Εάν υπάρχουν φορείς ελεύθερου φορτίου σε οποιοδήποτε μέσο (για παράδειγμα, ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο), τότε δεν βρίσκονται σε ηρεμία, αλλά κινούνται τυχαία. Αλλά μπορείτε να κάνετε τα ηλεκτρόνια να κινούνται με τάξη σε μια δεδομένη κατεύθυνση. Αυτή η κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα.
Περιεχόμενο
Πώς παράγεται το ηλεκτρικό ρεύμα
Εάν πάρουμε δύο αγωγούς και ο ένας από αυτούς φορτιστεί αρνητικά (προσθέτοντας ηλεκτρόνια σε αυτόν) και ο άλλος φορτιστεί θετικά (αφαιρώντας μερικά από τα ηλεκτρόνια από αυτόν), θα προκύψει ηλεκτρικό πεδίο. Εάν συνδέσετε και τα δύο ηλεκτρόδια με έναν αγωγό, το πεδίο θα αναγκάσει τα ηλεκτρόνια να κινηθούν προς την αντίθετη κατεύθυνση του διανύσματος ηλεκτρικού πεδίου, σύμφωνα με την κατεύθυνση του διανύσματος ηλεκτρικής δύναμης. Τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια θα μετακινηθούν από το ηλεκτρόδιο όπου βρίσκονται σε περίσσεια στο ηλεκτρόδιο όπου είναι ελλιπή.
Για την εμφάνιση κίνησης ηλεκτρονίων, δεν είναι απαραίτητο να μεταδοθεί θετικό φορτίο στο δεύτερο ηλεκτρόδιο. Το κύριο πράγμα είναι ότι το αρνητικό φορτίο του πρώτου είναι υψηλότερο. Είναι ακόμη δυνατό να φορτιστούν και οι δύο αγωγοί αρνητικά, αλλά ο ένας αγωγός πρέπει να έχει φορτίο μεγαλύτερο από τον άλλο. Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε για διαφορά δυναμικού που προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα.
Κατ' αναλογία με το νερό, εάν συνδέσετε δύο δοχεία γεμάτα νερό σε διαφορετικά επίπεδα, θα εμφανιστεί ένα ρεύμα νερού. Η πίεσή του θα εξαρτηθεί από τη διαφορά στα επίπεδα.
Είναι ενδιαφέρον ότι η χαοτική κίνηση των ηλεκτρονίων υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου διατηρείται γενικά, αλλά το γενικό διάνυσμα κίνησης της μάζας των φορέων φορτίου αποκτά έναν κατευθυνόμενο χαρακτήρα. Εάν η «χαοτική» συνιστώσα της κίνησης έχει ταχύτητα πολλών δεκάδων ή και εκατοντάδων χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο, τότε η κατευθυντική συνιστώσα είναι αρκετά χιλιοστά το λεπτό. Αλλά η κρούση (όταν τα ηλεκτρόνια κινούνται κατά μήκος του αγωγού) διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός, έτσι λένε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα κινείται με ταχύτητα 3 * 108 m/sec.
Στο πλαίσιο του παραπάνω πειράματος, το ρεύμα στον αγωγό δεν θα υπάρχει για πολύ - έως ότου εξαντληθεί η περίσσεια ηλεκτρονίων στον αρνητικά φορτισμένο αγωγό και ο αριθμός τους και στους δύο πόλους δεν είναι ισορροπημένος. Αυτός ο χρόνος είναι μικρός - ασήμαντα κλάσματα του δευτερολέπτου.
Η επιστροφή στο αρχικά αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο και η δημιουργία πλεονάζοντος φορτίου στους φορείς δεν δίνει το ίδιο ηλεκτρικό πεδίο που μετακινούσε τα ηλεκτρόνια από το μείον στο συν. Επομένως, πρέπει να υπάρχει μια εξωτερική δύναμη που να δρα ενάντια στην ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου και να το ξεπερνά.Παρόμοια με το νερό, πρέπει να υπάρχει μια αντλία που αντλεί το νερό πίσω στο ανώτερο επίπεδο για να δημιουργήσει μια συνεχή ροή νερού.
Τρέχουσα κατεύθυνση
Η κατεύθυνση από το συν στο πλην λαμβάνεται ως η κατεύθυνση του ρεύματος, δηλαδή, η κατεύθυνση κίνησης των θετικά φορτισμένων σωματιδίων είναι αντίθετη από την κίνηση των ηλεκτρονίων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το ίδιο το φαινόμενο του ηλεκτρικού ρεύματος ανακαλύφθηκε πολύ νωρίτερα από ό,τι ελήφθη μια εξήγηση για τη φύση του και πιστεύεται ότι το ρεύμα πηγαίνει προς αυτή την κατεύθυνση. Μέχρι εκείνη την εποχή, είχε συσσωρευτεί μεγάλος αριθμός άρθρων και άλλης βιβλιογραφίας σχετικά με αυτό το θέμα, εμφανίστηκαν έννοιες, ορισμοί και νόμοι. Για να μην αναθεωρήσουμε έναν τεράστιο όγκο ήδη δημοσιευμένου υλικού, απλώς πήραμε την κατεύθυνση του ρεύματος έναντι της ροής των ηλεκτρονίων.
Εάν το ρεύμα ρέει συνεχώς προς μία κατεύθυνση (ακόμα και αλλάζει σε ισχύ), καλείται συνεχές ρεύμα. Αν αλλάξει η κατεύθυνσή του, τότε μιλάμε για εναλλασσόμενο ρεύμα. Στην πρακτική εφαρμογή, η κατεύθυνση αλλάζει σύμφωνα με κάποιο νόμο, για παράδειγμα, σύμφωνα με έναν ημιτονοειδές. Εάν η κατεύθυνση της ροής του ρεύματος παραμένει αμετάβλητη, αλλά περιοδικά πέφτει στο μηδέν και αυξάνεται σε μια μέγιστη τιμή, τότε μιλάμε για παλμικό ρεύμα (διάφορων σχημάτων).
Απαραίτητες προϋποθέσεις για τη διατήρηση του ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα
Τρεις προϋποθέσεις για την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα κλειστό κύκλωμα προκύπτουν παραπάνω. Πρέπει να εξεταστούν λεπτομερέστερα.
Δωρεάν μεταφορείς χρέωσης
Η πρώτη απαραίτητη προϋπόθεση για την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος είναι η παρουσία ελεύθερων φορέων φορτίου. Τα φορτία δεν υπάρχουν χωριστά από τους φορείς τους, επομένως είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη τα σωματίδια που μπορούν να φέρουν φορτίο.
Σε μέταλλα και άλλες ουσίες με παρόμοιο τύπο αγωγιμότητας (γραφίτης κ.λπ.), αυτά είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αλληλεπιδρούν ασθενώς με τον πυρήνα και μπορούν να φύγουν από το άτομο και να κινηθούν σχετικά ανεμπόδιστα μέσα στον αγωγό.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια χρησιμεύουν επίσης ως φορείς φορτίου στους ημιαγωγούς, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις μιλούν για αγωγιμότητα «οπής» αυτής της κατηγορίας στερεών (σε αντίθεση με την «ηλεκτρονική»). Αυτή η έννοια χρειάζεται μόνο για να περιγράψει τις φυσικές διεργασίες, στην πραγματικότητα, το ρεύμα στους ημιαγωγούς είναι η ίδια κίνηση των ηλεκτρονίων. Υλικά στα οποία τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να φύγουν από το άτομο είναι διηλεκτρικά. Δεν υπάρχει ρεύμα σε αυτά.
Στα υγρά, τα θετικά και αρνητικά ιόντα φέρουν φορτίο. Αυτό αναφέρεται σε υγρά – ηλεκτρολύτες. Για παράδειγμα, νερό στο οποίο είναι διαλυμένο αλάτι. Από μόνο του, το νερό είναι ηλεκτρικά αρκετά ουδέτερο, αλλά όταν εισέρχονται στερεές και υγρές ουσίες, διαλύονται και διασπώνται (αποσυντίθενται) για να σχηματίσουν θετικά και αρνητικά ιόντα. Και στα λιωμένα μέταλλα (για παράδειγμα, στον υδράργυρο), οι φορείς φορτίου είναι τα ίδια ηλεκτρόνια.
Τα αέρια είναι κυρίως διηλεκτρικά. Δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια σε αυτά - τα αέρια αποτελούνται από ουδέτερα άτομα και μόρια. Αν όμως το αέριο είναι ιονισμένο, μιλούν για την τέταρτη κατάσταση συσσωμάτωσης της ύλης - πλάσμα. Ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί επίσης να ρέει σε αυτό, συμβαίνει κατά τη διάρκεια της κατευθυνόμενης κίνησης ηλεκτρονίων και ιόντων.
Επίσης, το ρεύμα μπορεί να ρέει σε κενό (η δράση, για παράδειγμα, των σωλήνων κενού βασίζεται σε αυτήν την αρχή). Αυτό θα απαιτήσει ηλεκτρόνια ή ιόντα.
Ηλεκτρικό πεδίο
Παρά την παρουσία δωρεάν φορέων φόρτισης, τα περισσότερα μέσα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι τα αρνητικά (ηλεκτρόνια) και τα θετικά (πρωτόνια) σωματίδια βρίσκονται ομοιόμορφα και τα πεδία τους αντισταθμίζουν το ένα το άλλο. Για να προκύψει ένα χωράφι, οι χρεώσεις πρέπει να συγκεντρωθούν σε κάποια περιοχή. Εάν τα ηλεκτρόνια έχουν συσσωρευτεί στην περιοχή ενός (αρνητικού) ηλεκτροδίου, τότε θα υπάρξει έλλειψη αυτών στο αντίθετο (θετικό) ηλεκτρόδιο και θα προκύψει ένα πεδίο που δημιουργεί μια δύναμη που ενεργεί στους φορείς φορτίου και τους αναγκάζει να κινηθούν.
Δύναμη τρίτων για να μεταφέρει κατηγορίες
Και η τρίτη προϋπόθεση - πρέπει να υπάρχει μια δύναμη που μεταφέρει φορτία προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση του ηλεκτροστατικού πεδίου, διαφορετικά τα φορτία μέσα στο κλειστό σύστημα θα ισορροπήσουν γρήγορα. Αυτή η ξένη δύναμη ονομάζεται ηλεκτροκινητική δύναμη. Η προέλευσή του μπορεί να είναι διαφορετική.
Ηλεκτροχημική φύση
Σε αυτή την περίπτωση, το EMF προκύπτει ως αποτέλεσμα της εμφάνισης ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Οι αντιδράσεις μπορεί να είναι μη αναστρέψιμες. Ένα παράδειγμα είναι ένα γαλβανικό στοιχείο - μια πολύ γνωστή μπαταρία. Αφού εξαντληθούν τα αντιδραστήρια, το EMF πέφτει στο μηδέν και η μπαταρία «κάθεται».
Σε άλλες περιπτώσεις, οι αντιδράσεις μπορεί να είναι αναστρέψιμες. Έτσι, σε μια μπαταρία, το EMF εμφανίζεται επίσης ως αποτέλεσμα ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Αλλά μετά την ολοκλήρωση, η διαδικασία μπορεί να συνεχιστεί - υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού ρεύματος, οι αντιδράσεις θα πραγματοποιηθούν με την αντίστροφη σειρά και η μπαταρία θα είναι και πάλι έτοιμη να δώσει ρεύμα.
φωτοβολταϊκού χαρακτήρα
Σε αυτή την περίπτωση, το EMF προκαλείται από τη δράση της ορατής, υπεριώδους ή υπέρυθρης ακτινοβολίας σε διαδικασίες σε δομές ημιαγωγών. Τέτοιες δυνάμεις προκύπτουν στα φωτοκύτταρα («ηλιακές μπαταρίες»).Υπό τη δράση του φωτός, δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα.
θερμοηλεκτρική φύση
Εάν πάρετε δύο ανόμοιους αγωγούς, τους κολλήσετε και θερμάνετε τη διασταύρωση, τότε θα εμφανιστεί ένα EMF στο κύκλωμα λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής διασταύρωσης (η διασταύρωση των αγωγών) και της ψυχρής διασταύρωσης - τα αντίθετα άκρα των αγωγών. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατή όχι μόνο η παραγωγή ρεύματος, αλλά και μετρήστε τη θερμοκρασία με τη μέτρηση του αναδυόμενου emf.
Πιεζοηλεκτρική φύση
Εμφανίζεται όταν ορισμένα στερεά συμπιέζονται ή παραμορφώνονται. Ένας ηλεκτρικός αναπτήρας λειτουργεί με αυτήν την αρχή.
Ηλεκτρομαγνητική φύση
Ο πιο συνηθισμένος τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βιομηχανικά είναι με μια γεννήτρια DC ή AC. Σε μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, ένας οπλισμός σχήματος πλαισίου περιστρέφεται σε ένα μαγνητικό πεδίο, διασχίζοντας τις γραμμές δύναμής του. Σε αυτή την περίπτωση, προκύπτει ένα EMF, ανάλογα με την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα και τη μαγνητική ροή. Στην πράξη, μια άγκυρα χρησιμοποιείται από μεγάλο αριθμό στροφών, σχηματίζοντας μια πλειάδα πλαισίων που συνδέονται σε σειρά. Τα EMF που προκύπτουν σε αυτά αθροίζονται.
ΣΤΟ εναλλάκτης ισχύει η ίδια αρχή, αλλά ένας μαγνήτης (ηλεκτρικός ή μόνιμος) περιστρέφεται μέσα στο σταθερό πλαίσιο. Ως αποτέλεσμα των ίδιων διεργασιών στον στάτορα, EMF, που έχει ημιτονοειδές σχήμα. Σε βιομηχανική κλίμακα, η παραγωγή AC χρησιμοποιείται σχεδόν πάντα - είναι ευκολότερο να μετατραπεί για μεταφορά και πρακτική χρήση.
Μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα μιας γεννήτριας είναι η αναστρεψιμότητα.Συνίσταται στο γεγονός ότι εάν εφαρμοστεί τάση στους ακροδέκτες της γεννήτριας από εξωτερική πηγή, ο ρότορας της θα αρχίσει να περιστρέφεται. Αυτό σημαίνει ότι, ανάλογα με το σχήμα σύνδεσης, η ηλεκτρική μηχανή μπορεί να είναι είτε γεννήτρια είτε ηλεκτροκινητήρας.
Αυτές είναι μόνο οι βασικές έννοιες ενός τέτοιου φαινομένου όπως το ηλεκτρικό ρεύμα. Στην πραγματικότητα, οι διεργασίες που συμβαίνουν κατά την κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρονίων είναι πολύ πιο περίπλοκες. Για την κατανόησή τους απαιτείται βαθύτερη μελέτη της ηλεκτροδυναμικής.
Παρόμοια άρθρα:
