Jeśli w ośrodku znajdują się swobodne nośniki ładunku (np. elektrony w metalu), to nie są one w spoczynku, lecz poruszają się chaotycznie. Można jednak sprawić, by elektrony poruszały się w uporządkowany sposób w określonym kierunku. Ten kierunkowy ruch naładowanych cząstek nazywamy prądem elektrycznym.
Spis treści
Jak powstaje prąd elektryczny
Jeśli weźmiemy dwa przewodniki i jeden z nich naładujemy ujemnie (dodając do niego elektrony), a drugi dodatnio (odbierając mu część elektronów), to powstanie pole elektryczne. Jeśli połączymy obie elektrody przewodnikiem, to pole sprawi, że elektrony będą poruszać się w kierunku przeciwnym do kierunku wektora natężenia pola elektrycznego, zgodnie z kierunkiem wektora siły elektrycznej. Cząsteczki naładowane ujemnie będą się przemieszczać z elektrody, gdzie jest ich nadmiar, do elektrody, gdzie jest ich niedobór.
Nie jest konieczne nadanie drugiej elektrodzie ładunku dodatniego, aby nastąpił ruch elektronów. Najważniejsze jest to, że ładunek ujemny pierwszej elektrody musi być większy. Możliwe jest nawet ujemne naładowanie obu przewodników, ale jeden z nich musi mieć ładunek większy niż drugi. W tym przypadku mówi się, że różnica potencjałów powoduje powstanie prądu elektrycznego.
Podobnie jak w przypadku analogii do wody - jeśli dwa naczynia wypełnione wodą połączymy na różnych poziomach, nastąpi przepływ wody. Jego głowica będzie zależała od różnicy poziomów.
Interesujące jest to, że chaotyczny ruch elektronów pod działaniem pola elektrycznego jest w zasadzie zachowany, ale ogólny wektor ruchu masy nośników ładunku nabiera charakteru kierunkowego. Podczas gdy "chaotyczna" składowa ruchu ma prędkość kilkudziesięciu lub nawet kilkuset kilometrów na sekundę, składowa kierunkowa ma prędkość kilku milimetrów na minutę. Ale oddziaływanie (gdy elektrony na długości przewodnika są w ruchu) rozchodzi się z prędkością światła, więc mówi się, że prąd elektryczny porusza się z prędkością 3*108 m/sek.
W powyższym doświadczeniu prąd w przewodniku będzie istniał przez krótki czas, dopóki w ujemnie naładowanym przewodniku nie zabraknie nadmiarowych elektronów i nie wyrówna się liczba elektronów na obu biegunach. Czas ten jest krótki - to maleńki ułamek sekundy.
Przemieszczeniu się z powrotem do pierwotnie ujemnie naładowanej elektrody i wytworzeniu nadmiaru ładunku nośników zapobiega to samo pole elektryczne, które przemieściło elektrony z minusa na plus. Dlatego musi istnieć siła zewnętrzna działająca przeciwnie do siły pola elektrycznego i większa od niej. W analogii do wody musi istnieć pompa pompująca wodę z powrotem na górny poziom, aby zapewnić ciągły przepływ wody.
Kierunek prądu
Przyjmuje się, że kierunek prądu jest od plusa do minusa, tzn. kierunek cząstek naładowanych dodatnio jest przeciwny do kierunku elektronów. Wynika to z faktu, że zjawisko prądu elektrycznego zostało odkryte znacznie wcześniej, niż wyjaśniono jego naturę, i wierzono, że prąd płynie w tym kierunku. Do tego czasu powstało już wiele artykułów i innej literatury na ten temat, pojawiły się pojęcia, definicje i przepisy prawne. Aby nie przeglądać ogromnej ilości już opublikowanych materiałów, przyjęliśmy po prostu kierunek prądu przeciwny do przepływu elektronów.
Jeśli prąd płynie w tym samym kierunku przez cały czas (nawet jeśli jego natężenie się zmienia), to nazywamy go prąd stały. Jeśli jego kierunek zmienia się, nazywamy go prądem zmiennym. W praktyce kierunek zmienia się zgodnie z pewnym prawem, np. sinusoidalnym. Jeśli kierunek przepływu prądu pozostaje niezmienny, ale prąd okresowo spada do zera i wzrasta do wartości maksymalnej, mówimy o prądzie impulsowym (o różnym kształcie).
Warunki konieczne do utrzymania prądu elektrycznego w obwodzie
Powyżej przedstawiono trzy warunki istnienia prądu elektrycznego w obwodzie zamkniętym. Należy je szczegółowo przeanalizować.
Nośniki bezpłatne
Pierwszym warunkiem koniecznym do zaistnienia prądu elektrycznego jest istnienie swobodnych nośników ładunku. Ładunki nie istnieją oddzielnie od swoich nośników, dlatego musimy rozważyć cząstki, które mogą przenosić ładunek.
W metalach i innych substancjach o podobnym typie przewodnictwa (grafit itp.) są to elektrony swobodne. Oddziałują one słabo z jądrem, mogą więc opuszczać atom i przemieszczać się stosunkowo swobodnie w obrębie przewodnika.
Również elektrony swobodne służą jako nośniki ładunku w półprzewodnikach, ale w niektórych przypadkach mówimy o przewodnictwie "dziurowym" w tej klasie ciał stałych (w odróżnieniu od "elektronowego"). Pojęcie to jest potrzebne tylko do opisu procesów fizycznych; w rzeczywistości prąd w półprzewodnikach to wciąż ten sam ruch elektronów. Materiały, w których elektrony nie mogą opuścić atomu to dielektryki. Nie jest w nich wytwarzany prąd.
W cieczach jony dodatnie i ujemne mają ładunek elektryczny. Oznacza to płyny, które są elektrolitami. Na przykład woda, w której rozpuszczona jest sól. Woda sama w sobie jest elektrycznie obojętna, ale gdy się do niej dostanie, ciała stałe i ciecze rozpuszczają się i dysocjują (rozpadają), tworząc jony dodatnie i ujemne. A w stopionych metalach (np. rtęci) nośnikami ładunku są te same elektrony.
Gazy są w zasadzie dielektrykami. Nie ma w nich swobodnych elektronów - gazy składają się z neutralnych atomów i cząsteczek. Jeśli jednak gaz jest zjonizowany, mówi się o czwartym stanie skupienia materii - plazmie. Może w nim również płynąć prąd elektryczny, który powstaje w wyniku kierunkowego ruchu elektronów i jonów.
Prąd może płynąć również w próżni (na tej zasadzie działają np. lampy elektronowe). Do tego potrzebne są elektrony lub jony.
Pole elektryczne
Pomimo obecności swobodnych nośników ładunku, większość środowisk jest elektrycznie obojętna. Dzieje się tak dlatego, że cząstki ujemne (elektrony) i dodatnie (protony) są rozmieszczone równomiernie, a ich pola wzajemnie się znoszą. Aby powstało pole, ładunki muszą się skupić w jakimś obszarze. Jeśli elektrony są skupione w obszarze jednej (ujemnej) elektrody, to na przeciwległej (dodatniej) elektrodzie będzie ich brakować i powstanie pole, tworząc siłę, która działa na nośniki ładunku i zmusza je do ruchu.
Trzecia siła do przenoszenia ładunków
I trzeci warunek - musi istnieć siła, która przenosi ładunki w kierunku przeciwnym do kierunku pola elektrostatycznego, w przeciwnym razie ładunki wewnątrz układu zamkniętego szybko się zrównoważą. Ta zewnętrzna siła nazywana jest siłą elektromotoryczną. Jego pochodzenie może być inne.
Charakter elektrochemiczny
W tym przypadku EMF jest wynikiem reakcji elektrochemicznej. Reakcje mogą być nieodwracalne. Przykładem ogniwa galwanicznego jest dobrze znana bateria. Po wyczerpaniu się odczynników pole elektromagnetyczne spada do zera, a akumulator się wyłącza.
W innych przypadkach reakcje mogą być odwracalne. Na przykład w akumulatorze EMF powstaje również w wyniku reakcji elektrochemicznych. Jednak po ich zakończeniu proces można wznowić - pod wpływem zewnętrznego prądu elektrycznego reakcje ulegną odwróceniu i bateria będzie znów gotowa do oddawania prądu.
Fotowoltaika w przyrodzie
W tym przypadku EMF jest spowodowany wpływem promieniowania widzialnego, ultrafioletowego lub podczerwonego na procesy zachodzące w strukturach półprzewodnikowych. Takie siły występują w ogniwach fotowoltaicznych ("ogniwa słoneczne"). Światło powoduje przepływ prądu elektrycznego w obwodzie zewnętrznym.
Charakter termoelektryczny
Jeśli weźmiemy dwa niepodobne do siebie przewodniki, zlutujemy je ze sobą i podgrzejemy złącze, w obwodzie powstanie EMF spowodowany różnicą temperatur między złączem gorącym (złączem przewodników) a złączem zimnym - przeciwległymi końcami przewodników. W ten sposób można nie tylko generować prąd, ale także zmierzyć temperaturę poprzez pomiar powstającego pola elektromagnetycznego.
Charakter piezoelektryczny
Powstaje, gdy pewne ciała stałe są ściskane lub deformowane. Na tej zasadzie działa zapalniczka elektryczna.
Charakter elektromagnetyczny
Najbardziej powszechnym sposobem przemysłowego wytwarzania energii elektrycznej jest generator prądu stałego lub zmiennego. W maszynie prądu stałego armatura w postaci ramy obraca się w polu magnetycznym, przecinając linie sił. Powoduje to powstanie pola elektromagnetycznego (EMF), którego wartość zależy od prędkości obrotowej wirnika i strumienia magnetycznego. W praktyce stosuje się armaturę składającą się z dużej liczby cewek, tworzących wiele ram połączonych szeregowo. Powstałe w ten sposób pola elektromagnetyczne są sumowane.
В alternator wykorzystuje się tę samą zasadę, ale magnes (elektryczny lub stały) obraca się wewnątrz nieruchomej ramy. Te same procesy powodują również powstanie pola elektromagnetycznego w stojanie. EMFktóra ma postać sinusoidalną. Prąd zmienny jest prawie zawsze wykorzystywany w przemyśle - łatwiej jest go przetworzyć na potrzeby transportu i zastosowań praktycznych.
Interesującą właściwością alternatora jest to, że jest on odwracalny. Jeśli do zacisków alternatora zostanie doprowadzone napięcie z zewnętrznego źródła, jego wirnik zacznie się obracać. Oznacza to, że w zależności od schematu połączeń maszyna elektryczna może być generatorem lub silnikiem elektrycznym.
Są to tylko podstawowe pojęcia dotyczące zjawiska prądu elektrycznego. W rzeczywistości procesy związane z kierunkowym ruchem elektronów są o wiele bardziej złożone. Zrozumienie ich wymagałoby głębszej analizy elektrodynamiki.
Powiązane artykuły:
