Què és el corrent elèctric i quines són les condicions de la seva existència
Definició
Un corrent elèctric és el moviment direccional dels operadors de càrrega: aquesta és la formulació estàndard d’un llibre de text de física. Al seu torn, certes partícules d’una substància s’anomenen portadors de càrrega. Poden ser:
- Els electrons són portadors de càrrega negativa.
- Els ions són portadors de càrrega positiva.
Però, d’on provenen els transportistes? Per respondre a aquesta pregunta, heu de recordar els coneixements bàsics sobre l'estructura de la matèria. Tot el que ens envolta és la matèria, està format per molècules, les seves partícules més petites. Les molècules estan formades per àtoms. Un àtom consisteix en un nucli al voltant del qual els electrons es mouen en òrbites donades. Les molècules també es mouen aleatòriament. El moviment i l’estructura de cadascuna d’aquestes partícules depenen de la substància mateixa i de la influència del medi ambient sobre ella, com la temperatura, la tensió, etc.
Un ió és un àtom en què ha canviat la relació d’electrons amb protons. Si l'àtom és inicialment neutre, els ions al seu torn es divideixen en:
- Els anions són l’ió positiu d’un àtom que ha perdut electrons.
- Els cations són un àtom amb electrons "extres" units a l'àtom.
Unitat actual - Amp, segons Ohm's law Es calcula mitjançant la fórmula:
I = U / R,
on U és la tensió, [V], i R és la resistència, [Ohm].
O és directament proporcional a la quantitat de càrrega transferida per unitat de temps:
I = Q / t,
on Q és la càrrega, [C], t és temps, [s]
Condicions per a l’existència de corrent elèctric
Quin és el corrent elèctric que hem descobert, ara parlem de com assegurar el seu flux. Perquè el corrent elèctric flueixi, cal complir dues condicions:
- Presència de portadors de càrrega gratuïta.
- Camp elèctric.
La primera condició per a l’existència i el flux d’electricitat depèn de la substància en què flueix el corrent (o no flueix), així com del seu estat. També es compleix la segona condició: per a l’existència d’un camp elèctric, cal tenir diferents potencials, entre els quals hi hagi un medi en el qual fluiran els portadors.
Recordem:La tensió, EMF és la diferència de potencial. Es dedueix que per complir les condicions per a l’existència de corrent, la presència d’un camp elèctric i d’un corrent elèctric, cal tensió. Es poden tractar de les plaques d’un condensador carregat, una cèl·lula galvànica, un emf sorgit sota la influència d’un camp magnètic (generador).
Com sorgeix, vam esbrinar, parlem cap a on es dirigeix.El corrent, principalment en el nostre ús habitual, es mou en conductors (cablejat elèctric en un apartament, bombetes incandescents) o en semiconductors (LED, processador del telèfon intel·ligent i altres elements electrònics), menys sovint en gasos (làmpades fluorescents).
De manera que, en la majoria dels casos, els principals portadors de càrrega són els electrons, que passen del menys (el punt amb potencial negatiu) al plus (el punt amb potencial positiu, en coneixereu més sobre això a continuació).
Però un fet interessant és que la direcció del corrent va ser el moviment de les càrregues positives, de més a menys. Tot i que de fet, tot succeeix al revés. El fet és que la decisió sobre la direcció del corrent es va prendre abans d’estudiar-ne la naturalesa, així com abans que es determinés a causa del que flueix i existeix el corrent.
Corrent elèctric en diferents entorns
Ja hem esmentat que en diferents ambients el corrent elèctric pot diferir pel tipus de portadors. Els mitjans es poden dividir per la naturalesa de la conductivitat (en disminuir la conductivitat):
- Conductor (metalls).
- Semiconductor (silici, germani, arsènid de galium, etc.).
- Dielèctric (buit, aire, aigua destil·lada).
En metalls
En els metalls hi ha portadors de càrrega gratuïta, de vegades s’anomenen “gas elèctric”. D'on provenen els portadors gratuïts? El fet és que el metall, com qualsevol substància, consisteix en àtoms. Els àtoms, d’una manera o altra, es mouen o oscil·len. Com més alta sigui la temperatura del metall, més fort serà aquest moviment. Al mateix temps, els mateixos àtoms en forma general romanen en els seus llocs, formant en realitat l’estructura metàl·lica.
En les petxines d’electrons d’un àtom, hi sol haver diversos electrons en què l’enllaç amb el nucli és més aviat feble. Sota la influència de les temperatures, les reaccions químiques i la interacció de les impureses, que en qualsevol cas es troben en el metall, els electrons es separen dels seus àtoms, es formen ions carregats positivament. Els electrons separats s’anomenen lliures i es mouen aleatòriament.
Si es veuen afectats per un camp elèctric, per exemple, si connecteu una bateria a un tros de metall, el moviment aleatori d’electrons s’ordenarà. Els electrons a partir del punt en què es connecta el potencial negatiu (per exemple, el càtode d'una cèl·lula galvànica) començaran a moure's fins al punt amb un potencial positiu.
En semiconductors
Els semiconductors són materials en els quals en estat normal no hi ha portadors de càrrega gratuïta. Es troben a l’anomenada zona prohibida. Però si s’apliquen forces externes, com un camp elèctric, la calor, diverses radiacions (llum, radiació, etc.), superen la zona prohibida i passen a la zona lliure o zona de conducció. Els electrons es separen dels seus àtoms i es lliuren i formen ions portadors de càrrega positiva.
Els portadors positius en semiconductors s’anomenen forats.
Si simplement transferiu energia a un semiconductor, per exemple, escalfeu-lo, començarà el moviment caòtic dels portadors de càrrega. Però si parlem d’elements de semiconductor, com un díode o un transistor, aleshores als extrems oposats del cristall (es diposita una capa metalitzada a sobre i es solden les conclusions), sorgirà un EMF, però això no s’aplica al tema de l’article d’avui.
Si connecteu la font emf al semiconductor, els portadors de càrrega també entraran a la banda de conducció i començarà el seu moviment direccional: els forats aniran cap al costat amb un potencial elèctric inferior, i els electrons - cap al costat amb un de més gran.
En buit i gas
El buit és un medi amb una absència total de gasos (cas ideal) o la seva quantitat minimitzada (en realitat). Com que no hi ha cap substància al buit, no hi ha cap lloc d'on fer-se càrrec dels transportistes. No obstant això, el flux de corrent en un buit va fonamentar l’electrònica i tota una era d’elements electrònics: tubs de buit elèctrics.Es van utilitzar a la primera meitat del segle passat, i als anys 50 van començar a donar pas als transistors (depenent del camp específic de l'electrònica).
Suposem que tenim un vaixell des del qual es bomba tot el gas, és a dir. té un buit complet. Es col·loquen dos elèctrodes al vas, els anomenem ànode i càtode. Si connectem el potencial negatiu de la font emf amb el càtode i el potencial positiu amb l’ànode, no passarà res i el corrent no fluirà. Però si comencem a escalfar el càtode, la corrent començarà a fluir. Aquest procés s’anomena emissió termionària: l’emissió d’electrons des d’una superfície escalfada d’un electró.
La figura mostra el procés del flux de corrent en una làmpada al buit. Als tubs de buit, el càtode s’escalfa mitjançant un filament proper a l’arròs (H), com per exemple en una bombeta.
A més, si canvieu la polaritat de la font d’alimentació, apliqueu un minus a l’ànode i apliqueu un plus al càtode, la corrent no fluirà. Això demostrarà que el corrent en el buit flueix a causa del moviment d’electrons des del CATHODE cap a l’ANODE.
Un gas, com qualsevol substància, consisteix en molècules i àtoms, cosa que significa que si el gas està sota la influència d’un camp elèctric, aleshores a una determinada força (tensió d’ionització) els electrons es separen de l’àtom, aleshores es satisfan les dues condicions del flux de corrent elèctric: el camp i mitjans de comunicació gratuïts
Com ja s’ha dit, aquest procés s’anomena ionització. Pot produir-se no només a partir del voltatge aplicat, sinó també durant l'escalfament de gas, la radiació de raigs X, sota la influència de la radiació ultraviolada i altres coses.
El corrent fluirà per l’aire encara que s’instal·li un cremador entre els elèctrodes.
El flux de corrent en gasos inerts va acompanyat de lluminiscència de gas, aquest fenomen s’utilitza activament en làmpades fluorescents. El flux de corrent elèctric en un medi gasós s’anomena descàrrega de gas.
En fluid
Suposem que tenim un vas amb aigua en el qual es col·loquen dos elèctrodes al qual està connectada una font d’energia. Si l’aigua és destil·lada, és a dir, pura i no conté impureses, aleshores és un dielèctric. Però si afegim una mica de sal, àcid sulfúric o qualsevol altra substància a l’aigua, es formarà un electròlit i començarà a fluir un corrent.
Un electròlit és una substància que condueix un corrent elèctric a causa de la dissociació en ions.
Si s’afegeix sulfat de coure a l’aigua, una capa de coure s’instal·larà sobre un dels elèctrodes (càtode) –anomenat electròlisi, que demostra que el corrent elèctric del líquid es deu al moviment dels ions- portadors de càrrega positiva i negativa.
L’electròlisi és un procés fisicoquímic que consisteix en la separació de components que formen un electròlit en elèctrodes.
Per tant, el coure, el daurat i el recobriment amb altres metalls.
Conclusió
En resum, per al flux de corrent elèctric necessitem portadors de càrrega gratuïta:
- electrons en conductors (metalls) i buit;
- electrons i forats en semiconductors;
- ions (anions i cations) en líquids i gasos.
Per tal que el moviment d’aquests transportistes s’ordeni, cal un camp elèctric. En paraules simples: apliqueu tensió als extrems del cos o instal·leu dos elèctrodes en un medi on suposadament flueix un corrent elèctric.
També convé assenyalar que el corrent d’una manera determinada afecta la substància, hi ha tres tipus d’exposició:
- tèrmica;
- químic;
- físic.
Finalment, recomanem veure un vídeo útil on s’examinin amb més detall les condicions per a l’existència i el flux de corrent elèctric:
Útil sobre el tema:
Carregant ...
