Elektrik akımı: nedir ve nasıl ortaya çıkar?

Modern bir insanın hayatını elektriksiz hayal etmek imkansızdır. Volt, Amper, Watt - bu kelimeler elektrikle çalışan cihazlar hakkında bir konuşmada ses çıkarır. Fakat bu elektrik akımı nedir ve varlığının koşulları nelerdir? Yeni başlayan elektrikçiler için kısa bir açıklama sağlayarak bunun hakkında daha fazla konuşacağız.

Tanım

Elektrik akımı, yük taşıyıcıların yönlü hareketidir - bu, bir fizik ders kitabından standart bir formülasyondur. Buna karşılık, bir maddenin belirli parçacıklarına yük taşıyıcıları denir. Onlar yapabilir:

• Elektronlar negatif yük taşıyıcılarıdır.
• İyonlar pozitif yük taşıyıcılarıdır.

Ancak ücret taşıyıcıları nereden geliyor? Bu soruyu cevaplamak için, maddenin yapısı hakkında temel bilgileri hatırlamanız gerekir. Bizi çevreleyen her şey maddedir, moleküllerden, en küçük parçacıklarından oluşur. Moleküller atomlardan oluşur. Bir atom, elektronların belirli yörüngelerde hareket ettiği bir çekirdekten oluşur. Moleküller de düzensiz hareket eder. Bu parçacıkların her birinin hareketi ve yapısı, maddenin kendisine ve çevrenin, örneğin sıcaklık, stres vb. üzerindeki etkisine bağlıdır.

Bir iyon, elektron ve proton oranının değiştiği bir atom olarak adlandırılır. Atom başlangıçta nötr ise, iyonlar sırayla ayrılır:

• Anyonlar, elektron kaybetmiş bir atomun pozitif iyonudur.
• Katyonlar, atoma bağlı "ekstra" elektronlara sahip bir atomdur.

Akım ölçüm birimi Amper'dir. Ohm yasası şu formülle hesaplanır:

ben = U / R,

burada U voltaj, [V] ve R dirençtir, [Ohm].

Veya birim zaman başına aktarılan ücret miktarı ile doğru orantılıdır:

ben = Q / t,

nerede Q - şarj, [Cl], t - zaman, [s].

Elektrik akımının varlığı için koşullar

Elektrik akımının ne olduğunu anladık, şimdi akışının nasıl sağlanacağı hakkında konuşalım. Elektrik akımının akışı için iki koşulun karşılanması gerekir:

1. Ücretsiz ücret taşıyıcılarının varlığı.
2. Elektrik alanı.

Elektriğin varlığı ve akışı için ilk koşul, akımın aktığı (veya akmadığı) maddeye ve durumuna bağlıdır. İkinci koşul da mümkündür: bir elektrik alanının varlığı için, aralarında yük taşıyıcıların akacağı bir ortamın bulunduğu farklı potansiyellerin varlığı gereklidir.

hatırlatalım: Gerilim, EMF potansiyel farktır. Bundan, bir akımın varlığının koşullarını yerine getirmek için - bir elektrik alanının ve bir elektrik akımının varlığının, gerilime ihtiyaç olduğu sonucuna varılır. Bunlar, yüklü bir kapasitörün plakaları, bir galvanik hücre, bir manyetik alan (jeneratör) tarafından üretilen bir EMF olabilir.

Nasıl ortaya çıkıyor, anladık, nereye yönlendirildiği hakkında konuşalım. Akım, esas olarak olağan kullanımımızda, iletkenlerde hareket eder (dairede elektrik tesisatı, ampuller akkor) veya yarı iletkenlerde (LED'ler, akıllı telefonunuzun işlemcisi ve diğer elektronik parçalar), daha az sıklıkla gazlarda (floresan lambalar).

Bu nedenle, çoğu durumda ana yük taşıyıcıları elektronlardır, eksiden (noktalardan) hareket ederler. negatif potansiyelli) ila artı (pozitif potansiyelli bir nokta, aşağıda bununla ilgili daha fazla bilgi edineceksiniz).

Ancak ilginç bir gerçek, mevcut hareketin yönünün artıdan eksiye pozitif yüklerin hareketi olarak alınmasıdır. Her ne kadar aslında, her şey tam tersi olsa da. Gerçek şu ki, akımın yönüne ilişkin karar, doğasını incelemeden önce ve ayrıca akımın ne aktığı ve var olduğu nedeniyle belirlenmeden önce verildi.

Farklı ortamlarda elektrik akımı

Farklı ortamlarda elektrik akımının yük taşıyıcı tiplerinde farklılık gösterebileceğini daha önce belirtmiştik. Ortam, iletkenliğin doğasına göre bölünebilir (iletkenliğin azalmasında):

1. İletken (metaller).
2. Yarı iletken (silikon, germanyum, galyum arsenit, vb.).
3. Dielektrik (vakum, hava, damıtılmış su).

metallerde

Metallerde serbest yük taşıyıcıları vardır, bunlara bazen "elektrik gazı" denir. Ücretsiz ücretli taşıyıcılar nereden geliyor? Gerçek şu ki, herhangi bir madde gibi bir metal de atomlardan oluşur. Atomlar bir şekilde hareket eder veya salınır. Metalin sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, bu hareket o kadar güçlü olur. Aynı zamanda atomların kendileri de genellikle yerlerinde kalırlar, aslında metalin yapısını oluştururlar.

Bir atomun elektron kabuklarında, genellikle çekirdekle oldukça zayıf bir bağı olan birkaç elektron bulunur. Her durumda metalde bulunan sıcaklıkların, kimyasal reaksiyonların ve safsızlıkların etkileşimi altında elektronlar atomlarından ayrılır, pozitif yüklü iyonlar oluşur. Ayrılmış elektronlara serbest denir ve düzensiz hareket eder.

Bir elektrik alanından etkilenirlerse, örneğin bir metal parçasına bir pil bağlarsanız, elektronların kaotik hareketi düzenli hale gelecektir. Negatif potansiyelin bağlı olduğu noktadan (örneğin bir galvanik hücrenin katodu) elektronlar, pozitif potansiyelli noktaya hareket etmeye başlayacaktır.

yarı iletkenlerde

Yarı iletkenler, normal durumda ücretsiz yük taşıyıcılarının bulunmadığı malzemelerdir. Sözde yasak bölgedeler. Ancak elektrik alanı, ısı, çeşitli radyasyon (ışık, radyasyon vb.), yasak bölgeyi aşıp serbest bölgeye veya bölgeye girerler. iletkenlik. Elektronlar atomlarından ayrılır ve serbest kalır, iyonlar oluşturur - pozitif yük taşıyıcıları.

Yarı iletkenlerdeki pozitif taşıyıcılara delik denir.

Enerjiyi bir yarı iletkene basitçe aktarırsanız, örneğin ısıtırsanız, yük taşıyıcıların kaotik hareketi başlayacaktır. Ancak diyot veya transistör gibi yarı iletken elemanlardan bahsediyorsak, o zaman kristalin zıt uçlarında (üzerlerine metalize bir tabaka uygulanır ve uçlar lehimlenir) EMF oluşacaktır, ancak bu günümüzün konusu için geçerli değildir. nesne.

Bir yarı iletkene bir EMF kaynağı uygularsanız, yük taşıyıcılar da iletim bandına girecek ve aynı zamanda başlayacaktır. yönlü hareketleri - delikler daha düşük elektrik potansiyeli olan tarafa ve elektronlar - yana doğru harika.

Vakum ve gazda

Vakum, tam (ideal durum) gazların bulunmadığı veya minimum (gerçekte) miktarı olan bir ortam olarak adlandırılır. Vakumda madde olmadığı için yük taşıyıcıların gelebileceği hiçbir yer yoktur. Bununla birlikte, bir vakumdaki akımın akışı, elektroniğin başlangıcını ve bütün bir elektronik elementler çağını işaret ediyordu - vakum tüpleri. Geçen yüzyılın ilk yarısında kullanıldılar ve 50'lerde kademeli olarak transistörlere (elektronik alanına bağlı olarak) yer vermeye başladılar.

Tüm gazın dışarı pompalandığı bir gemimiz olduğunu varsayalım, yani. içinde tam bir boşluk var. Gemiye iki elektrot yerleştirilir, bunlara anot ve katot diyelim. EMF kaynağının negatif potansiyelini katoda, pozitifini anoda bağlarsak hiçbir şey olmaz ve akım akmaz. Ancak katodu ısıtmaya başlarsak akım akmaya başlayacaktır. Bu işleme termiyonik emisyon denir - bir elektronun ısıtılmış yüzeyinden elektronların emisyonu.

Şekil, bir vakum lambasındaki akım akışının sürecini göstermektedir. Vakum tüplerinde, katot, bir aydınlatma lambasında olduğu gibi, Şekil (H)'deki yakındaki bir filaman tarafından ısıtılır.

Bu durumda, güç kaynağının polaritesini değiştirirseniz - anoda bir eksi uygulayın ve katoda bir artı uygulayın - akım akmaz. Bu, elektronların KATOT'tan ANOD'a hareketi nedeniyle vakumdaki akımın aktığını kanıtlayacaktır.

Gaz, herhangi bir madde gibi, moleküllerden ve atomlardan oluşur, yani gaz bir elektrik alanının etkisi altındaysa, o zaman Belirli bir kuvvetle (iyonizasyon voltajı), elektronlar atomdan ayrılacak, daha sonra elektrik akımının akışı için her iki koşul da - alan ve özgür medya.

Daha önce de belirtildiği gibi, bu işleme iyonizasyon denir. Sadece uygulanan voltajdan değil, aynı zamanda gaz ısıtıldığında, X-ışınları, ultraviyole radyasyon ve diğer şeylerin etkisi altında ortaya çıkabilir.

Elektrotlar arasına bir brülör takılmış olsa bile akım havadan akacaktır.

Asal gazlardaki akımın akışına gaz lüminesansı eşlik eder, bu fenomen floresan lambalarda aktif olarak kullanılır. Bir gaz ortamındaki elektrik akımının akışına gaz deşarjı denir.

sıvı içinde

Diyelim ki, bir güç kaynağının bağlı olduğu iki elektrotun yerleştirildiği su içeren bir gemimiz var. Su damıtılmışsa, yani safsa ve kirlilik içermiyorsa, o zaman bir dielektriktir. Ancak suya biraz tuz, sülfürik asit veya başka bir madde eklersek elektrolit oluşur ve içinden bir akım geçmeye başlar.

Elektrolit, iyonlara ayrışması nedeniyle elektrik akımını ileten bir maddedir.

Suya bakır sülfat eklerseniz, elektrotlardan (katot) birine bir bakır tabakası yerleşir - buna elektroliz denir. bir sıvıdaki elektrik akımının iyonların hareketi nedeniyle gerçekleştirildiğini kanıtlar - pozitif ve negatif taşıyıcılar şarj etmek.

Elektroliz, elektroliti oluşturan bileşenlerin elektrotlar üzerinde salınmasından oluşan fizikokimyasal bir işlemdir.

Böylece bakır kaplama, yaldız ve diğer metallerle kaplama meydana gelir.

Çözüm

Özetlemek gerekirse, elektrik akımının akışı için serbest yük taşıyıcılarına ihtiyaç vardır:

• iletkenler (metaller) ve vakumdaki elektronlar;
• yarı iletkenlerde elektronlar ve delikler;
• sıvılarda ve gazlarda iyonlar (anyonlar ve katyonlar).

Bu taşıyıcıların hareketinin düzenli hale gelmesi için bir elektrik alanına ihtiyaç vardır. Basit bir deyişle, gövdenin uçlarına bir voltaj uygulayın veya bir elektrik akımının akması gereken bir ortama iki elektrot yerleştirin.

Akımın maddeyi belirli bir şekilde etkilediğini de belirtmekte fayda var, üç tür maruz kalma vardır:

• termal;
• kimyasal;
• fiziksel.

Son olarak, elektrik akımının varlığı ve akışı için koşulları daha ayrıntılı olarak tartışan yararlı bir video izlemenizi öneririz:

Konuyla ilgili faydalı:

• İletkenin direncinin sıcaklığa bağımlılığı
• Basit kelimelerle Joule-Lenz yasası
• Bir kişi için hangi elektrik akımı daha tehlikelidir: doğrudan veya alternatif