Ako u bilo kojem mediju postoje slobodni nosači naboja (na primjer, elektroni u metalu), onda oni ne miruju, već se kreću nasumično. Ali možete natjerati da se elektroni kreću na uredan način u danom smjeru. Ovo usmjereno kretanje nabijenih čestica naziva se električna struja.
Sadržaj
Kako nastaje električna struja
Ako uzmemo dva vodiča, a jedan od njih je negativno nabijen (dodajući mu elektrone), a drugi pozitivno (oduzimajući mu dio elektrona), nastat će električno polje. Spojite li obje elektrode s vodičem, polje će natjerati elektrone da se kreću u suprotnom smjeru od vektora električnog polja, u skladu sa smjerom vektora električne sile. Negativno nabijene čestice će se kretati od elektrode gdje su u suvišku do elektrode gdje im nedostaje.
Za pojavu kretanja elektrona nije potrebno drugoj elektrodi dati pozitivan naboj. Glavna stvar je da je negativni naboj prvog veći. Moguće je čak i negativno nabiti oba vodiča, ali jedan vodič mora imati veći naboj od drugog. U ovom slučaju se govori o razlici potencijala koja uzrokuje električnu struju.
Po analogiji s vodom, spojite li dvije posude napunjene vodom na različite razine, pojavit će se mlaz vode. Njegov tlak ovisit će o razlici u razinama.
Zanimljivo je da je kaotično gibanje elektrona pod djelovanjem električnog polja općenito očuvano, ali opći vektor gibanja mase nositelja naboja dobiva usmjereni karakter. Ako "kaotična" komponenta gibanja ima brzinu od nekoliko desetaka ili čak stotina kilometara u sekundi, tada je usmjerena komponenta nekoliko milimetara u minuti. Ali udar (kada se elektroni kreću po duljini vodiča) širi se brzinom svjetlosti, pa kažu da se električna struja kreće brzinom od 3 * 108 m/sek.
U okviru gornjeg eksperimenta, struja u vodiču neće dugo postojati - sve dok ne ponestane suvišnih elektrona u negativno nabijenom vodiču, a njihov broj na oba pola nije uravnotežen. Ovo vrijeme je malo - beznačajni djelići sekunde.
Vraćanje na početno negativno nabijenu elektrodu i stvaranje viška naboja na nosačima ne daje isto električno polje koje je pomaknulo elektrone s minusa na plus. Stoga mora postojati vanjska sila koja djeluje protiv jakosti električnog polja i koja je nadmašuje.Slično vodi, mora postojati pumpa koja pumpa vodu natrag na gornju razinu kako bi se stvorio kontinuirani protok vode.
Smjer struje
Za smjer struje uzima se smjer od plusa do minusa, odnosno smjer kretanja pozitivno nabijenih čestica suprotan je kretanju elektrona. To je zbog činjenice da je sam fenomen električne struje otkriven mnogo prije nego što je dobiveno objašnjenje njegove prirode, te se vjerovalo da struja ide u tom smjeru. Do tada se nakupio veliki broj članaka i druge literature na ovu temu, pojavili su se pojmovi, definicije i zakoni. Kako ne bismo revidirali ogromnu količinu već objavljenog materijala, jednostavno smo uzeli smjer struje u odnosu na protok elektrona.
Ako struja teče cijelo vrijeme u jednom smjeru (čak i mijenja snagu), zove se istosmjerna struja. Ako se njegov smjer promijeni, onda govorimo o izmjeničnoj struji. U praktičnoj primjeni, smjer se mijenja prema nekom zakonu, na primjer, prema sinusoidnom. Ako smjer toka struje ostane nepromijenjen, ali povremeno pada na nulu i povećava se na maksimalnu vrijednost, tada govorimo o impulsnoj struji (različitih oblika).
Nužni uvjeti za održavanje električne struje u strujnom krugu
Gore su izvedena tri uvjeta za postojanje električne struje u zatvorenom krugu. Treba ih detaljnije razmotriti.
Besplatni nosači punjenja
Prvi nužni uvjet za postojanje električne struje je prisutnost slobodnih nositelja naboja. Naboji ne postoje odvojeno od svojih nositelja, pa je potrebno razmotriti čestice koje mogu nositi naboj.
U metalima i drugim tvarima slične vodljivosti (grafit i sl.) to su slobodni elektroni. Oni slabo djeluju s jezgrom, a mogu napustiti atom i relativno nesmetano se kretati unutar vodiča.
Slobodni elektroni također služe kao nosioci naboja u poluvodičima, ali u nekim slučajevima govore o vodljivosti "rupa" ove klase čvrstih tijela (za razliku od "elektronske"). Ovaj koncept je potreban samo za opisivanje fizikalnih procesa, u stvari, struja u poluvodičima je isto kretanje elektrona. Materijali u kojima elektroni ne mogu napustiti atom su dielektrika. U njima nema struje.
U tekućinama pozitivni i negativni ioni nose naboj. To se odnosi na tekućine – elektrolite. Na primjer, voda u kojoj je otopljena sol. Sama po sebi, voda je električni prilično neutralna, ali kada u nju uđu čvrste i tekuće tvari, one se otapaju i disociraju (razgrađuju) stvarajući pozitivne i negativne ione. A u rastaljenim metalima (na primjer, u živi), nositelji naboja su isti elektroni.
Plinovi su uglavnom dielektrici. U njima nema slobodnih elektrona – plinovi se sastoje od neutralnih atoma i molekula. Ali ako je plin ioniziran, govore o četvrtom agregacijskom stanju tvari – plazmi. U njemu može teći i električna struja, nastaje tijekom usmjerenog kretanja elektrona i iona.
Također, struja može teći u vakuumu (na tom principu temelji se djelovanje npr. vakuumskih cijevi). To će zahtijevati elektrone ili ione.
Električno polje
Unatoč prisutnosti besplatnih nosača naboja, većina medija je električno neutralna. To se objašnjava činjenicom da su negativne (elektroni) i pozitivne (protoni) čestice ravnomjerno smještene, a njihova polja međusobno kompenziraju. Da bi nastalo polje, naboji moraju biti koncentrirani u nekom području. Ako su se elektroni nakupili u području jedne (negativne) elektrode, tada će ih nedostajati na suprotnoj (pozitivnoj) elektrodi i nastat će polje koje stvara silu koja djeluje na nositelje naboja i tjera ih na kretanje.
Sila treće strane za podnošenje optužbi
I treći uvjet – mora postojati sila koja nosi naboje u smjeru suprotnom od smjera elektrostatičkog polja, inače će se naboji unutar zatvorenog sustava brzo uravnotežiti. Ova strana sila naziva se elektromotorna sila. Njegovo podrijetlo može biti različito.
Elektrokemijska priroda
U ovom slučaju, EMF nastaje kao rezultat pojave elektrokemijskih reakcija. Reakcije mogu biti nepovratne. Primjer je galvanska ćelija – dobro poznata baterija. Nakon što su reagensi iscrpljeni, EMF pada na nulu, a baterija "sjeda".
U drugim slučajevima, reakcije mogu biti reverzibilne. Dakle, u bateriji EMF također nastaje kao rezultat elektrokemijskih reakcija. Ali nakon završetka, proces se može nastaviti - pod utjecajem vanjske električne struje, reakcije će se odvijati obrnutim redoslijedom, a baterija će ponovno biti spremna dati struju.
fotonaponske prirode
U ovom slučaju, EMF nastaje djelovanjem vidljivog, ultraljubičastog ili infracrvenog zračenja na procese u poluvodičkim strukturama. Takve sile nastaju u fotoćelijama ("solarnim baterijama").Pod djelovanjem svjetlosti u vanjskom krugu nastaje električna struja.
termoelektrična priroda
Ako uzmete dva različita vodiča, zalemite ih i zagrijete spoj, tada će se EMF pojaviti u krugu zbog temperaturne razlike između vrućeg spoja (spoj vodiča) i hladnog spoja - suprotnih krajeva vodiča. Na taj način moguće je ne samo generirati struju, već i izmjeriti temperaturu mjerenjem emf u nastajanju.
Piezoelektrična priroda
Javlja se kada su određene čvrste tvari komprimirane ili deformirane. Na ovom principu radi električni upaljač.
Elektromagnetska priroda
Najčešći način industrijske proizvodnje električne energije je DC ili AC generator. U istosmjernom stroju, armatura u obliku okvira rotira se u magnetskom polju, križajući svoje linije sile. U tom slučaju nastaje EMF, ovisno o brzini rotacije rotora i magnetskom toku. U praksi se sidro koristi iz velikog broja zavoja, tvoreći mnoštvo serijski spojenih okvira. EMF koji nastaje u njima se zbraja.
NA alternator vrijedi isti princip, ali magnet (električni ili stalni) rotira unutar fiksnog okvira. Kao rezultat istih procesa u statoru, EMF, koji ima sinusni oblik. U industrijskim razmjerima, AC generiranje se gotovo uvijek koristi - lakše ga je pretvoriti za transport i praktičnu upotrebu.
Zanimljivo svojstvo generatora je reverzibilnost.Sastoji se u činjenici da ako se napon na terminale generatora dovede iz vanjskog izvora, njegov će se rotor početi okretati. To znači da, ovisno o shemi povezivanja, električni stroj može biti ili generator ili elektromotor.
Ovo su samo osnovni koncepti takvog fenomena kao što je električna struja. Zapravo, procesi koji se događaju tijekom usmjerenog kretanja elektrona mnogo su kompliciraniji. Za njihovo razumijevanje potrebno je dublje proučavanje elektrodinamike.
Slični članci:
