Co je elektrický proud a jaké jsou podmínky jeho existence
Definice
Elektrický proud je směrový pohyb nosičů náboje - jedná se o standardní formulaci z učebnice fyziky. Některé částice látky se zase nazývají nosiči náboje. Mohou to být:
- Elektrony jsou negativní nosiče náboje.
- Iony jsou pozitivní nosiče náboje.
Ale odkud pocházejí nosiče poplatků? Chcete-li odpovědět na tuto otázku, musíte si vybavit základní znalosti o struktuře hmoty. Vše, co nás obklopuje, je hmota, sestává z molekul, z jejích nejmenších částic. Molekuly jsou tvořeny atomy. Atom se skládá z jádra, kolem kterého se elektrony pohybují v daných drahách. Molekuly se také náhodně pohybují. Pohyb a struktura každé z těchto částic závisí na samotné látce a na vlivu prostředí na ni, jako je teplota, napětí atd.
Ion je atom, ve kterém se poměr elektronů k protonům změnil. Pokud je atom zpočátku neutrální, jsou ionty zase rozděleny na:
- Anionty jsou kladný iont atomu, který ztratil elektrony.
- Kationty jsou atomy s „extra“ elektrony připojenými k atomu.
Aktuální jednotka - Amp, podle Ohmův zákon Vypočítá se podle vzorce:
I = U / R,
kde U je napětí, [V] a R je odpor, [Ohm].
Nebo je přímo úměrná výši poplatku převedeného za jednotku času:
I = Q / t,
kde Q je náboj, [C], t je čas, [s].
Podmínky pro existenci elektrického proudu
Jaký je elektrický proud, přišli jsme na to, teď pojďme mluvit o tom, jak zajistit jeho tok. Aby elektrický proud protékal, musí být splněny dvě podmínky:
- Přítomnost bezplatných dopravců.
- Elektrické pole.
První podmínka pro existenci a tok elektřiny závisí na látce, ve které proud teče (nebo neproudí), stejně jako na jeho stavu. Druhá podmínka je rovněž splněna: pro existenci elektrického pole je nutná přítomnost různých potenciálů, mezi nimiž je médium, kterým budou proudit nosiče náboje.
Připomeň:Napětí, EMF je potenciální rozdíl. Z toho vyplývá, že pro splnění podmínek pro existenci proudu - přítomnost elektrického pole a elektrického proudu je zapotřebí napětí. Mohou to být desky nabitého kondenzátoru, galvanického článku, emf, který vznikl pod vlivem magnetického pole (generátoru).
Jak to vzniká, jsme přišli na to, pojďme mluvit o tom, kam to směřuje.Proud, zejména při našem obvyklém použití, se pohybuje ve vodičích (elektrické zapojení v bytě, žárovky) nebo v polovodičích (LED, procesor vašeho smartphonu a další elektronika), méně často v plynech (zářivky).
Ve většině případů jsou tedy hlavní nosiče náboje elektrony, pohybují se od záporného bodu (bod s negativním potenciálem) k plusu (bod s pozitivním potenciálem, o tomto se dozvíte více).
Zajímavým faktem však je, že směr proudu byl považován za pohyb kladných nábojů - od plusu k mínus. I když ve skutečnosti se všechno děje opačným směrem. Skutečnost je taková, že rozhodnutí o směru proudu bylo učiněno před studiem jeho povahy, jakož i před tím, než bylo určeno kvůli tomu, co proud teče a existuje.
Elektrický proud v různých prostředích
Již jsme zmínili, že v různých prostředích se elektrický proud může lišit v typu nosiče náboje. Média lze rozdělit podle povahy vodivosti (při snižování vodivosti):
- Dirigent (kovy).
- Polovodič (křemík, germanium, galium arsenid atd.).
- Dielektrikum (vakuum, vzduch, destilovaná voda).
V kovech
V kovech existují bezplatné nosiče nábojů, které se někdy nazývají „elektrický plyn“. Odkud pocházejí bezplatní dopravci? Faktem je, že kov, jako každá látka, sestává z atomů. Atomy, tak či onak, se pohybují nebo kmitají. Čím vyšší je teplota kovu, tím silnější je tento pohyb. Současně samotné atomy obecně zůstávají na svém místě a ve skutečnosti vytvářejí kovovou strukturu.
V elektronových obalech atomu je obvykle několik elektronů, ve kterých je vazba s jádrem spíše slabá. Pod vlivem teplot, chemických reakcí a interakce nečistot, které jsou v každém případě v kovu, se elektrony odtrhnou od svých atomů, vytvoří se kladně nabité ionty. Odpojené elektrony se nazývají volné a pohybují se náhodně.
Pokud jsou ovlivněny elektrickým polem, například pokud připojíte baterii k kusu kovu, bude náhodný pohyb elektronů uspořádán. Elektrony od bodu, ve kterém je připojen záporný potenciál (například katoda galvanického článku), se začnou pohybovat k bodu s kladným potenciálem.
V polovodičích
Polovodiče jsou materiály, ve kterých v normálním stavu neexistují bezplatní dopravci. Jsou v tzv. Zakázané zóně. Pokud však působí vnější síly, jako je elektrické pole, teplo, různé záření (světlo, záření atd.), Překonají zakázanou zónu a přecházejí do volné zóny nebo vodivé zóny. Elektrony se odtrhnou od svých atomů a uvolní se a vytvoří ionty - pozitivní nábojové nosiče.
Pozitivní nosiče v polovodičích se nazývají díry.
Pokud například jednoduše přenesete energii do polovodiče, například ji zahřejete, začne se chaotický pohyb nosičů náboje. Pokud však mluvíme o polovodičových prvcích, jako je dioda nebo tranzistor, pak na opačných koncích krystalu (na nich je nanesena metalizovaná vrstva a pájeny závěry), vznikne EMF, ale to se netýká tématu dnešního článku.
Pokud připojíte zdroj emf k polovodiči, pak nosiče náboje také přejdou do vodivého pásma a začne jejich směrový pohyb - díry půjdou na stranu s nižším elektrickým potenciálem a elektrony - na stranu s větším.
Ve vakuu a plynu
Vakuum je médium s úplnou (ideální případ) nepřítomností plynů nebo jeho množství minimalizované (ve skutečnosti). Protože ve vakuu není žádná látka, nosiče nábojů nemohou být odebrány odkudkoli. Tok proudu ve vakuu však položil základy pro elektroniku a celou dobu elektronických prvků - elektrické vakuové trubice.Byly použity v první polovině minulého století a v 50. letech začaly postupně ustupovat tranzistorům (v závislosti na specifickém poli elektroniky).
Předpokládejme, že máme nádobu, ze které je čerpán veškerý plyn, tj. má úplné vakuum. Do elektrody jsou umístěny dvě elektrody, řekněme jim anoda a katoda. Pokud spojíme negativní potenciál zdroje emf s katodou a pozitivní potenciál s anodou, nic se nestane a proud nebude proudit. Pokud ale začneme ohřívat katodu, proud začne proudit. Tento proces se nazývá termionická emise - emise elektronů z vyhřívaného povrchu elektronu.
Obrázek ukazuje průběh proudu ve vakuové lampě. Ve vakuových zkumavkách se katoda zahřívá blízkým vláknem v rýži (H), například v žárovce.
Navíc, pokud změníte polaritu napájecího zdroje - aplikujte na anodu minus a na katodu plus - proud nebude proudit. To prokáže, že proud ve vakuu proudí v důsledku pohybu elektronů z KATODY do ANODE.
Plyn, jako každá látka, sestává z molekul a atomů, což znamená, že pokud je plyn pod vlivem elektrického pole, pak se při určité síle (ionizační napětí) elektrony odtrhnou od atomu, pak jsou splněny obě podmínky toku elektrického proudu - pole a bezplatná média.
Jak již bylo zmíněno, tento proces se nazývá ionizace. Může se vyskytnout nejen při přivedeném napětí, ale také při zahřívání plynu, rentgenovém záření, pod vlivem ultrafialového záření a dalších věcí.
Proud proudí vzduchem, i když je mezi elektrodami nainstalován hořák.
Tok proudu v inertních plynech je doprovázen plynovou luminiscencí, tento jev se aktivně používá ve zářivkách. Tok elektrického proudu v plynném médiu se nazývá výboj plynu.
V tekutině
Předpokládejme, že máme nádobu s vodou, ve které jsou umístěny dvě elektrody, ke které je připojen zdroj energie. Pokud je voda destilována, tj. Čistá a neobsahuje nečistoty, je to dielektrikum. Pokud ale do vody přidáme trochu soli, kyseliny sírové nebo jakékoli jiné látky, vytvoří se elektrolyt a začne to protékat proudem.
Elektrolyt je látka, která v důsledku disociace na ionty vede elektrický proud.
Pokud se do vody přidá síran měďnatý, pak se měděná vrstva usadí na jedné z elektrod (katoda) - to se nazývá elektrolýza, což dokazuje, že elektrický proud v kapalině je způsoben pohybem iontů - pozitivní a negativní nosiče náboje.
Elektrolýza je fyzikálně-chemický proces, který zahrnuje oddělení složek, které vytvářejí elektrolyt na elektrodách.
Takto je pokovování mědí, zlacení a povlakování jinými kovy.
Závěr
Abychom to shrnuli, pro tok elektrického proudu potřebujeme bezplatné nosiče nábojů:
- elektrony ve vodičích (kovy) a vakuum;
- elektrony a díry v polovodičích;
- ionty (anionty a kationty) v kapalinách a plynech.
Aby byl pohyb těchto nosičů uspořádán, je zapotřebí elektrické pole. Jednoduše řečeno - připojte napětí na konce těla nebo nainstalujte dvě elektrody do média, kde má proudit elektrický proud.
Rovněž stojí za zmínku, že proud určitým způsobem ovlivňuje látku, existují tři typy expozice:
- termální;
- chemický;
- fyzický.
Nakonec doporučujeme sledovat užitečné video, ve kterém jsou podrobněji prozkoumány podmínky pro existenci a tok elektrického proudu:
Užitečné pro toto téma:
Načítám ...
