מהו זרם חשמלי ומהם תנאי קיומו

הגדרה

זרם חשמלי הוא התנועה הכוונית של נושאי מטען - זהו הניסוח הסטנדרטי מתוך ספר לימוד לפיזיקה. בתורו, חלקיקים מסוימים של חומר נקראים נשאי מטען. הם יכולים להיות:

• אלקטרונים הם נושאי מטען שלילי.
• יונים הם נושאי מטען חיוביים.

אבל מאיפה נשאיות מטען? כדי לענות על שאלה זו עליכם לזכור ידע בסיסי אודות מבנה החומר. כל מה שמקיף אותנו הוא חומר, הוא מורכב ממולקולות, החלקיקים הקטנים ביותר שלה. מולקולות מורכבות מאטומים. אטום מורכב מגרעין שסביבו נעים אלקטרונים במסלולי נתון. מולקולות נעות באופן אקראי. התנועה והמבנה של כל אחד מהחלקיקים הללו תלויים בחומר עצמו ובהשפעת הסביבה עליו, כמו טמפרטורה, מתח וכדומה.

יון הוא אטום בו היחס בין אלקטרונים לפרוטונים השתנה. אם האטום בתחילה ניטרלי, אז היונים בתורם מחולקים ל:

• אניונים הם היון החיובי של אטום שאיבד אלקטרונים.
• קטיונים הם אטום עם אלקטרונים "נוספים" המחוברים לאטום.

יחידה נוכחית - אמפר, לפי החוק של אוהם זה מחושב על ידי הנוסחה:

I = U / R,

כאשר U הוא המתח, [V], ו- R הוא ההתנגדות, [אוהם].

או שהוא ביחס ישר לסכום החיוב המועבר ליחידת זמן:

I = Q / t,

כאשר Q הוא המטען, [C], t הוא זמן, [s].

תנאים לקיומו של זרם חשמלי

מצאנו מה הזרם החשמלי, בואו נדבר על איך להבטיח את זרימתו. כדי לזרום זרם חשמלי, יש לעמוד בשני תנאים:

1. נוכחות של ספקי תשלום ללא עלות.
2. שדה חשמלי.

התנאי הראשון לקיום וזרימת החשמל תלוי בחומר בו הזרם זורם (או לא זורם), כמו גם במצבו. התנאי השני מתקיים גם הוא: לצורך קיומו של שדה חשמלי יש צורך בנוכחות פוטנציאלים שונים, שביניהם יש מדיום בו יזרמו נושאי מטען.

נזכיר:מתח, EMF הוא ההבדל הפוטנציאלי. מכאן עולה כי כדי למלא את התנאים לקיומו של זרם - נוכחות שדה חשמלי וזרם חשמלי, יש צורך במתח. יתכן וזו לוחיות של קבל טעון, תא גלווני, emk הנוצרים תחת השפעת שדה מגנטי (גנרטור).

איך זה מתגלה, הבנו, בואו נדבר לאן זה מכוון.הזרם, בעיקר בשימוש הרגיל שלנו, נע במוליכים (חיווט חשמלי בדירה, נורות ליבון) או במוליכים למחצה (נורות לד, מעבד הטלפון החכם שלך ומוצרי אלקטרוניקה אחרים), לעתים קרובות פחות בגזים (נורות פלורסנט).

כך, ברוב המקרים, נושאי המטען העיקריים הם אלקטרונים, הם עוברים מהמינוס (הנקודה עם הפוטנציאל השלילי) לפלוס (הנקודה עם הפוטנציאל החיובי, תוכלו ללמוד עוד על זה בהמשך).

אבל עובדה מעניינת היא שתנועת המטענים החיוביים נלקחה ככיוון של זרימת הזרם - מכמות פלוס למינוס. למרות שלמעשה, הכל קורה הפוך. העובדה היא שההחלטה לגבי כיוון הזרם התקבלה לפני בחינת אופיו, כמו גם לפני שהיא נקבעה בגלל מה שהזרם זורם וקיים.

זרם חשמלי בסביבות שונות

כבר הזכרנו כי בסביבות שונות הזרם החשמלי יכול להיות שונה בסוג המנשאים לטעינה. ניתן לחלק את המדיה לפי אופי המוליכות (בירידה במוליכות):

1. מוליך (מתכות).
2. מוליכים למחצה (סיליקון, גרמניום, גליום ארסניד וכו ').
3. דיאלקטרי (ואקום, אוויר, מים מזוקקים).

במתכות

במתכות ישנם נושאי מטען בחינם, הם נקראים לעיתים "גז חשמלי". מאיפה נשאיות תשלום בחינם? העובדה היא שמתכת, כמו כל חומר, מורכבת מאטומים. אטומים, כך או אחרת, נעים או מתנדנדים. ככל שטמפרטורת המתכת גבוהה יותר, תנועה זו חזקה יותר. במקביל, האטומים עצמם בצורה כללית נשארים במקומם, מהווים למעשה את מבנה המתכת.

בקליפות האלקטרונים של אטום ישנם בדרך כלל מספר אלקטרונים בהם הקשר עם הגרעין חלש למדי. בהשפעת טמפרטורות, תגובות כימיות ואינטראקציה של זיהומים, שממילא נמצאים במתכת, האלקטרונים מתנתקים מהאטומים שלהם, נוצרים יוני טעונים חיוביים. האלקטרונים המנותקים נקראים חופשיים ונעה באופן אקראי.

אם הם מושפעים משדה חשמלי, לדוגמה, אם אתה מחבר סוללה לפיסת מתכת, התנועה האקראית של אלקטרונים תורד. אלקטרונים מהנקודה בה מחובר הפוטנציאל השלילי (הקתודה של תא גלווני למשל) יתחילו לעבור לנקודה עם פוטנציאל חיובי.

במוליכים למחצה

מוליכים למחצה הם חומרים שבמצב הרגיל אין נושאי מטען ללא תשלום. הם נמצאים באזור שנקרא אזור אסור. אך אם מופעלים כוחות חיצוניים, כמו שדה חשמלי, חום, קרינה שונות (אור, קרינה וכו '), הם מתגברים על האזור האסור ועוברים לאזור החופשי או לאזור ההולכה. אלקטרונים מתנתקים מהאטומים שלהם והופכים חופשיים ויוצרים יונים - נשאי מטען חיוביים.

נשאים חיוביים במוליכים למחצה נקראים חורים.

אם פשוט מעבירים אנרגיה למוליך למחצה, למשל, מחממים אותה, תתחיל תנועה כאוטית של נשאי מטען. אבל אם מדובר על אלמנטים מוליכים למחצה, כמו דיודה או טרנזיסטור, אז בקצוות הנגדים של הקריסטל (שכבה מתכתי מופקדת עליהם והמסקנות מולחמות), תקום EMF, אך זה לא תקף לנושא המאמר של ימינו.

אם אתה מחבר את מקור ה- emk למוליך המוליכים למחצה, נושאי המטען יכנסו גם הם אל פס ההולכה, ותנועתם הכוונית תחל - החורים ילכו לצד עם פוטנציאל חשמלי נמוך יותר, והאלקטרונים - לצד עם אחד גדול יותר.

בוואקום ובגז

ואקום הוא מדיום עם היעדר מוחלט (מקרה אידיאלי) של גזים או שהכמות שלו ממוזערת (במציאות). מכיוון שאין חומר בוואקום, אין מקום לקחת ממנו נושאי מטען. עם זאת, זרימת הזרם בוואקום הניחה את הבסיס לאלקטרוניקה ולעידן שלם של אלמנטים אלקטרוניים - צינורות ואקום חשמליים.הם שימשו במחצית הראשונה של המאה הקודמת, ובשנות ה -50 החלו לפנות את מקומם בהדרגה לטרנזיסטורים (תלוי בתחום האלקטרוניקה הספציפי).

נניח שיש לנו כלי שואבו ממנו כל הגז, כלומר יש לו ואקום שלם. שתי אלקטרודות מונחות בכלי, בוא נקרא להם האנודה והקתודה. אם נחבר את הפוטנציאל השלילי של מקור ה- emk לקתודה, ואת הפוטנציאל החיובי לאנודה, לא יקרה שום דבר והזרם לא יזרום. אבל אם נתחיל לחמם את הקתודה, הזרם יתחיל לזרום. תהליך זה נקרא פליטה תרמיונית - פליטת אלקטרונים ממשטח מחומם של אלקטרון.

התרשים מציג את תהליך זרימת הזרם במנורת ואקום. בצינורות ואקום, הקתודה מחוממת על ידי נימה סמוכה באורז (H), למשל בנורה.

יתר על כן, אם תשנה את הקוטביות של ספק הכוח - החל מינוס על האנודה, והחל פלוס על הקתודה - הזרם לא יזרום. זה יוכיח כי הזרם בוואקום זורם כתוצאה מהתנועה של אלקטרונים מ- CATHODE ל- ANODE.

גז, כמו כל חומר, מורכב ממולקולות ואטומים, מה שאומר שאם הגז נמצא תחת השפעה של שדה חשמלי, אז בעוצמה מסוימת (מתח יינון) האלקטרונים מתנתקים מהאטום, אז מתקיימים שני התנאים של זרימת הזרם החשמלי - השדה ו מדיה חופשית.

כאמור, תהליך זה נקרא יינון. זה יכול להתרחש לא רק מהמתח המופעל, אלא גם במהלך חימום גז, קרינת רנטגן, תחת השפעת קרינה אולטרה סגולה ודברים אחרים.

זרם יזרום באוויר גם אם מותקן צורב בין האלקטרודות.

זרימת הזרם בגזים אינרטיים מלווה בהארת גז, תופעה זו משמשת באופן פעיל במנורות פלורסנט. זרימת הזרם החשמלי במדיום גזי נקראת פריקת גז.

בנוזל

נניח שיש לנו כלי עם מים שנמצאים בו שתי אלקטרודות, אליו מחובר מקור כוח. אם המים מזוקקים, כלומר טהורים ואינם מכילים זיהומים, אז הם דיאלקטרי. אבל אם נוסיף מעט מים, חומצה גופרתית או כל חומר אחר למים, נוצר אלקטרוליט וזרם מתחיל לזרום דרכו.

אלקטרוליט הוא חומר המוליך זרם חשמלי עקב ניתוק ליונים.

אם מוסיפים מים סולפט נחושת למים, אז שכבת נחושת תתיישב על אחת האלקטרודות (הקתודה) - זה נקרא אלקטרוליזה, מה שמוכיח שהזרם החשמלי בנוזל נובע מתנועת יונים - נשאי מטען חיובי ושלילי.

אלקטרוליזה היא תהליך פיזיקו-כימי הכרוך בהפרדת רכיבים המרכיבים אלקטרוליט על אלקטרודות.

כך, ציפוי נחושת, הזהבה וציפוי במתכות אחרות.

מסקנה

לסיכום, לזרימת הזרם החשמלי אנו זקוקים לנשאי טעינה בחינם:

• אלקטרונים במוליכים (מתכות) ובוואקום;
• אלקטרונים וחורים במוליכים למחצה;
• יונים (אניונים וקטיונים) בנוזלים ובגזים.

על מנת שתנועה של מובילים אלה תהיה מסודרת, יש צורך בשדה חשמלי. במילים פשוטות - החל מתח בקצוות הגוף או התקן שתי אלקטרודות במדיום בו אמור לזרום זרם חשמלי.

ראוי גם לציין כי הזרם באופן מסוים משפיע על החומר, ישנם שלושה סוגים של חשיפה:

• תרמי;
• כימי;
• פיזית.

לבסוף, אנו ממליצים לצפות בסרטון וידאו שימושי בו נבדקים ביתר פירוט התנאים לקיומם ולזרימת הזרם החשמלי:

שימושי בנושא:

• התנגדות מוליכים מול טמפרטורה
• החוק של ג'ול-לנץ במילים פשוטות
• איזה זרם חשמלי מסוכן יותר לאדם: ישיר או מתחלף