Cos'è la corrente elettrica e quali sono le condizioni della sua esistenza
definizione
Una corrente elettrica è il movimento direzionale dei portatori di carica: questa è la formulazione standard di un libro di testo di fisica. A loro volta, alcune particelle di una sostanza sono chiamate portatori di carica. Possono essere:
- Gli elettroni sono portatori di carica negativa.
- Gli ioni sono portatori di carica positiva.
Ma da dove provengono i vettori di addebito? Per rispondere a questa domanda, è necessario ricordare le conoscenze di base sulla struttura della materia. Tutto ciò che ci circonda è la materia, è costituita da molecole, le sue particelle più piccole. Le molecole sono costituite da atomi. Un atomo è costituito da un nucleo attorno al quale gli elettroni si muovono in determinate orbite. Anche le molecole si muovono casualmente. Il movimento e la struttura di ciascuna di queste particelle dipendono dalla sostanza stessa e dall'influenza dell'ambiente su di essa, come temperatura, tensione e così via.
Uno ione è un atomo in cui è cambiato il rapporto tra elettroni e protoni. Se l'atomo è inizialmente neutro, gli ioni a loro volta sono divisi in:
- Gli anioni sono lo ione positivo di un atomo che ha perso elettroni.
- I cationi sono un atomo con elettroni "extra" attaccati all'atomo.
Unità corrente - Amp, secondo Legge di Ohm Si calcola con la formula:
I = U / R,
dove U è la tensione, [V] e R è la resistenza, [Ohm].
O è direttamente proporzionale alla quantità di carica trasferita per unità di tempo:
I = Q / t,
dove Q è la carica, [C], t è tempo, [s].
Condizioni per l'esistenza di corrente elettrica
Qual è la corrente elettrica, abbiamo capito, ora parliamo di come assicurarne il flusso. Affinché la corrente elettrica scorra, devono essere soddisfatte due condizioni:
- La presenza di corrieri gratuiti.
- Campo elettrico.
La prima condizione per l'esistenza e il flusso di elettricità dipende dalla sostanza in cui scorre (o non scorre) la corrente, nonché dal suo stato. Anche la seconda condizione è soddisfatta: per l'esistenza di un campo elettrico, è necessaria la presenza di diversi potenziali, tra i quali esiste un mezzo in cui fluiranno i portatori di carica.
Richiamo:La tensione, EMF è la differenza potenziale. Ne consegue che per soddisfare le condizioni per l'esistenza della corrente - la presenza di un campo elettrico e una corrente elettrica, è necessaria la tensione. Queste possono essere le piastre di un condensatore carico, una cella galvanica, un'emf che sorge sotto l'influenza di un campo magnetico (generatore).
Come nasce, abbiamo capito, parliamo di dove è diretto.La corrente, principalmente nel nostro uso abituale, si sposta nei conduttori (cavi elettrici in un appartamento, lampadine a incandescenza) o nei semiconduttori (LED, processore dello smartphone e altri dispositivi elettronici), meno spesso nei gas (lampade fluorescenti).
Quindi, nella maggior parte dei casi, i principali portatori di carica sono elettroni, si spostano dal meno (il punto con potenziale negativo) al più (il punto con potenziale positivo, imparerai di più su questo sotto).
Ma un fatto interessante è che la direzione della corrente è stata considerata come il movimento di cariche positive - da più a meno. Anche se in realtà, tutto accade al contrario. Il fatto è che la decisione sulla direzione della corrente è stata presa prima di studiarne la natura, così come prima che fosse determinata a causa di ciò che la corrente scorre ed esiste.
Corrente elettrica in diversi ambienti
Abbiamo già detto che in diversi ambienti la corrente elettrica può differire nel tipo di portatori di carica. I media possono essere divisi per natura di conducibilità (in conduttività decrescente):
- Conduttore (metalli).
- Semiconduttori (silicio, germanio, arsenuro di galium, ecc.).
- Dielettrico (vuoto, aria, acqua distillata).
Nei metalli
Nei metalli ci sono portatori di carica gratuiti, a volte vengono chiamati "gas elettrico". Da dove provengono i vettori a pagamento gratuiti? Il fatto è che il metallo, come qualsiasi sostanza, è costituito da atomi. Gli atomi, in un modo o nell'altro, si muovono o oscillano. Maggiore è la temperatura del metallo, più forte è questo movimento. Allo stesso tempo, gli atomi stessi in forma generale rimangono al loro posto, formando in realtà la struttura metallica.
Nei gusci di elettroni di un atomo, di solito ci sono diversi elettroni in cui il legame con il nucleo è piuttosto debole. Sotto l'influenza delle temperature, delle reazioni chimiche e dell'interazione delle impurità, che sono comunque nel metallo, gli elettroni si staccano dai loro atomi, si formano ioni caricati positivamente. Gli elettroni staccati sono chiamati liberi e si muovono casualmente.
Se sono interessati da un campo elettrico, ad esempio, se si collega una batteria a un pezzo di metallo, il movimento casuale degli elettroni verrà ordinato. Gli elettroni dal punto in cui è collegato il potenziale negativo (il catodo di una cella galvanica, ad esempio) inizieranno a spostarsi verso il punto con un potenziale positivo.
Nei semiconduttori
I semiconduttori sono materiali in cui allo stato normale non vi sono portatori di carica gratuiti. Sono nella cosiddetta zona proibita. Ma se vengono applicate forze esterne, come un campo elettrico, calore, varie radiazioni (luce, radiazione, ecc.), Superano la zona proibita e passano nella zona libera o nella zona di conduzione. Gli elettroni si staccano dai loro atomi e si liberano, formando ioni - portatori di carica positiva.
I vettori positivi nei semiconduttori sono chiamati fori.
Se trasferisci semplicemente energia a un semiconduttore, ad esempio, la riscaldi, inizierà il movimento caotico dei portatori di carica. Ma se stiamo parlando di elementi a semiconduttore, come un diodo o un transistor, quindi alle estremità opposte del cristallo (uno strato metallizzato si deposita su di essi e le conclusioni sono saldate), sorgerà un EMF, ma questo non si applica al tema dell'articolo di oggi.
Se si collega la sorgente di emf al semiconduttore, anche i portatori di carica entreranno nella banda di conduzione e il loro movimento direzionale inizierà - i fori andranno a lato con un potenziale elettrico inferiore e gli elettroni - a lato con uno più grande.
Nel vuoto e nel gas
Il vuoto è un mezzo con un'assenza completa (caso ideale) di gas o la sua quantità minimizzata (nella realtà). Poiché non esiste alcuna sostanza nel vuoto, i portatori di carica non possono essere prelevati da nessuna parte. Tuttavia, il flusso di corrente nel vuoto ha gettato le basi per l'elettronica e un'intera era di elementi elettronici: i tubi elettrici del vuoto.Furono utilizzati nella prima metà del secolo scorso e negli anni '50 iniziarono gradualmente a lasciare il posto ai transistor (a seconda del campo specifico dell'elettronica).
Supponiamo di avere una nave da cui viene pompato tutto il gas, ad es. ha un vuoto completo. Due elettrodi sono posizionati nella nave, chiamiamoli l'anodo e il catodo. Se colleghiamo il potenziale negativo della sorgente di emf al catodo e il potenziale positivo all'anodo, non accadrà nulla e la corrente non scorrerà. Ma se iniziamo a riscaldare il catodo, la corrente inizierà a fluire. Questo processo è chiamato emissione termoionica - l'emissione di elettroni da una superficie riscaldata di un elettrone.
La figura mostra il processo del flusso di corrente in una lampada a vuoto. Nei tubi a vuoto, il catodo viene riscaldato da un filamento vicino nel riso (H), come in una lampadina.
Inoltre, se si modifica la polarità dell'alimentatore - applicare un segno meno all'anodo e applicare un segno positivo al catodo - la corrente non scorrerà. Ciò dimostrerà che la corrente nel vuoto scorre a causa del movimento di elettroni dal CATODO all'ANODO.
Un gas, come qualsiasi sostanza, è costituito da molecole e atomi, il che significa che se il gas è sotto l'influenza di un campo elettrico, quindi a una certa forza (tensione di ionizzazione) gli elettroni si staccano dall'atomo, quindi entrambe le condizioni per il flusso di corrente elettrica sono soddisfatte: il campo e media gratuiti.
Come già accennato, questo processo si chiama ionizzazione. Può verificarsi non solo dalla tensione applicata, ma anche durante il riscaldamento a gas, la radiazione a raggi X, sotto l'influenza della radiazione ultravioletta e altre cose.
La corrente fluirà attraverso l'aria anche se un bruciatore è installato tra gli elettrodi.
Il flusso di corrente nei gas inerti è accompagnato dalla luminescenza del gas, questo fenomeno viene attivamente utilizzato nelle lampade fluorescenti. Il flusso di corrente elettrica in un mezzo gassoso è chiamato scarica di gas.
Nel fluido
Supponiamo di avere una nave con acqua in cui sono posizionati due elettrodi, a cui è collegata una fonte di alimentazione. Se l'acqua viene distillata, cioè pura e non contiene impurità, allora è un dielettrico. Ma se aggiungiamo un po 'di sale, acido solforico o qualsiasi altra sostanza all'acqua, si formerà un elettrolita e una corrente inizierà a fluire attraverso di esso.
Un elettrolita è una sostanza che conduce una corrente elettrica a causa della dissociazione in ioni.
Se il solfato di rame viene aggiunto all'acqua, uno strato di rame si depositerà su uno degli elettrodi (catodo) - questo si chiama elettrolisi, il che dimostra che la corrente elettrica nel liquido è dovuta al movimento degli ioni - portatori di carica positivi e negativi.
L'elettrolisi è un processo fisico-chimico che prevede la separazione dei componenti che compongono un elettrolita sugli elettrodi.
Pertanto, placcatura in rame, doratura e rivestimento con altri metalli.
conclusione
Riassumendo, per il flusso di corrente elettrica abbiamo bisogno di portatori di carica gratuiti:
- elettroni nei conduttori (metalli) e nel vuoto;
- elettroni e lacune nei semiconduttori;
- ioni (anioni e cationi) in liquidi e gas.
Affinché il movimento di questi vettori venga ordinato, è necessario un campo elettrico. In parole semplici: applica la tensione alle estremità del corpo o installa due elettrodi in un mezzo in cui dovrebbe fluire una corrente elettrica.
Vale anche la pena notare che la corrente influisce in un certo modo sulla sostanza, ci sono tre tipi di esposizione:
- termico;
- chimica;
- fisica.
Alla fine, consigliamo di guardare un utile video in cui le condizioni per l'esistenza e il flusso di corrente elettrica sono esaminate in modo più dettagliato:
Utile sull'argomento:
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