Τι είναι το ηλεκτρικό ρεύμα και ποιες είναι οι συνθήκες της ύπαρξής του
Ορισμός
Ένα ηλεκτρικό ρεύμα είναι η κατευθυντική κίνηση των φορέων φόρτισης - αυτή είναι η τυπική διατύπωση από ένα βιβλίο φυσικής. Με τη σειρά του, ορισμένα σωματίδια μιας ουσίας ονομάζονται φορείς φορτίου. Μπορούν να είναι:
- Τα ηλεκτρόνια είναι φορείς αρνητικών φορτίων.
- Τα ιόντα είναι φορείς θετικών φορτίων.
Αλλά από πού προέρχονται οι εταιρείες χρέωσης; Για να απαντήσετε σε αυτήν την ερώτηση, πρέπει να θυμάστε βασικές γνώσεις σχετικά με τη δομή της ύλης. Το μόνο που μας περιβάλλει είναι ύλη, αποτελείται από μόρια, τα μικρότερα σωματίδια του. Τα μόρια αποτελούνται από άτομα. Ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα γύρω από τον οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται σε δεδομένες τροχιές. Τα μόρια κινούνται επίσης τυχαία. Η κίνηση και η δομή καθενός από αυτά τα σωματίδια εξαρτάται από την ίδια την ουσία και την επίδραση του περιβάλλοντος σε αυτήν, όπως η θερμοκρασία, η τάση και ούτω καθεξής.
Ένα ιόν είναι ένα άτομο στο οποίο έχει αλλάξει η αναλογία ηλεκτρονίων προς πρωτόνια. Εάν το άτομο είναι αρχικά ουδέτερο, τότε τα ιόντα με τη σειρά τους χωρίζονται σε:
- Τα ανιόντα είναι το θετικό ιόν ενός ατόμου που έχει χάσει ηλεκτρόνια.
- Τα κατιόντα είναι ένα άτομο με "επιπλέον" ηλεκτρόνια συνδεδεμένα στο άτομο.
Τρέχουσα μονάδα - Amp, σύμφωνα με Ο νόμος του Ωμ Υπολογίζεται με τον τύπο:
I = U / R,
όπου το U είναι η τάση, [V] και το R είναι η αντίσταση, [Ohm].
Ή είναι άμεσα ανάλογη με το ποσό της χρέωσης που μεταφέρεται ανά μονάδα χρόνου:
I = Q / t,
όπου Q είναι η φόρτιση, [C], t είναι χρόνος, [s].
Όροι για την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος
Ποιο είναι το ηλεκτρικό ρεύμα, καταλάβαμε, τώρα ας μιλήσουμε για το πώς να διασφαλίσουμε τη ροή του. Για να ρέει ηλεκτρικό ρεύμα, πρέπει να πληρούνται δύο προϋποθέσεις:
- Η παρουσία δωρεάν μεταφορέων.
- Ηλεκτρικό πεδίο.
Η πρώτη προϋπόθεση για την ύπαρξη και τη ροή ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται από την ουσία στην οποία ρέει το ρεύμα (ή δεν ρέει), καθώς και από την κατάστασή του. Η δεύτερη προϋπόθεση πληρούται επίσης: για την ύπαρξη ηλεκτρικού πεδίου, είναι απαραίτητη η παρουσία διαφορετικών δυνατοτήτων, μεταξύ των οποίων υπάρχει ένα μέσο στο οποίο θα ρέουν φορείς φορτίου.
Θυμηθείτε:Η τάση, EMF είναι η διαφορά δυναμικού. Επομένως, για να πληρούνται οι προϋποθέσεις για την ύπαρξη ρεύματος - την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου και ηλεκτρικού ρεύματος, απαιτείται τάση. Αυτό μπορεί να είναι οι πλάκες ενός φορτισμένου πυκνωτή, ενός γαλβανικού στοιχείου, ενός emf που προκύπτει υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου (γεννήτρια).
Πώς προκύπτει, καταλάβαμε, ας μιλήσουμε για το πού κατευθύνεται.Το ρεύμα, κυρίως στη συνήθη χρήση μας, κινείται σε αγωγούς (ηλεκτρική καλωδίωση σε διαμέρισμα, λαμπτήρες πυρακτώσεως) ή σε ημιαγωγούς (LED, επεξεργαστής smartphone και άλλα ηλεκτρονικά), λιγότερο συχνά σε αέρια (λαμπτήρες φθορισμού).
Έτσι, στις περισσότερες περιπτώσεις, οι κύριοι φορείς φόρτισης είναι ηλεκτρόνια, μετακινούνται από το μείον (το σημείο με αρνητικό δυναμικό) στο συν (το σημείο με θετικό δυναμικό, θα μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτό παρακάτω).
Αλλά ένα ενδιαφέρον γεγονός είναι ότι η κατεύθυνση του ρεύματος θεωρήθηκε η μετακίνηση θετικών φορτίων - από το συν στο μείον. Αν και στην πραγματικότητα, όλα συμβαίνουν το αντίστροφο. Το γεγονός είναι ότι η απόφαση σχετικά με την κατεύθυνση του ρεύματος ελήφθη πριν από τη μελέτη της φύσης του, καθώς και πριν καθοριστεί λόγω του τι ρέει και υπάρχει το ρεύμα.
Ηλεκτρικό ρεύμα σε διαφορετικά περιβάλλοντα
Έχουμε ήδη αναφέρει ότι σε διαφορετικά περιβάλλοντα το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να διαφέρει στον τύπο των φορέων φόρτισης. Τα μέσα μπορούν να διαιρεθούν από τη φύση της αγωγιμότητας (στη μείωση της αγωγιμότητας):
- Αγωγός (μέταλλα).
- Ημιαγωγός (πυρίτιο, γερμάνιο, αρσενίδιο γαλίου, κ.λπ.).
- Διηλεκτρικό (κενό, αέρας, απεσταγμένο νερό).
Στα μέταλλα
Στα μέταλλα υπάρχουν μεταφορείς δωρεάν, μερικές φορές ονομάζονται "ηλεκτρικό αέριο". Από πού προέρχονται οι μεταφορείς δωρεάν; Το γεγονός είναι ότι το μέταλλο, όπως κάθε ουσία, αποτελείται από άτομα. Τα άτομα, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, κινούνται ή ταλαντεύονται. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του μετάλλου, τόσο ισχυρότερη είναι η κίνηση. Ταυτόχρονα, τα ίδια τα άτομα γενικά παραμένουν στη θέση τους, σχηματίζοντας πραγματικά τη μεταλλική δομή.
Στα κελύφη ηλεκτρονίων ενός ατόμου, υπάρχουν συνήθως αρκετά ηλεκτρόνια στα οποία ο δεσμός με τον πυρήνα είναι μάλλον ασθενής. Υπό την επίδραση των θερμοκρασιών, των χημικών αντιδράσεων και της αλληλεπίδρασης ακαθαρσιών, οι οποίες σε κάθε περίπτωση βρίσκονται στο μέταλλο, τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από τα άτομα τους, σχηματίζονται θετικά φορτισμένα ιόντα. Τα αποσπασμένα ηλεκτρόνια ονομάζονται ελεύθερα και κινούνται τυχαία.
Εάν επηρεάζονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο, για παράδειγμα, εάν συνδέσετε μια μπαταρία σε ένα κομμάτι μετάλλου, η τυχαία κίνηση των ηλεκτρονίων θα διαταχθεί. Τα ηλεκτρόνια από το σημείο στο οποίο συνδέεται το αρνητικό δυναμικό (η κάθοδος ενός γαλβανικού κυττάρου, για παράδειγμα) θα αρχίσουν να κινούνται στο σημείο με θετικό δυναμικό.
Σε ημιαγωγούς
Οι ημιαγωγοί είναι υλικά στα οποία στην κανονική κατάσταση δεν υπάρχουν φορείς δωρεάν χρέωσης. Βρίσκονται στη λεγόμενη απαγορευμένη ζώνη. Αλλά εάν εφαρμοστούν εξωτερικές δυνάμεις, όπως ηλεκτρικό πεδίο, θερμότητα, διάφορες ακτινοβολίες (φως, ακτινοβολία κ.λπ.), ξεπερνούν την απαγορευμένη ζώνη και περνούν στην ελεύθερη ζώνη ή στη ζώνη αγωγιμότητας. Τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από τα άτομα τους και γίνονται ελεύθερα, σχηματίζοντας ιόντα - φορείς θετικού φορτίου.
Οι θετικοί φορείς στους ημιαγωγούς ονομάζονται τρύπες.
Εάν απλώς μεταφέρετε ενέργεια σε έναν ημιαγωγό, για παράδειγμα, το θερμάνετε, θα ξεκινήσει χαοτική κίνηση φορέων φόρτισης. Αλλά εάν μιλάμε για στοιχεία ημιαγωγών, όπως μια δίοδος ή ένα τρανζίστορ, τότε στα αντίθετα άκρα του κρυστάλλου (εναποτίθεται ένα επιμεταλλωμένο στρώμα και τα συμπεράσματα συγκολλούνται), θα προκύψει ένα EMF, αλλά αυτό δεν ισχύει για το θέμα του σημερινού άρθρου.
Εάν συνδέσετε την πηγή emf στον ημιαγωγό, τότε οι φορείς φόρτισης θα πάνε επίσης στη ζώνη αγωγιμότητας και θα ξεκινήσει η κατευθυντική τους κίνηση - οι οπές θα πάνε στο πλάι με χαμηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό και τα ηλεκτρόνια - στην πλευρά με ένα μεγαλύτερο.
Σε κενό και αέριο
Το κενό είναι ένα μέσο με πλήρη (ιδανική περίπτωση) απουσία αερίων ή ελαχιστοποίηση της ποσότητάς του (στην πραγματικότητα). Δεδομένου ότι δεν υπάρχει ουσία στο κενό, δεν υπάρχει πού να πάρετε φορτιστές. Ωστόσο, η ροή του ρεύματος σε κενό έθεσε τα θεμέλια για τα ηλεκτρονικά και μια ολόκληρη εποχή ηλεκτρονικών στοιχείων - ηλεκτρικών σωλήνων κενού.Χρησιμοποιήθηκαν το πρώτο μισό του περασμένου αιώνα και στη δεκαετία του '50 άρχισαν σταδιακά να υποχωρούν στα τρανζίστορ (ανάλογα με το συγκεκριμένο πεδίο της ηλεκτρονικής).
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα δοχείο από το οποίο αντλείται όλο το αέριο, δηλαδή έχει ένα πλήρες κενό. Δύο ηλεκτρόδια τοποθετούνται στο δοχείο, ας τα ονομάσουμε άνοδο και κάθοδο. Εάν συνδέσουμε το αρνητικό δυναμικό της πηγής emf με την κάθοδο και το θετικό δυναμικό στην άνοδο, τίποτα δεν θα συμβεί και το ρεύμα δεν θα ρέει. Αλλά αν αρχίσουμε να θερμαίνουμε την κάθοδο, το ρεύμα θα αρχίσει να ρέει. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται θερμοιονική εκπομπή - η εκπομπή ηλεκτρονίων από μια θερμαινόμενη επιφάνεια ενός ηλεκτρονίου.
Το σχήμα δείχνει τη διαδικασία της ροής ρεύματος σε μια λυχνία κενού. Σε σωλήνες κενού, η κάθοδος θερμαίνεται από ένα κοντινό νήμα σε ρύζι (Η), όπως σε μια λάμπα.
Επιπλέον, εάν αλλάξετε την πολικότητα του τροφοδοτικού - εφαρμόστε ένα μείον στην άνοδο και εφαρμόστε ένα συν στην κάθοδο - το ρεύμα δεν θα ρέει. Αυτό θα αποδείξει ότι το ρεύμα στο κενό ρέει λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων από το CATHODE στο ANODE.
Ένα αέριο, όπως κάθε ουσία, αποτελείται από μόρια και άτομα, πράγμα που σημαίνει ότι εάν το αέριο είναι υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, τότε σε μια ορισμένη ισχύ (τάση ιονισμού) τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από το άτομο, τότε ικανοποιούνται και οι δύο συνθήκες για τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος - το πεδίο και δωρεάν πολυμέσα.
Όπως ήδη αναφέρθηκε, αυτή η διαδικασία ονομάζεται ιονισμός. Μπορεί να συμβεί όχι μόνο από την εφαρμοζόμενη τάση, αλλά και κατά τη θέρμανση αερίου, την ακτινοβολία ακτίνων Χ, υπό την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας και άλλων πραγμάτων.
Το ρεύμα θα ρέει μέσω του αέρα ακόμη και αν έχει τοποθετηθεί καυστήρας μεταξύ των ηλεκτροδίων.
Η ροή ρεύματος σε αδρανή αέρια συνοδεύεται από φωταύγεια αερίου, το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιείται ενεργά σε λαμπτήρες φθορισμού. Η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα αέριο μέσο ονομάζεται εκκένωση αερίου.
Σε υγρό
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα δοχείο με νερό στο οποίο τοποθετούνται δύο ηλεκτρόδια, στο οποίο είναι συνδεδεμένη μια πηγή ισχύος. Εάν το νερό είναι αποσταγμένο, δηλαδή καθαρό και δεν περιέχει ακαθαρσίες, τότε είναι διηλεκτρικό. Αλλά εάν προσθέσουμε λίγο νερό, θειικό οξύ ή οποιαδήποτε άλλη ουσία στο νερό, ένας ηλεκτρολύτης θα σχηματιστεί και ένα ρεύμα θα αρχίσει να ρέει μέσα από αυτό.
Ένας ηλεκτρολύτης είναι μια ουσία που μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα λόγω της αποσύνδεσης στα ιόντα.
Εάν προστεθεί θειικός χαλκός στο νερό, τότε ένα στρώμα χαλκού θα καθιερωθεί σε ένα από τα ηλεκτρόδια (κάθοδο) - αυτό ονομάζεται ηλεκτρόλυση, το οποίο αποδεικνύει ότι το ηλεκτρικό ρεύμα στο υγρό οφείλεται στην κίνηση των ιόντων - φορέων θετικού και αρνητικού φορτίου.
Η ηλεκτρόλυση είναι μια φυσικοχημική διαδικασία που περιλαμβάνει το διαχωρισμό των συστατικών που απαρτίζουν έναν ηλεκτρολύτη στα ηλεκτρόδια.
Έτσι, επιμετάλλωση χαλκού, επιχρύσωση και επικάλυψη με άλλα μέταλλα.
Συμπέρασμα
Συνοψίζοντας, για τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος χρειαζόμαστε φορείς δωρεάν:
- ηλεκτρόνια σε αγωγούς (μέταλλα) και κενό ·
- ηλεκτρόνια και οπές στους ημιαγωγούς.
- ιόντα (ανιόντα και κατιόντα) σε υγρά και αέρια.
Για να γίνει η παραγγελία αυτών των φορέων, απαιτείται ένα ηλεκτρικό πεδίο. Με απλά λόγια - εφαρμόστε τάση στα άκρα του σώματος ή εγκαταστήστε δύο ηλεκτρόδια σε ένα μέσο όπου υποτίθεται ότι ρέει ηλεκτρικό ρεύμα.
Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι το ρεύμα επηρεάζει κατά κάποιο τρόπο την ουσία, υπάρχουν τρεις τύποι έκθεσης:
- θερμική;
- χημικά
- φυσική.
Τέλος, συνιστούμε να παρακολουθήσετε ένα χρήσιμο βίντεο στο οποίο εξετάζονται λεπτομερέστερα οι συνθήκες ύπαρξης και ροής ηλεκτρικού ρεύματος:
Χρήσιμο για το θέμα:
Φόρτωση ...
