Pokud jsou v jakémkoli médiu volné nosiče náboje (například elektrony v kovu), pak nejsou v klidu, ale pohybují se náhodně. Ale můžete přimět elektrony, aby se pohybovaly uspořádaným způsobem daným směrem. Tento řízený pohyb nabitých částic se nazývá elektrický proud.
Obsah
Jak vzniká elektrický proud
Vezmeme-li dva vodiče a jeden z nich je nabitý záporně (přidává k němu elektrony) a druhý kladně (odebere mu část elektronů), vznikne elektrické pole. Pokud spojíte obě elektrody vodičem, pole přinutí elektrony k pohybu v opačném směru, než je vektor elektrického pole, v souladu se směrem vektoru elektrické síly. Záporně nabité částice se budou pohybovat z elektrody, kde je jich přebytek, k elektrodě, kde je jich nedostatek.
Pro výskyt pohybu elektronů není nutné udělovat kladný náboj druhé elektrodě. Hlavní věc je, že negativní náboj prvního je vyšší. Je dokonce možné nabíjet oba vodiče záporně, ale jeden vodič musí mít náboj větší než druhý. V tomto případě se mluví o potenciálovém rozdílu, který způsobuje elektrický proud.
Analogicky s vodou, pokud spojíte dvě nádoby naplněné vodou do různých úrovní, objeví se proud vody. Jeho tlak bude záviset na rozdílu hladin.
Je zajímavé, že chaotický pohyb elektronů při působení elektrického pole je obecně zachován, ale obecný vektor pohybu hmoty nosičů náboje získává usměrněný charakter. Pokud má „chaotická“ složka pohybu rychlost několik desítek nebo dokonce stovek kilometrů za sekundu, pak je směrová složka několik milimetrů za minutu. Ale dopad (když se elektrony pohybují po délce vodiče) se šíří rychlostí světla, takže říkají, že elektrický proud se pohybuje rychlostí 3 * 108 m/sec.
V rámci výše uvedeného experimentu nebude proud ve vodiči existovat dlouho - dokud nedojdou přebytečné elektrony v záporně nabitém vodiči a jejich počet na obou pólech nebude vyrovnaný. Tento čas je malý - bezvýznamné zlomky sekundy.
Návrat k původně záporně nabité elektrodě a vytvoření přebytečného náboje na nosičích nedává stejné elektrické pole, které přesunulo elektrony z minusu do plusu. Proto musí existovat vnější síla působící proti síle elektrického pole a převyšující ji.Podobně jako u vody musí existovat čerpadlo, které pumpuje vodu zpět do horní úrovně, aby vytvořilo nepřetržitý tok vody.
Aktuální směr
Směr od plus do mínus se bere jako směr proudu, to znamená, že směr pohybu kladně nabitých částic je opačný než směr pohybu elektronů. To je způsobeno skutečností, že samotný fenomén elektrického proudu byl objeven mnohem dříve, než bylo přijato vysvětlení jeho povahy, a věřilo se, že proud jde tímto směrem. Do té doby se nashromáždilo velké množství článků a další literatury na toto téma, objevily se pojmy, definice a zákony. Abychom nerevidovali obrovské množství již publikovaného materiálu, jednoduše jsme nabrali směr proudu proti toku elektronů.
Pokud proud teče stále jedním směrem (i měnící se v síle), je tzv stejnosměrný proud. Pokud se změní jeho směr, pak mluvíme o střídavém proudu. V praktické aplikaci se směr mění podle nějakého zákona, například podle sinusového. Pokud směr toku proudu zůstává nezměněn, ale periodicky klesá k nule a narůstá na maximální hodnotu, pak mluvíme o pulzním proudu (různých tvarů).
Nezbytné podmínky pro udržení elektrického proudu v obvodu
Výše jsou odvozeny tři podmínky pro existenci elektrického proudu v uzavřeném obvodu. Je třeba je zvážit podrobněji.
Bezplatné nosiče poplatků
První nutnou podmínkou pro existenci elektrického proudu je přítomnost volných nosičů náboje. Náboje neexistují odděleně od svých nosičů, proto je nutné uvažovat s částicemi, které mohou nést náboj.
V kovech a dalších látkách s podobným typem vodivosti (grafit apod.) se jedná o volné elektrony. Slabě interagují s jádrem a mohou opustit atom a pohybovat se relativně bez překážek uvnitř vodiče.
Volné elektrony také slouží jako nosiče náboje v polovodičích, ale v některých případech hovoří o „děrové“ vodivosti této třídy pevných látek (na rozdíl od „elektronických“). Tento koncept je potřebný pouze k popisu fyzikálních procesů, ve skutečnosti je proud v polovodičích stejný pohyb elektronů. Materiály, ve kterých elektrony nemohou opustit atom, jsou dielektrika. Není v nich proud.
V kapalinách nesou náboj kladné a záporné ionty. To se týká kapalin - elektrolytů. Například voda, ve které je rozpuštěná sůl. Voda sama o sobě je elektricky docela neutrální, ale když do ní vstoupí pevné a kapalné látky, rozpouštějí se a disociují (rozkládají se) za vzniku kladných a záporných iontů. A v roztavených kovech (například ve rtuti) jsou nosiče náboje stejné elektrony.
Plyny jsou většinou dielektrika. Nejsou v nich žádné volné elektrony – plyny se skládají z neutrálních atomů a molekul. Pokud je ale plyn ionizovaný, mluví se o čtvrtém stavu agregace hmoty – plazmě. Může v něm protékat i elektrický proud, dochází k němu při usměrněném pohybu elektronů a iontů.
Také ve vakuu může protékat proud (na tomto principu je založeno působení např. elektronek). To bude vyžadovat elektrony nebo ionty.
Elektrické pole
Navzdory přítomnosti volných nosičů náboje je většina médií elektricky neutrální. To se vysvětluje skutečností, že negativní (elektrony) a pozitivní (protony) částice jsou umístěny rovnoměrně a jejich pole se navzájem kompenzují. Aby pole vzniklo, musí být náboje soustředěny v nějaké oblasti. Pokud se elektrony nahromadily v oblasti jedné (záporné) elektrody, pak jich bude na opačné (kladné) elektrodě nedostatek a vznikne pole, které vytvoří sílu působící na nosiče náboje a nutí je k pohybu.
Síla třetí strany nést obvinění
A třetí podmínka - musí existovat síla, která přenáší náboje v opačném směru, než je směr elektrostatického pole, jinak se náboje uvnitř uzavřeného systému rychle vyrovnají. Tato vnější síla se nazývá elektromotorická síla. Jeho původ může být různý.
Elektrochemická povaha
V tomto případě EMF vzniká v důsledku výskytu elektrochemických reakcí. Reakce mohou být nevratné. Příkladem je galvanický článek – známá baterie. Po vyčerpání činidel EMF klesne na nulu a baterie si „sedne“.
V jiných případech mohou být reakce reverzibilní. Takže v baterii se EMF vyskytuje také jako výsledek elektrochemických reakcí. Ale po dokončení lze proces obnovit - pod vlivem vnějšího elektrického proudu budou reakce probíhat v opačném pořadí a baterie bude opět připravena dávat proud.
fotovoltaické povahy
V tomto případě je EMF způsobena působením viditelného, ultrafialového nebo infračerveného záření na procesy v polovodičových strukturách. Takové síly vznikají ve fotočláncích („solární baterie“).Působením světla vzniká ve vnějším obvodu elektrický proud.
termoelektrické povahy
Pokud vezmete dva různé vodiče, připájete je a zahřejete přechod, pak se v obvodu objeví EMF kvůli rozdílu teplot mezi horkým spojem (spojení vodičů) a studeným spojem - opačnými konci vodičů. Tímto způsobem je možné nejen generovat proud, ale také změřte teplotu měřením vznikajícího emf.
Piezoelektrická povaha
Vyskytuje se, když jsou určitá tělesa stlačena nebo deformována. Na tomto principu funguje elektrický zapalovač.
Elektromagnetická povaha
Nejběžnějším způsobem průmyslové výroby elektřiny je stejnosměrný nebo střídavý generátor. Ve stejnosměrném stroji se kotva ve tvaru rámu otáčí v magnetickém poli a křižuje jeho siločáry. V tomto případě vzniká EMF v závislosti na rychlosti otáčení rotoru a magnetickém toku. V praxi se používá kotva z velkého počtu závitů, které tvoří množství sériově zapojených rámů. EMP vznikající v nich se sčítají.
V alternátor platí stejný princip, ale uvnitř pevného rámu se otáčí magnet (elektrický nebo permanentní). V důsledku stejných procesů ve statoru EMF, který má sinusový tvar. V průmyslovém měřítku se generace střídavého proudu používá téměř vždy - je snazší ji přeměnit pro přepravu a praktické použití.
Zajímavou vlastností generátoru je reverzibilita.Spočívá v tom, že pokud je na svorky generátoru přivedeno napětí z externího zdroje, jeho rotor se začne otáčet. To znamená, že v závislosti na schématu zapojení může být elektrický stroj buď generátor nebo elektromotor.
To jsou jen základní pojmy takového jevu, jako je elektrický proud. Ve skutečnosti jsou procesy, ke kterým dochází při řízeném pohybu elektronů, mnohem složitější. K jejich pochopení je zapotřebí hlubší studium elektrodynamiky.
Podobné články:
