Ce este curentul electric și care sunt condițiile existenței sale
Definiție
Un curent electric este mișcarea direcțională a operatorilor de încărcare - aceasta este formularea standard dintr-un manual de fizică. La rândul lor, anumite particule ale unei substanțe sunt numite purtători de încărcare. Ei pot fi:
- Electronii sunt purtători de sarcină negativă.
- Ionii sunt purtători de taxă pozitivă.
Dar de unde provin operatorii de taxare? Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să vă amintiți cunoștințele de bază despre structura materiei. Tot ceea ce ne înconjoară este materie, este format din molecule, cele mai mici particule ale sale. Moleculele sunt formate din atomi. Un atom este format dintr-un nucleu în jurul căruia electronii se mișcă pe orbitele date. Moleculele se deplasează, de asemenea, la întâmplare. Mișcarea și structura fiecăreia dintre aceste particule depind de substanța în sine și de influența mediului asupra acesteia, cum ar fi temperatura, tensiunea și așa mai departe.
Un ion este un atom în care raportul dintre electroni și protoni s-a schimbat. Dacă atomul este inițial neutru, ioni la rândul lor se împart în:
- Anionii sunt ionul pozitiv al unui atom care a pierdut electroni.
- Cationii sunt un atom cu electroni „în plus” atașați la atom.
Unitatea curentă - Amp, conform Legea lui Ohm Se calculează după formula:
I = U / R,
unde U este tensiunea, [V], iar R este rezistența, [Ohm].
Sau este direct proporțional cu cantitatea de taxă transferată pe unitatea de timp:
I = Q / t,
unde Q este taxa, [C], t este timpul, [s].
Condiții pentru existența curentului electric
Care este curentul electric, ne-am dat seama, acum să vorbim despre cum să asigurăm curgerea acestuia. Pentru ca curentul electric să curgă, trebuie îndeplinite două condiții:
- Prezența transportatorilor cu taxă gratuită.
- Câmp electric.
Prima condiție pentru existența și fluxul de electricitate depinde de substanța în care curge (sau nu curge), precum și de starea sa. A doua condiție este, de asemenea, îndeplinită: pentru existența unui câmp electric, este necesară prezența unor potențiale diferite, între care există un mediu în care vor curge purtătorii de sarcină.
Recall:Tensiunea, EMF este diferența de potențial. Rezultă că pentru a îndeplini condițiile pentru existența curentului - prezența unui câmp electric și a unui curent electric, este necesară tensiunea. Acestea pot fi plăcile unui condensator încărcat, o celulă galvanică, un EMF care apare sub influența unui câmp magnetic (generator).
Cum apare, ne-am dat seama, să vorbim despre unde este direcționat.Curentul, în principal în utilizarea noastră obișnuită, se deplasează în conductoare (cablare electrică într-un apartament, becuri incandescente) sau în semiconductoare (LED-uri, procesorul smartphone-ului și alte electronice), mai rar în gaze (lămpi fluorescente).
Deci, în majoritatea cazurilor, principalii purtători de încărcare sunt electronii, ei trec de la minus (punctul cu potențial negativ) la plus (punctul cu potențial pozitiv, veți afla mai multe despre acest lucru mai jos).
Dar un fapt interesant este că direcția curentului a fost luată ca fiind mișcarea sarcinilor pozitive - de la plus la minus. Deși, de fapt, totul se întâmplă invers. Cert este că decizia cu privire la direcția curentului a fost luată înainte de a-i studia natura, precum și înainte ca acesta să fie determinat de ce curge și există curentul.
Curent electric în diferite medii
Am menționat deja că în diferite medii, curentul electric poate diferi în funcție de tipul de transportatori de încărcare. Media poate fi împărțită după natura conductivității (în scăderea conductivității):
- Conductor (metale).
- Semiconductor (siliciu, germaniu, arsenidă de galium etc.).
- Dielectric (vid, aer, apă distilată).
În metale
În metale există purtători cu încărcare gratuită, uneori sunt numiți „gaz electric”. De unde provin transportatorii cu taxă gratuită? Cert este că metalul, ca orice substanță, este format din atomi. Atomii, într-un fel sau altul, se mișcă sau oscilează. Cu cât temperatura metalului este mai mare, cu atât această mișcare este mai puternică. În același timp, atomii înșiși în formă generală rămân în locurile lor, formând de fapt structura metalică.
În cojile de electroni ale unui atom, există de obicei mai mulți electroni în care legătura cu nucleul este destul de slabă. Sub influența temperaturilor, a reacțiilor chimice și a interacțiunii impurităților, care în orice caz sunt în metal, electronii se desprind de atomii lor, se formează ioni încărcați pozitiv. Electronii detașați sunt numiți liberi și se mișcă aleatoriu.
Dacă sunt afectate de un câmp electric, de exemplu, dacă conectați o baterie la o bucată de metal, mișcarea aleatorie a electronilor va deveni ordonată. Electronii din punctul în care este conectat potențialul negativ (catodul unei celule galvanice, de exemplu) vor începe să se deplaseze în punctul cu un potențial pozitiv.
În semiconductori
Semiconductorii sunt materiale în care în starea normală nu există transportatori cu taxă gratuită. Se află în așa-numita zonă interzisă. Dar dacă sunt aplicate forțe externe, cum ar fi un câmp electric, căldură, diferite radiații (lumină, radiații etc.), acestea depășesc zona interzisă și trec în zona liberă sau în zona de conducere. Electronii se desprind de atomii lor și devin liberi, formând ioni - purtători de încărcare pozitivă.
Purtătorii pozitivi în semiconductori se numesc găuri.
Dacă pur și simplu transferați energie către un semiconductor, de exemplu, încălziți-o, va începe mișcarea haotică a transportatorilor de încărcare. Dar dacă vorbim despre elemente semiconductoare, cum ar fi o diodă sau un tranzistor, atunci la capetele opuse ale cristalului (un strat metalizat este depus pe ele și concluziile sunt lipite), va apărea un EMF, dar acest lucru nu se aplică subiectului articolului de astăzi.
Dacă atașați sursa emf la semiconductor, atunci suporturile de încărcare vor intra și ele în banda de conducere, iar mișcarea lor direcțională va începe - găurile vor merge în lateral cu potențial electric mai mic, iar electroni - în lateral cu mari.
În vid și gaz
Vacuum-ul este un mediu cu o absență completă (caz ideal) de gaze sau cantitatea acestuia minimizată (în realitate). Deoarece nu există nicio substanță în vid, transportatorii de încărcare nu pot fi luați de nicăieri. Cu toate acestea, fluxul de curent în vid a pus bazele electronice și o întreagă eră de elemente electronice - tuburi de vid electrice.Au fost utilizate în prima jumătate a secolului trecut, iar în anii 50 au început să cedeze treptat tranzistoarelor (în funcție de domeniul specific al electronicii).
Să presupunem că avem o navă din care este pompat tot gazul, adică. are un vid complet. În vas se introduc doi electrozi, să-i numim anod și catod. Dacă conectăm potențialul negativ al sursei emf la catod și potențialul pozitiv la anod, nu se va întâmpla nimic și nu va curge curentul. Dar dacă începem să încălzim catodul, curentul va începe să curgă. Acest proces se numește emisie termionică - emisia de electroni de pe o suprafață încălzită a unui electron.
Figura arată procesul de curgere a curentului într-o lampă de vid. În tuburile vidate, catodul este încălzit cu un filament din orez în apropiere, cum ar fi într-un bec.
Mai mult, dacă schimbați polaritatea sursei de alimentare - aplicați un minus anodului și aplicați un plus catodului - curentul nu va curge. Acest lucru va demonstra că curentul în vid curge datorită mișcării electronilor de la CATHODE la ANODE.
Un gaz, ca orice substanță, este format din molecule și atomi, ceea ce înseamnă că dacă gazul este sub influența unui câmp electric, atunci la o anumită rezistență (tensiune de ionizare) electronii se desprind de atom, atunci ambele condiții ale fluxului de curent electric sunt satisfăcute - câmpul și mass-media gratuită.
După cum am menționat deja, acest proces se numește ionizare. Poate apărea nu numai din tensiunea aplicată, dar și în timpul încălzirii cu gaze, radiațiilor cu raze X, sub influența radiațiilor ultraviolete și a altor lucruri.
Curentul va curge prin aer chiar dacă este instalat un arzător între electrozi.
Fluxul de curent în gazele inerte este însoțit de luminiscență de gaz, acest fenomen este utilizat activ în lămpile fluorescente. Fluxul de curent electric într-un mediu gazos se numește descărcare de gaz.
În fluid
Să presupunem că avem un vas cu apă în care sunt amplasați doi electrozi, la care este conectată o sursă de alimentare. Dacă apa este distilată, adică pură și nu conține impurități, atunci este un dielectric. Dar dacă adăugăm puțină sare, acid sulfuric sau orice altă substanță în apă, se va forma un electrolit și un curent va începe să curgă prin el.
Un electrolit este o substanță care conduce un curent electric datorită disocierii în ioni.
Dacă se adaugă sulfat de cupru în apă, atunci un strat de cupru se va așeza pe unul dintre electrozi (catod) - acesta se numește electroliză, ceea ce dovedește că curentul electric din lichid se datorează mișcării ionilor - purtători de sarcină pozitivă și negativă.
Electroliza este un proces fizico-chimic care implică separarea componentelor care alcătuiesc un electrolit pe electrozi.
Astfel, placarea cu cupru, aurirea și acoperirea cu alte metale.
Concluzie
Pentru a rezuma, pentru fluxul de curent electric avem nevoie de transportatori cu taxă gratuită:
- electroni în conductoare (metale) și vid;
- electroni și găuri în semiconductori;
- ioni (anioni și cationi) în lichide și gaze.
Pentru ca mișcarea acestor transportatori să devină comandată, este necesar un câmp electric. În cuvinte simple - aplicați tensiune la capetele corpului sau instalați doi electrozi într-un mediu unde se presupune că curge un curent electric.
De asemenea, este de remarcat faptul că curentul într-un anumit mod afectează substanța, există trei tipuri de expunere:
- termic;
- chimic;
- fizic.
În sfârșit, vă recomandăm să vizionați un videoclip util în care sunt examinate mai detaliat condițiile pentru existența și curgerea curentului electric:
Util pe acest subiect:
Se încarcă...
