Ha bármely közegben vannak szabad töltéshordozók (például egy fémben elektronok), akkor azok nem nyugalomban vannak, hanem véletlenszerűen mozognak. De az elektronokat szabályosan mozgathatja egy adott irányba. A töltött részecskék ezen irányított mozgását elektromos áramnak nevezzük.
Tartalom
Hogyan keletkezik az elektromos áram
Ha veszünk két vezetőt, és az egyik negatív töltésű (elektronokat ad hozzá), a másik pedig pozitívan (az elektronok egy részét elveszi tőle), elektromos tér keletkezik. Ha mindkét elektródát összeköti egy vezetővel, a tér az elektronokat az elektromos térvektorral ellentétes irányba kényszeríti, az elektromos erővektor irányának megfelelően. A negatív töltésű részecskék az elektródáról, ahol feleslegben vannak, a hiányos elektródára mozognak.
Az elektronmozgás előfordulásához nem szükséges pozitív töltést adni a második elektródának. A lényeg az, hogy az első negatív töltése magasabb. Akár mindkét vezető negatív töltése is lehetséges, de az egyik vezetőnek nagyobbnak kell lennie, mint a másiknak. Ebben az esetben potenciálkülönbségről beszélünk, amely elektromos áramot okoz.
A vízzel analóg módon, ha két vízzel töltött edényt különböző szintre csatlakoztat, vízsugár jelenik meg. Nyomása a szintkülönbségtől függ.
Érdekes, hogy az elektronok kaotikus mozgása elektromos tér hatására általában megmarad, de a töltéshordozók tömegének általános mozgásvektora irányított jelleget kap. Ha a mozgás „kaotikus” komponensének sebessége több tíz vagy akár több száz kilométer/másodperc, akkor az iránykomponens több milliméter/perc. De az ütközés (amikor az elektronok a vezető hosszában mozognak) fénysebességgel terjed, ezért azt mondják, hogy az elektromos áram 3 * 10 sebességgel mozog8 m/sec.
A fenti kísérlet keretében a vezetőben lévő áram nem sokáig fog létezni - amíg a negatív töltésű vezetőben a felesleges elektronok el nem fogynak, és mindkét póluson nem lesz kiegyensúlyozva a számuk. Ez az idő kicsi - a másodperc jelentéktelen töredékei.
Visszatérve az eredetileg negatív töltésű elektródához, és a hordozókon többlettöltést hozunk létre, nem adjuk meg ugyanazt az elektromos teret, amely mínuszból pluszba mozgatta az elektronokat. Ezért kell lennie egy külső erőnek, amely az elektromos tér erőssége ellen hat, és meghaladja azt.A vízhez hasonlóan itt is kell lennie egy szivattyúnak, amely visszaszivattyúzza a vizet a felső szintre, hogy folyamatos vízáramlást hozzon létre.
Jelenlegi irány
A pluszból mínuszba eső irányt az áram irányának tekintjük, vagyis a pozitív töltésű részecskék mozgási iránya ellentétes az elektronok mozgásával. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az elektromos áram jelenségét sokkal korábban fedezték fel, mint a természetére vonatkozó magyarázatot, és úgy gondolták, hogy az áram ebbe az irányba megy. Addigra rengeteg cikk és egyéb szakirodalom gyűlt össze a témában, megjelentek a fogalmak, definíciók és törvények. Annak érdekében, hogy ne dolgozzunk át hatalmas mennyiségű már publikált anyagot, egyszerűen az áram irányát vettük az elektronok áramlásával szemben.
Ha az áram folyamatosan egy irányba folyik (akár változó erősségű), akkor ún egyenáram. Ha az iránya megváltozik, akkor váltóáramról beszélünk. A gyakorlati alkalmazásban az irány valamilyen törvény szerint változik, például szinuszos szerint. Ha az áram áramlásának iránya változatlan marad, de időszakosan nullára csökken és maximális értékre nő, akkor impulzusáramról beszélünk (különböző formájú).
Az áramkörben az elektromos áram fenntartásához szükséges feltételek
Az elektromos áram zárt áramkörben való létezésének három feltétele fent van. Ezeket részletesebben meg kell vizsgálni.
Ingyenes töltéshordozók
Az elektromos áram létezésének első szükséges feltétele a szabad töltéshordozók jelenléte. A töltések nem léteznek külön a hordozóiktól, ezért figyelembe kell venni azokat a részecskéket, amelyek töltést hordozhatnak.
Fémekben és más, hasonló vezetőképességű anyagokban (grafit stb.) ezek szabad elektronok. Gyengén kölcsönhatásba lépnek az atommaggal, és elhagyhatják az atomot, és viszonylag akadálytalanul mozoghatnak a vezető belsejében.
A szabad elektronok töltéshordozóként is szolgálnak a félvezetőkben, de bizonyos esetekben a szilárd anyagok ezen osztályának „lyuk” vezetőképességéről beszélnek (szemben az „elektronikussal”). Ez a fogalom csak a fizikai folyamatok leírásához szükséges, valójában a félvezetők áramerőssége az elektronok azonos mozgása. Olyan anyagok, amelyekben az elektronok nem tudnak elhagyni az atomot dielektrikumok. Nincs bennük áram.
Folyadékokban a pozitív és negatív ionok töltést hordoznak. Ez folyadékokra - elektrolitokra vonatkozik. Például víz, amelyben sót oldottak. Önmagában a víz elektromosan meglehetősen semleges, de amikor szilárd és folyékony anyagok kerülnek belé, feloldódnak és disszociálnak (lebomlanak), pozitív és negatív ionokat képezve. Az olvadt fémekben (például higanyban) a töltéshordozók ugyanazok az elektronok.
A gázok többnyire dielektrikumok. Nincsenek bennük szabad elektronok - a gázok semleges atomokból és molekulákból állnak. De ha a gáz ionizált, akkor az anyag aggregációjának negyedik állapotáról - a plazmáról - beszélnek. Elektromos áram is folyhat benne, az elektronok és ionok irányított mozgása során lép fel.
Az áram vákuumban is folyhat (például a vákuumcsövek működése ezen az elven alapul). Ehhez elektronokra vagy ionokra lesz szükség.
Elektromos mező
A szabad töltéshordozók jelenléte ellenére a legtöbb közeg elektromosan semleges. Ez azzal magyarázható, hogy a negatív (elektronok) és pozitív (protonok) részecskék egyenletesen helyezkednek el, és mezőik kompenzálják egymást. Ahhoz, hogy egy mező létrejöjjön, a töltéseknek egy bizonyos területre kell koncentrálniuk. Ha az egyik (negatív) elektród tartományában elektronok halmozódtak fel, akkor az ellentétes (pozitív) elektródán hiány lesz belőlük, és olyan mező keletkezik, amely a töltéshordozókra ható, mozgásra kényszerítő erőt hoz létre.
Harmadik fél vádemelési kényszer
És a harmadik feltétel - olyan erőnek kell lennie, amely az elektrosztatikus mező irányával ellentétes irányba viszi a töltéseket, különben a zárt rendszeren belüli töltések gyorsan egyensúlyba kerülnek. Ezt a külső erőt elektromotoros erőnek nevezzük. Eredete eltérő lehet.
Elektrokémiai természet
Ebben az esetben az EMF elektrokémiai reakciók következtében keletkezik. A reakciók visszafordíthatatlanok lehetnek. Példa erre a galvánelem - egy jól ismert akkumulátor. A reagensek kimerülése után az EMF nullára csökken, és az akkumulátor "leül".
Más esetekben a reakciók reverzibilisek lehetnek. Tehát az akkumulátorban az EMF elektrokémiai reakciók eredményeként is előfordul. De a befejezés után a folyamat folytatható - külső elektromos áram hatására a reakciók fordított sorrendben mennek végbe, és az akkumulátor ismét készen áll az áramadásra.
fotovoltaikus természet
Ebben az esetben az EMF-et a látható, ultraibolya vagy infravörös sugárzás okozza a félvezető szerkezetekben zajló folyamatokra. Ilyen erők keletkeznek a fotocellákban („napelemekben”).Fény hatására a külső áramkörben elektromos áram keletkezik.
termoelektromos természet
Ha vesz két különböző vezetőt, forrasztja őket és felmelegíti a csomópontot, akkor az EMF megjelenik az áramkörben a meleg csomópont (a vezetők csomópontja) és a hideg csomópont - a vezetékek ellenkező végei - közötti hőmérséklet-különbség miatt. Ily módon nem csak áramot lehet generálni, hanem mérje meg a hőmérsékletet a kialakuló emf mérésével.
Piezoelektromos természet
Akkor fordul elő, amikor bizonyos szilárd anyagok összenyomódnak vagy deformálódnak. Az elektromos öngyújtó ezen az elven működik.
Elektromágneses természet
Az ipari villamosenergia-termelés legelterjedtebb módja a DC vagy AC generátor. Egy egyenáramú gépben egy keret alakú armatúra mágneses térben forog, keresztezve annak erővonalait. Ebben az esetben a rotor forgási sebességétől és a mágneses fluxustól függően EMF keletkezik. A gyakorlatban egy horgonyt használnak nagyszámú fordulatból, így több sorba kapcsolt keretet képeznek. A bennük keletkező EMF összeadódik.
NÁL NÉL generátor ugyanez az elv érvényesül, de egy mágnes (elektromos vagy állandó) forog a rögzített kereten belül. Az állórészben ugyanazon folyamatok eredményeként EMF, amely szinusz alakú. Ipari méretekben szinte mindig váltóáramú generálást alkalmaznak - könnyebben átalakítható szállításra és gyakorlati használatra.
A generátor érdekes tulajdonsága a reverzibilitás.Abból áll, hogy ha külső forrásból feszültséget kapcsolnak a generátor kapcsaira, akkor forgórésze forogni kezd. Ez azt jelenti, hogy a csatlakozási sémától függően az elektromos gép lehet generátor vagy villanymotor.
Ezek csak az olyan jelenségek alapfogalmai, mint az elektromos áram. Valójában az elektronok irányított mozgása során fellépő folyamatok sokkal bonyolultabbak. Megértésükhöz az elektrodinamika mélyebb tanulmányozására van szükség.
Hasonló cikkek:
