Dacă un mediu conține purtători de sarcină liberi (de exemplu, electronii dintr-un metal), aceștia nu sunt în repaus, ci se deplasează haotic. Dar este posibil ca electronii să se deplaseze în mod ordonat într-o anumită direcție. Această mișcare direcțională a particulelor încărcate se numește curent electric.
Cuprins
Cum se creează un curent electric
Dacă luăm doi conductori și unul dintre ei este încărcat negativ (adăugându-i-se electroni), iar celălalt este încărcat pozitiv (luându-i-se electroni), va apărea un câmp electric. Dacă conectați ambii electrozi cu un conductor, câmpul va face ca electronii să se deplaseze în direcția opusă direcției vectorului de intensitate a câmpului electric, în funcție de direcția vectorului forță electrică. Particulele încărcate negativ se vor deplasa de la electrod, unde sunt în exces, la electrod, unde sunt în deficit.
Nu este necesar să se dea celui de-al doilea electrod o sarcină pozitivă pentru ca mișcarea de electroni să aibă loc. Principalul lucru este că sarcina negativă a primului electrod trebuie să fie mai mare. Este posibil chiar să se încarce negativ ambii conductori, dar unul dintre ei trebuie să aibă o sarcină mai mare decât celălalt. În acest caz, se spune că o diferență de potențial provoacă un curent electric.
Similar cu analogia cu apa - dacă conectați două vase pline cu apă la niveluri diferite, va exista un flux de apă. Capul său va depinde de diferența de nivel.
Este interesant faptul că mișcarea haotică a electronilor sub acțiunea câmpului electric este în general păstrată, dar vectorul de mișcare globală a masei purtătorilor de sarcină devine direcțional. În timp ce componenta "haotică" a mișcării are o viteză de câteva zeci sau chiar sute de kilometri pe secundă, componenta direcțională are o viteză de câțiva milimetri pe minut. Dar impactul (atunci când electronii de-a lungul conductorului intră în mișcare) se propagă cu viteza luminii, deci se spune că un curent electric se mișcă cu viteza de 3*108 m/sec.
În experimentul de mai sus, curentul din conductor va exista pentru o perioadă scurtă de timp, până când conductorul încărcat negativ va rămâne fără excesul de electroni și va echilibra numărul de electroni de la ambii poli. Acest timp este scurt - o fracțiune mică de secundă.
Deplasarea înapoi la electrodul inițial încărcat negativ și crearea unui exces de sarcină pentru purtători este împiedicată de același câmp electric care a deplasat electronii de la minus la plus. Prin urmare, trebuie să existe o forță externă care să acționeze împotriva și să depășească forța câmpului electric. În cazul analogiei cu apa, trebuie să existe o pompă care să pompeze apa înapoi la nivelul superior pentru a crea un flux continuu de apă.
Direcția curentului
Se consideră că direcția curentului este de la plus la minus, adică direcția particulelor încărcate pozitiv este opusă celei a electronilor. Acest lucru se datorează faptului că fenomenul curentului electric a fost descoperit mult mai devreme decât a fost explicată natura sa și s-a crezut că curentul circulă în această direcție. Până la acea vreme, se acumulase o mulțime de articole și alte documente pe această temă și apăruseră concepte, definiții și legi. Pentru a evita revizuirea cantității uriașe de material deja publicat, am luat pur și simplu direcția curentului împotriva fluxului de electroni.
Dacă un curent circulă tot timpul în aceeași direcție (chiar dacă variază în intensitate) se numește curent constant. În cazul în care direcția sa se schimbă, se numește curent alternativ. În aplicații practice, direcția se schimbă în conformitate cu o lege, de exemplu o lege sinusoidală. Dacă direcția fluxului de curent rămâne neschimbată, dar curentul scade periodic la zero și crește până la valoarea sa maximă, este vorba de un curent pulsatoriu (de diferite forme).
Condiții prealabile pentru menținerea curentului electric într-un circuit
Mai sus s-au derivat trei condiții pentru existența curentului electric într-un circuit închis. Acestea trebuie să fie examinate în detaliu.
Transportatori cu taxă gratuită
Prima condiție necesară pentru existența unui curent electric este existența purtătorilor de sarcină liberi. Sarcinile nu există separat de purtătorii lor, așa că trebuie să luăm în considerare particulele care pot purta o sarcină.
În metale și în alte substanțe cu un tip similar de conductivitate (grafit etc.), aceștia sunt electroni liberi. Aceștia interacționează slab cu nucleul și pot părăsi atomul și se pot deplasa relativ liber în interiorul conductorului.
De asemenea, electronii liberi servesc ca purtători de sarcină în semiconductori, dar în unele cazuri vorbim de conductivitatea "găurilor" în această clasă de solide (spre deosebire de cea a "electronilor"). Acest concept este necesar doar pentru a descrie procesele fizice; de fapt, curentul în semiconductori este tot aceeași mișcare a electronilor. Materialele în care electronii nu pot părăsi atomul sunt dielectrici. Nu se generează curent în ele.
În lichide, ionii pozitivi și negativi poartă o sarcină. Aceasta înseamnă lichide, care sunt electroliți. De exemplu, apa în care este dizolvată sarea. Apa în sine este destul de neutră din punct de vedere electric, dar atunci când intră în ea, solidele și lichidele se dizolvă și se disociază (dezintegrează) pentru a forma ioni pozitivi și negativi. Iar în metalele topite (de exemplu, mercurul), aceiași electroni sunt purtătorii de sarcină.
Gazele sunt în principiu dielectrice. Nu există electroni liberi în ele - gazele sunt formate din atomi și molecule neutre. Dar dacă gazul este ionizat, se spune că o a patra stare de agregare a materiei este plasma. Și curentul electric poate curge în el; acesta rezultă din mișcarea direcțională a electronilor și a ionilor.
Curentul poate circula și în vid (acesta este principiul pe care se bazează, de exemplu, tuburile electronice). Acest lucru necesită electroni sau ioni.
Câmpul electric
În ciuda prezenței purtătorilor de sarcină liberi, majoritatea mediilor sunt neutre din punct de vedere electric. Acest lucru se datorează faptului că particulele negative (electroni) și pozitive (protoni) sunt distanțate în mod egal, iar câmpurile lor se anulează reciproc. Pentru ca un câmp să apară, sarcinile trebuie să se concentreze într-o zonă. Dacă electronii sunt concentrați în zona unui electrod (negativ), electrodul opus (pozitiv) va duce lipsă de ei și va apărea un câmp, creând o forță care acționează asupra purtătorilor de sarcină și îi obligă să se deplaseze.
O a treia forță pentru a transfera taxele
Și a treia condiție - trebuie să existe o forță care să transfere sarcinile în direcția opusă direcției câmpului electrostatic, altfel, sarcinile din interiorul sistemului închis vor deveni rapid echilibrate. Această forță externă se numește forță electromotoare. Originea sa poate fi diferită.
De natură electrochimică
În acest caz, CEM rezultă din reacții electrochimice. Reacțiile pot fi ireversibile. Binecunoscuta baterie este un exemplu de celulă galvanică. Când reactivii sunt epuizați, câmpul electromagnetic este redus la zero, iar bateria se "oprește".
În alte cazuri, reacțiile pot fi reversibile. De exemplu, într-o baterie, câmpurile electromagnetice apar, de asemenea, ca urmare a reacțiilor electrochimice. Dar, atunci când acestea sunt finalizate, procesul poate fi reluat - sub influența unui curent electric extern, reacțiile se vor inversa și bateria va fi pregătită să furnizeze din nou curent.
Fotovoltaic în natură
În acest caz, CEM este cauzat de influența radiațiilor vizibile, ultraviolete sau infraroșii asupra proceselor din structurile semiconductoare. Astfel de forțe apar în celulele fotovoltaice ("celule solare"). Lumina determină trecerea unui curent electric într-un circuit extern.
Natura termoelectrică
Dacă luați două conductoare diferite, le lipiți împreună și încălziți joncțiunea, în circuit va apărea o forță electromagnetică datorită diferenței de temperatură dintre joncțiunea fierbinte (joncțiunea conductoarelor) și joncțiunea rece - capetele opuse ale conductoarelor. În acest fel, puteți nu numai să generați curent, ci și să măsurați temperatura prin măsurarea câmpului electromagnetic rezultat.
Natura piezoelectrică
Se produce atunci când anumite solide sunt presate sau deformate. Bricheta electrică funcționează pe acest principiu.
Natura electromagnetică
Cel mai frecvent mod de producere a energiei electrice la nivel industrial este cu ajutorul unui generator de curent continuu sau alternativ. Într-o mașină de curent continuu, o armătură sub forma unui cadru se rotește într-un câmp magnetic, traversând liniile sale de forță. Acest lucru produce o forță electromagnetică care depinde de viteza rotorului și de fluxul magnetic. În practică, se utilizează o armătură formată dintr-un număr mare de bobine, care formează mai multe cadre conectate în serie. CEM-urile rezultate se însumează.
В alternator se utilizează același principiu, dar un magnet (electric sau permanent) se rotește în interiorul unui cadru staționar. Aceleași procese au ca rezultat și un câmp electromagnetic în stator. CEMcare are o formă sinusoidală. Generarea curentului alternativ este aproape întotdeauna utilizată în industrie - este mai ușor de transformat pentru transport și în scopuri practice.
O proprietate interesantă a unui alternator este aceea că este reversibil. Dacă la bornele alternatorului se aplică tensiune de la o sursă externă, rotorul acestuia va începe să se rotească. Aceasta înseamnă că, în funcție de schema de conexiuni, o mașină electrică poate fi fie un generator, fie un motor electric.
Acestea sunt doar conceptele de bază ale fenomenului de curent electric. În realitate, procesele implicate în mișcarea direcțională a electronilor sunt mult mai complexe. Înțelegerea lor ar necesita un studiu mai aprofundat al electrodinamicii.
Articole conexe:
