaller).
2. Halvledare (kisel, germanium, galliumarsenid, etc.).
3. Dielektrisk (vakuum, luft, destillerat vatten).

I metaller

I metaller finns gratis laddningsbärare, de kallas ibland för "elektrisk gas". Var kommer gratis operatörer ifrån? Faktum är att en metall, som vilket ämne som helst, består av atomer. Atomer rör sig eller oscillerar på ett eller annat sätt. Ju högre temperatur metallen har, desto starkare är denna rörelse. Samtidigt förblir atomerna själva i allmänhet på sina ställen, och bildar faktiskt metallens struktur.

I en atoms elektronskal finns det vanligtvis flera elektroner, som har en ganska svag bindning till kärnan. Under påverkan av temperaturer, kemiska reaktioner och interaktion av föroreningar, som i alla fall finns i metallen, lösgörs elektroner från sina atomer, positivt laddade joner bildas. Fristående elektroner kallas fria och rör sig kaotiskt.

Om de påverkas av ett elektriskt fält, om du till exempel kopplar ett batteri till en metallbit, kommer elektronernas kaotiska rörelse att bli ordnad. Elektroner från den punkt till vilken den negativa potentialen är ansluten (t.ex. katoden i en galvanisk cell) kommer att börja röra sig till punkten med en positiv potential.

I halvledare

Halvledare är material i vilka det inte finns några gratis laddningsbärare i normalt tillstånd. De befinner sig i den så kallade förbjudna zonen. Men om du applicerar yttre krafter, såsom ett elektriskt fält, värme, olika strålning (ljus, strålning, etc.), övervinner de den förbjudna zonen och går in i en fri zon eller en zon ledningsförmåga. Elektroner lossnar från sina atomer och blir fria och bildar joner - positiva laddningsbärare.

Positiva bärare i halvledare kallas hål.

Om du helt enkelt överför energi till en halvledare, till exempel värmer den, kommer den kaotiska rörelsen av laddningsbärare att börja. Men om vi pratar om halvledarelement, som en diod eller transistor, då i motsatta ändar av kristallen (ett metalliserat lager appliceras på dem och ledningarna löds) EMF kommer att inträffa, men detta gäller inte ämnet för dagens artiklar.

Om du applicerar en EMF-källa på en halvledare, kommer laddningsbärarna också att gå in i ledningsbandet och börjar också deras riktningsrörelse - hålen kommer att gå åt sidan med en lägre elektrisk potential, och elektronerna - åt sidan med bra.

I vakuum och gas

Ett vakuum kallas ett medium med en fullständig (ideal fall) frånvaro av gaser eller dess minimerade (i verkligheten) mängd. Eftersom det inte finns någon substans i ett vakuum finns det ingenstans för laddningsbärare att komma ifrån. Men strömflödet i ett vakuum markerade början på elektronik och en hel era av elektroniska element - vakuumrör. De användes under första hälften av förra seklet, och på 50-talet började de gradvis ge vika för transistorer (beroende på det specifika området för elektronik).

Låt oss anta att vi har ett kärl från vilket all gas har pumpats ut, d.v.s. det är ett fullständigt vakuum i den. Två elektroder placeras i kärlet, låt oss kalla dem anod och katod. Om vi ​​kopplar EMF-källans negativa potential till katoden, och positiv till anoden, kommer ingenting att hända och strömmen kommer inte att flyta. Men om vi börjar värma katoden kommer strömmen att börja flyta. Denna process kallas termionisk emission - emissionen av elektroner från den uppvärmda ytan av en elektron.

Figuren visar processen för strömflödet i en vakuumlampa. I vakuumrör värms katoden av en närliggande glödtråd i fig (H), såsom i en belysningslampa.

I det här fallet, om du ändrar polariteten på strömförsörjningen - applicera ett minus på anoden och applicera ett plus på katoden - strömmen kommer inte att flyta. Detta kommer att bevisa att strömmen i vakuum flyter på grund av elektronernas rörelse från KATOD till ANOD.

Gas, som vilket ämne som helst, består av molekyler och atomer, vilket innebär att om gasen är under påverkan av ett elektriskt fält, då kl. Med en viss styrka (joniseringsspänning) kommer elektronerna att lossna från atomen, då båda villkoren för flödet av elektrisk ström - fältet och gratis media.

Som redan nämnts kallas denna process jonisering. Det kan uppstå inte bara från den applicerade spänningen, utan också när gasen värms upp, röntgenstrålar, under påverkan av ultraviolett strålning och andra saker.

Strömmen kommer att flyta genom luften även om en brännare är installerad mellan elektroderna.

Strömflödet i inerta gaser åtföljs av gasluminescens; detta fenomen används aktivt i lysrör. Flödet av en elektrisk ström i ett gasmedium kallas en gasurladdning.

I vätska

Låt oss säga att vi har ett kärl med vatten i vilket två elektroder är placerade, till vilket en strömkälla är ansluten. Om vattnet är destillerat, det vill säga rent och inte innehåller föroreningar, är det ett dielektrikum. Men om vi tillsätter lite salt, svavelsyra eller något annat ämne till vattnet bildas en elektrolyt och en ström börjar flyta genom den.

En elektrolyt är ett ämne som leder en elektrisk ström på grund av dissociation till joner.

Om du tillsätter kopparsulfat till vattnet, kommer ett lager av koppar att lägga sig på en av elektroderna (katoden) - detta kallas elektrolys, vilket bevisar att den elektriska strömmen i en vätska utförs på grund av rörelsen av joner - positiva och negativa bärare avgift.

Elektrolys är en fysikalisk-kemisk process, som består i frigörandet av komponenterna som utgör elektrolyten på elektroderna.

Sålunda förekommer kopparplätering, förgyllning och beläggning med andra metaller.

Slutsats

För att sammanfatta, behövs gratis laddningsbärare för flödet av elektrisk ström:

• elektroner i ledare (metaller) och vakuum;
• elektroner och hål i halvledare;
• joner (anjoner och katjoner) i vätskor och gaser.

För att dessa bärares rörelser ska bli ordnade behövs ett elektriskt fält. Med enkla ord, applicera en spänning i ändarna av kroppen eller installera två elektroder i en miljö där en elektrisk ström är tänkt att flyta.

Det är också värt att notera att strömmen påverkar ämnet på ett visst sätt, det finns tre typer av exponering:

• termisk;
• kemisk;
• fysisk.

Slutligen rekommenderar vi att du tittar på en användbar video, som diskuterar mer i detalj villkoren för existensen och flödet av elektrisk ström:

Användbart i ämnet:

• Ledarens motstånds beroende av temperatur
• Joule-Lenz lag i enkla ord
• Vilken elektrisk ström är farligare för en person: direkt eller alternerande