Wat is elektrische stroom en wat zijn de voorwaarden van zijn bestaan
Definitie
Een elektrische stroom is de directionele beweging van ladingsdragers - dit is de standaardformulering uit een natuurkundeboek. Bepaalde deeltjes van een stof worden op hun beurt ladingsdragers genoemd. Dit kunnen zijn:
- Elektronen zijn negatieve ladingsdragers.
- Ionen zijn positieve ladingsdragers.
Maar waar komen ladingdragers vandaan? Om deze vraag te beantwoorden, moet je basiskennis terugroepen over de structuur van materie. Alles wat ons omringt is materie, het bestaat uit moleculen, de kleinste deeltjes. Moleculen bestaan uit atomen. Een atoom bestaat uit een kern waarrond elektronen bewegen in bepaalde banen. Moleculen bewegen ook willekeurig. De beweging en structuur van elk van deze deeltjes hangt af van de stof zelf en de invloed van de omgeving erop, zoals temperatuur, spanning, enzovoort.
Een ion is een atoom waarin de verhouding van elektronen tot protonen is veranderd. Als het atoom aanvankelijk neutraal is, worden de ionen op hun beurt onderverdeeld in:
- Anionen zijn het positieve ion van een atoom dat elektronen heeft verloren.
- Kationen zijn een atoom met "extra" elektronen aan het atoom.
Huidige eenheid - Ampère volgens Ohm's wet Het wordt berekend met de formule:
Ik = U / R,
waar U de spanning is, [V], en R de weerstand is, [Ohm].
Of is recht evenredig met het bedrag dat per tijdseenheid wordt overgedragen:
Ik = Q / t,
waar Q de lading is, [C], t is tijd, [s].
Voorwaarden voor het bestaan van elektrische stroom
Wat is de elektrische stroom, dachten we, laten we het nu hebben over hoe we de stroom kunnen garanderen. Om elektrische stroom te laten stromen, moet aan twee voorwaarden worden voldaan:
- De aanwezigheid van gratis dragers.
- Elektrisch veld.
De eerste voorwaarde voor het bestaan en de stroom van elektriciteit hangt af van de stof waarin de stroom stroomt (of niet stroomt), evenals de staat ervan. Ook aan de tweede voorwaarde is voldaan: voor het bestaan van een elektrisch veld is de aanwezigheid van verschillende potentialen noodzakelijk, waartussen zich een medium bevindt waarin ladingsdragers zullen stromen.
Terugroepen:Voltage, EMF is het potentiaalverschil. Hieruit volgt dat om te voldoen aan de voorwaarden voor het bestaan van stroom - de aanwezigheid van een elektrisch veld en een elektrische stroom, spanning nodig is. Dit kunnen de platen zijn van een geladen condensator, een galvanische cel, een emf die ontstaat onder invloed van een magnetisch veld (generator).
Hoe het ontstaat, dachten we, laten we het hebben over waar het op gericht is.De stroom beweegt zich voornamelijk in ons gebruikelijke gebruik in geleiders (elektrische bedrading in een appartement, gloeilampen) of in halfgeleiders (LED's, de processor van uw smartphone en andere elektronica), minder vaak in gassen (fluorescentielampen).
Dus in de meeste gevallen zijn de belangrijkste ladingsdragers elektronen, ze gaan van de min (het punt met negatieve potentiaal) naar de plus (het punt met positieve potentiaal, daarover lees je hieronder meer).
Maar een interessant feit is dat de richting van de stroom werd genomen als de beweging van positieve ladingen - van plus naar min. Hoewel in feite alles andersom gebeurt. Het feit is dat de beslissing over de richting van de stroom werd genomen voordat de aard ervan werd bestudeerd, en voordat deze werd bepaald vanwege wat de stroom stroomt en bestaat.
Elektrische stroom in verschillende omgevingen
We hebben al vermeld dat in verschillende omgevingen de elektrische stroom kan verschillen in het type ladingsdragers. Media kunnen worden gedeeld door de aard van geleidbaarheid (in afnemende geleidbaarheid):
- Dirigent (metalen).
- Halfgeleider (silicium, germanium, galiumarsenide, enz.).
- Diëlektrisch (vacuüm, lucht, gedestilleerd water).
In metalen
In metalen zijn er gratis ladingsdragers, deze worden soms "elektrisch gas" genoemd. Waar komen gratis dragers vandaan? Het feit is dat metaal, zoals elke stof, uit atomen bestaat. Atomen bewegen of oscilleren op de een of andere manier. Hoe hoger de temperatuur van het metaal, hoe sterker deze beweging. Tegelijkertijd blijven de atomen zelf in algemene vorm op hun plaats en vormen ze feitelijk de metalen structuur.
In de elektronenschillen van een atoom zitten meestal meerdere elektronen waarin de binding met de kern vrij zwak is. Onder invloed van temperaturen, chemische reacties en de interactie van onzuiverheden, die zich in ieder geval in het metaal bevinden, breken de elektronen van hun atomen af, worden positief geladen ionen gevormd. De losgemaakte elektronen worden vrij genoemd en bewegen willekeurig.
Als ze worden beïnvloed door een elektrisch veld, bijvoorbeeld als u een batterij op een stuk metaal aansluit, wordt de willekeurige beweging van elektronen geordend. Elektronen vanaf het punt waarop de negatieve potentiaal is verbonden (bijvoorbeeld de kathode van een galvanische cel) zullen naar het punt met een positieve potentiaal gaan bewegen.
In halfgeleiders
Halfgeleiders zijn materialen waarin er in de normale staat geen gratis dragers zijn. Ze bevinden zich in de zogenaamde verboden zone. Maar als externe krachten, zoals een elektrisch veld, warmte, verschillende straling (licht, straling, etc.) worden uitgeoefend, overwinnen ze de verboden zone en gaan ze over in de vrije zone of geleidingszone. Elektronen breken los van hun atomen en worden vrij en vormen ionen - positieve ladingsdragers.
Positieve dragers in halfgeleiders worden gaten genoemd.
Als je simpelweg energie overdraagt aan een halfgeleider, bijvoorbeeld om het te verwarmen, begint de chaotische beweging van ladingdragers. Maar als we het hebben over halfgeleiderelementen, zoals een diode of een transistor, dan zal er aan de andere uiteinden van het kristal (ze zijn bedekt met een gemetalliseerde laag en de terminals zijn gesoldeerd) een EMF ontstaan, maar dit is niet van toepassing op het onderwerp van het artikel van vandaag.
Als u de emf-bron op de halfgeleider aansluit, gaan de ladingsdragers ook in de geleidingsband en begint hun richtingsbeweging - de gaten gaan naar de zijkant met een lager elektrisch potentieel en de elektronen - naar de zijkant met een grotere.
In vacuüm en gas
Vacuüm is een medium met een volledige (ideale situatie) afwezigheid van gassen of de hoeveelheid ervan geminimaliseerd (in werkelijkheid). Omdat er geen stof in een vacuüm zit, kunnen ladingsdragers nergens worden meegenomen. De stroom van stroom in een vacuüm legde echter de basis voor elektronica en een heel tijdperk van elektronische elementen - elektrische vacuümbuizen.Ze werden in de eerste helft van de vorige eeuw gebruikt en in de jaren 50 begonnen ze geleidelijk plaats te maken voor transistors (afhankelijk van het specifieke veld van de elektronica).
Stel dat we een vat hebben waaruit al het gas wordt weggepompt, d.w.z. het heeft een volledig vacuüm. Twee elektroden worden in het vat geplaatst, laten we ze de anode en kathode noemen. Als we het negatieve potentieel van de emf-bron verbinden met de kathode en het positieve potentieel met de anode, zal er niets gebeuren en zal de stroom niet stromen. Maar als we de kathode gaan verwarmen, begint de stroom te stromen. Dit proces heet thermionische emissie - de emissie van elektronen van een verwarmd oppervlak van een elektron.
De afbeelding toont het stroomproces in een vacuümlamp. In vacuümbuizen wordt de kathode verwarmd door een nabijgelegen filament in rijst (H), zoals in een gloeilamp.
Bovendien, als je de polariteit van de voeding verandert - breng een min aan op de anode en breng een plus aan op de kathode - de stroom zal niet stromen. Dit zal bewijzen dat de stroom in vacuüm stroomt door de beweging van elektronen van de CATHODE naar de ANODE.
Een gas bestaat, net als elke stof, uit moleculen en atomen, wat betekent dat als het gas onder invloed is van een elektrisch veld, de elektronen bij een bepaalde sterkte (ionisatiespanning) wegbreken van het atoom, dan is voldaan aan beide voorwaarden voor de stroom van elektrische stroom - het veld en gratis media.
Zoals eerder vermeld, wordt dit proces ionisatie genoemd. Het kan niet alleen optreden door de aangelegde spanning, maar ook tijdens gasverwarming, röntgenstraling, onder invloed van ultraviolette straling en andere dingen.
Er zal stroom door de lucht stromen, zelfs als er een brander tussen de elektroden is geïnstalleerd.
De stroom van inerte gassen gaat gepaard met gasluminescentie, dit fenomeen wordt actief gebruikt in fluorescentielampen. De stroom van elektrische stroom in een gasvormig medium wordt een gasontlading genoemd.
In vloeistof
Stel dat we een vat met water hebben waarin twee elektroden zijn geplaatst, waarop een stroombron is aangesloten. Als het water wordt gedestilleerd, dat wil zeggen puur en geen onzuiverheden bevat, dan is het een diëlektricum. Maar als we een beetje zout, zwavelzuur of een andere stof aan het water toevoegen, vormt zich een elektrolyt en begint er stroom door te stromen.
Een elektrolyt is een stof die door dissociatie in ionen een elektrische stroom geleidt.
Als kopersulfaat aan het water wordt toegevoegd, zal er een koperlaag op een van de elektroden (kathode) terechtkomen - dit wordt elektrolyse genoemd, wat bewijst dat de elektrische stroom in de vloeistof te wijten is aan de beweging van ionen - positieve en negatieve ladingsdragers.
Elektrolyse is een fysicochemisch proces waarbij componenten worden gescheiden die een elektrolyt vormen op elektroden.
Dus koperen beplating, vergulden en coaten met andere metalen.
Conclusie
Samenvattend, voor de stroom van elektrische stroom hebben we gratis ladingsdragers nodig:
- elektronen in geleiders (metalen) en vacuüm;
- elektronen en gaten in halfgeleiders;
- ionen (anionen en kationen) in vloeistoffen en gassen.
Om de beweging van deze dragers geordend te maken, is een elektrisch veld nodig. In eenvoudige woorden: breng spanning aan op de uiteinden van het lichaam of installeer twee elektroden in een medium waar een elektrische stroom zou moeten stromen.
Het is ook vermeldenswaard dat de stroom op een bepaalde manier de stof beïnvloedt, er zijn drie soorten blootstelling:
- thermisch;
- chemisch;
- fysiek.
Uiteindelijk raden we aan om een nuttige video te bekijken waarin de voorwaarden voor het bestaan en de stroom van elektrische stroom in meer detail worden onderzocht:
Handig over het onderwerp:
Bezig met laden ...
