Ak sú v akomkoľvek médiu voľné nosiče náboja (napríklad elektróny v kove), potom nie sú v pokoji, ale pohybujú sa náhodne. Ale môžete prinútiť elektróny pohybovať sa usporiadaným spôsobom v danom smere. Tento usmernený pohyb nabitých častíc sa nazýva elektrický prúd.
Obsah
Ako vzniká elektrický prúd
Ak vezmeme dva vodiče a jeden z nich sa nabije záporne (pridáva k nemu elektróny) a druhý kladne (odoberie mu časť elektrónov), vznikne elektrické pole. Ak spojíte obe elektródy vodičom, pole prinúti elektróny pohybovať sa v opačnom smere ako je vektor elektrického poľa, v súlade so smerom vektora elektrickej sily. Záporne nabité častice sa budú pohybovať z elektródy, kde je ich prebytok, k elektróde, kde je ich nedostatok.
Pre výskyt pohybu elektrónov nie je potrebné dodať druhej elektróde kladný náboj. Hlavná vec je, že negatívny náboj prvého je vyšší. Dokonca je možné nabiť oba vodiče záporne, ale jeden vodič musí mať náboj väčší ako druhý. V tomto prípade sa hovorí o potenciálnom rozdiele, ktorý spôsobuje elektrický prúd.
Analogicky s vodou, ak spojíte dve nádoby naplnené vodou do rôznych úrovní, objaví sa prúd vody. Jeho tlak bude závisieť od rozdielu hladín.
Je zaujímavé, že chaotický pohyb elektrónov pri pôsobení elektrického poľa je vo všeobecnosti zachovaný, ale všeobecný vektor pohybu hmoty nosičov náboja nadobúda usmernený charakter. Ak má „chaotická“ zložka pohybu rýchlosť niekoľko desiatok alebo dokonca stoviek kilometrov za sekundu, potom je smerová zložka niekoľko milimetrov za minútu. Ale náraz (keď sa elektróny pohybujú po dĺžke vodiča) sa šíri rýchlosťou svetla, takže hovoria, že elektrický prúd sa pohybuje rýchlosťou 3 * 108 m/s.
V rámci vyššie uvedeného experimentu nebude prúd vo vodiči existovať dlho - kým sa nevyčerpajú prebytočné elektróny v záporne nabitom vodiči a ich počet na oboch póloch nebude vyrovnaný. Tento čas je malý - bezvýznamné zlomky sekundy.
Návrat k pôvodne záporne nabitej elektróde a vytvorenie nadmerného náboja na nosičoch nedáva rovnaké elektrické pole, ktoré presunulo elektróny z mínusu do plusu. Preto musí existovať vonkajšia sila pôsobiaca proti sile elektrického poľa a prevyšujúca ju.Podobne ako pri vode, aj tu musí byť čerpadlo, ktoré pumpuje vodu späť do hornej úrovne, aby vytvorilo nepretržitý tok vody.
Aktuálny smer
Smer od plus k mínusu sa berie ako smer prúdu, to znamená, že smer pohybu kladne nabitých častíc je opačný ako smer pohybu elektrónov. Je to spôsobené tým, že samotný fenomén elektrického prúdu bol objavený oveľa skôr, ako bolo prijaté vysvetlenie jeho povahy, a verilo sa, že prúd ide týmto smerom. Do tej doby sa nahromadilo veľké množstvo článkov a inej literatúry na túto tému, objavili sa pojmy, definície a zákony. Aby sme nerevidovali obrovské množstvo už publikovaného materiálu, jednoducho sme nabrali smer prúdu proti toku elektrónov.
Ak prúd tečie stále jedným smerom (aj so zmenou sily), ide o tzv priamy prúd. Ak sa zmení jeho smer, potom hovoríme o striedavom prúde. V praktickej aplikácii sa smer mení podľa nejakého zákona, napríklad podľa sínusového. Ak smer toku prúdu zostáva nezmenený, ale periodicky klesá na nulu a zvyšuje sa na maximálnu hodnotu, potom hovoríme o impulznom prúde (rôznych tvarov).
Nevyhnutné podmienky na udržanie elektrického prúdu v obvode
Vyššie sú odvodené tri podmienky pre existenciu elektrického prúdu v uzavretom okruhu. Je potrebné ich zvážiť podrobnejšie.
Bezplatné nosiče nábojov
Prvou nevyhnutnou podmienkou existencie elektrického prúdu je prítomnosť voľných nosičov náboja. Náboje neexistujú oddelene od svojich nosičov, preto je potrebné počítať s časticami, ktoré môžu niesť náboj.
V kovoch a iných látkach s podobným typom vodivosti (grafit a pod.) ide o voľné elektróny. Slabo interagujú s jadrom a môžu opustiť atóm a pohybovať sa relatívne bez prekážok vo vnútri vodiča.
Voľné elektróny slúžia aj ako nosiče náboja v polovodičoch, ale v niektorých prípadoch hovoria o „dierovej“ vodivosti tejto triedy pevných látok (na rozdiel od „elektronických“). Tento koncept je potrebný iba na opísanie fyzikálnych procesov, v skutočnosti je prúd v polovodičoch rovnaký pohyb elektrónov. Materiály, v ktorých elektróny nemôžu opustiť atóm, sú dielektriká. Nie je v nich prúd.
V kvapalinách nesú náboj kladné a záporné ióny. To sa týka kvapalín - elektrolytov. Napríklad voda, v ktorej je rozpustená soľ. Voda sama o sebe je elektricky pomerne neutrálna, ale keď do nej vstúpia pevné a kvapalné látky, rozpustia sa a disociujú (rozkladajú sa) za vzniku kladných a záporných iónov. A v roztavených kovoch (napríklad v ortuti) sú nosičmi náboja rovnaké elektróny.
Plyny sú väčšinou dielektriká. Nenachádzajú sa v nich žiadne voľné elektróny – plyny pozostávajú z neutrálnych atómov a molekúl. Ale ak je plyn ionizovaný, hovoria o štvrtom stave agregácie hmoty - plazme. Môže v nej tiecť aj elektrický prúd, vzniká pri usmernenom pohybe elektrónov a iónov.
Vo vákuu môže prúdiť aj prúd (na tomto princípe je založené pôsobenie napr. vákuových trubíc). To bude vyžadovať elektróny alebo ióny.
Elektrické pole
Napriek prítomnosti voľných nosičov náboja je väčšina médií elektricky neutrálna. Vysvetľuje to skutočnosť, že negatívne (elektróny) a pozitívne (protóny) častice sú umiestnené rovnomerne a ich polia sa navzájom kompenzujú. Aby pole vzniklo, musia byť náboje sústredené v nejakej oblasti. Ak sa elektróny nahromadili v oblasti jednej (zápornej) elektródy, tak na opačnej (kladnej) elektróde ich bude nedostatok a vznikne pole, ktoré vytvorí silu pôsobiacu na nosiče náboja a núti ich k pohybu.
Tretia strana núti niesť poplatky
A tretia podmienka - musí existovať sila, ktorá prenáša náboje v smere opačnom ako je smer elektrostatického poľa, inak sa náboje vo vnútri uzavretého systému rýchlo vyrovnajú. Táto vonkajšia sila sa nazýva elektromotorická sila. Jeho pôvod môže byť rôzny.
Elektrochemická povaha
V tomto prípade EMF vzniká v dôsledku výskytu elektrochemických reakcií. Reakcie môžu byť nezvratné. Príkladom je galvanický článok – známa batéria. Po vyčerpaní činidiel EMF klesne na nulu a batéria si „sadne“.
V iných prípadoch môžu byť reakcie reverzibilné. Takže v batérii sa EMF vyskytuje aj v dôsledku elektrochemických reakcií. Po dokončení je však možné proces obnoviť - pod vplyvom vonkajšieho elektrického prúdu sa reakcie uskutočnia v opačnom poradí a batéria bude opäť pripravená poskytnúť prúd.
fotovoltický charakter
V tomto prípade je EMF spôsobené pôsobením viditeľného, ultrafialového alebo infračerveného žiarenia na procesy v polovodičových štruktúrach. Takéto sily vznikajú vo fotobunkách („solárne batérie“).Pôsobením svetla vzniká vo vonkajšom obvode elektrický prúd.
termoelektrický charakter
Ak vezmete dva rozdielne vodiče, prispájkujete ich a spoj zahrejete, potom sa v obvode objaví EMF v dôsledku teplotného rozdielu medzi horúcim spojom (spojenie vodičov) a studeným spojom - opačnými koncami vodičov. Týmto spôsobom je možné nielen generovať prúd, ale aj merať teplotu meraním vznikajúceho emf.
Piezoelektrický charakter
Vyskytuje sa, keď sú určité pevné látky stlačené alebo deformované. Na tomto princípe funguje elektrický zapaľovač.
Elektromagnetická povaha
Najbežnejším spôsobom priemyselnej výroby elektriny je generátor jednosmerného alebo striedavého prúdu. V stroji s jednosmerným prúdom sa kotva v tvare rámu otáča v magnetickom poli a križuje jeho siločiary. V tomto prípade vzniká EMF v závislosti od rýchlosti otáčania rotora a magnetického toku. V praxi sa kotva používa z veľkého počtu závitov, ktoré tvoria množstvo sériovo zapojených rámov. EMP vznikajúce v nich sa sčítavajú.
AT alternátor platí rovnaký princíp, ale vo vnútri pevného rámu sa otáča magnet (elektrický alebo permanentný). V dôsledku rovnakých procesov v statore, EMF, ktorý má sínusový tvar. V priemyselnom meradle sa takmer vždy používa AC generácia - je jednoduchšie ju previesť na prepravu a praktické využitie.
Zaujímavou vlastnosťou generátora je reverzibilita.Spočíva v tom, že ak je na svorky generátora privedené napätie z externého zdroja, jeho rotor sa začne otáčať. To znamená, že v závislosti od schémy zapojenia môže byť elektrický stroj buď generátor alebo elektromotor.
Toto sú len základné pojmy takého javu, akým je elektrický prúd. V skutočnosti sú procesy, ktoré sa vyskytujú pri riadenom pohybe elektrónov, oveľa komplikovanejšie. Na ich pochopenie je potrebné hlbšie štúdium elektrodynamiky.
Podobné články:
