O que é corrente elétrica e quais são as condições de sua existência
Definição
Uma corrente elétrica é o movimento direcional de portadores de carga - esta é a formulação padrão de um livro de física. Por sua vez, certas partículas de uma substância são chamadas de portadores de carga. Eles podem ser:
- Os elétrons são portadores de carga negativa.
- Os íons são portadores de carga positiva.
Mas de onde vêm as operadoras de cobrança? Para responder a essa pergunta, é necessário recuperar o conhecimento básico sobre a estrutura da matéria. Tudo o que nos cerca é matéria, consiste em moléculas, suas menores partículas. As moléculas são compostas de átomos. Um átomo consiste em um núcleo em torno do qual os elétrons se movem em determinadas órbitas. As moléculas também se movem aleatoriamente. O movimento e a estrutura de cada uma dessas partículas dependem da própria substância e da influência do ambiente, como temperatura, voltagem etc.
Um íon é um átomo no qual a proporção de elétrons para prótons mudou. Se o átomo é inicialmente neutro, então os íons são divididos em:
- Os ânions são os íons positivos de um átomo que perdeu elétrons.
- Os cátions são um átomo com elétrons "extras" ligados ao átomo.
Unidade atual - Amp, de acordo com Lei de Ohm É calculado pela fórmula:
I = U / R,
onde U é a tensão, [V], e R é a resistência, [Ohm].
Ou é diretamente proporcional à quantidade de carga transferida por unidade de tempo:
I = Q / t
onde Q é a carga, [C], t é o tempo, [s].
Condições para a existência de corrente elétrica
Qual é a corrente elétrica, descobrimos, agora vamos falar sobre como garantir seu fluxo. Para que a corrente elétrica flua, duas condições devem ser atendidas:
- A presença de transportadoras gratuitas.
- Campo elétrico.
A primeira condição para a existência e o fluxo de eletricidade depende da substância em que a corrente flui (ou não flui), bem como de seu estado. A segunda condição também é cumprida: para a existência de um campo elétrico, é necessária a presença de diferentes potenciais, entre os quais existe um meio no qual os portadores de carga fluirão.
Lembre-se:Tensão, EMF é a diferença de potencial. Daqui resulta que, para atender às condições de existência de corrente - a presença de um campo elétrico e uma corrente elétrica, é necessária tensão. Podem ser placas de um capacitor carregado, uma célula galvânica, uma fem que surgiu sob a influência de um campo magnético (gerador).
Como surge, descobrimos, vamos falar sobre para onde é direcionado.A corrente, principalmente em nosso uso habitual, se move em condutores (fiação elétrica em um apartamento, lâmpadas incandescentes) ou em semicondutores (LEDs, processador do smartphone e outros eletrônicos), com menos frequência em gases (lâmpadas fluorescentes).
Portanto, na maioria dos casos, os principais portadores de carga são elétrons, eles se movem do sinal de menos (o ponto com potencial negativo) para o mais (o ponto com potencial positivo, você aprenderá mais sobre isso abaixo).
Mas um fato interessante é que a direção da corrente foi tomada como o movimento de cargas positivas - de mais para menos. Embora, de fato, tudo aconteça ao contrário. O fato é que a decisão sobre a direção da corrente foi tomada antes de estudar sua natureza, bem como antes de ser determinada devido ao que a corrente flui e existe.
Corrente elétrica em diferentes ambientes
Já mencionamos que em diferentes ambientes a corrente elétrica pode diferir no tipo de portadores de carga. A mídia pode ser dividida pela natureza da condutividade (na diminuição da condutividade):
- Condutor (metais).
- Semicondutor (silício, germânio, arseneto de gálio, etc.).
- Dielétrico (vácuo, ar, água destilada).
Em metais
Nos metais, existem transportadoras de carga gratuitas, às vezes chamadas de "gás elétrico". De onde vêm as operadoras de cobrança gratuita? O fato é que o metal, como qualquer substância, consiste em átomos. Átomos, de um jeito ou de outro, se movem ou oscilam. Quanto mais alta a temperatura do metal, mais forte é esse movimento. Ao mesmo tempo, os átomos em geral permanecem em seus lugares, formando a estrutura metálica.
Nas camadas de elétrons de um átomo, geralmente existem vários elétrons nos quais a conexão com o núcleo é bastante fraca. Sob a influência de temperaturas, reações químicas e interação de impurezas, que de qualquer forma estão no metal, os elétrons se separam de seus átomos, formando íons carregados positivamente. Os elétrons destacados são chamados livres e se movem aleatoriamente.
Se eles são afetados por um campo elétrico, por exemplo, se você conectar uma bateria a um pedaço de metal, o movimento aleatório dos elétrons será ordenado. Os elétrons a partir do ponto em que o potencial negativo está conectado (o cátodo de uma célula galvânica, por exemplo) começarão a se mover para o ponto com um potencial positivo.
Em semicondutores
Semicondutores são materiais nos quais, no estado normal, não existem portadores de carga gratuitos. Eles estão na chamada zona proibida. Porém, se forças externas, como um campo elétrico, calor e várias radiações (luz, radiação etc.) forem aplicadas, elas superam a zona proibida e passam para a zona livre ou zona de condução. Os elétrons se separam de seus átomos e ficam livres, formando íons - portadores de carga positiva.
Portadores positivos em semicondutores são chamados de buracos.
Se você simplesmente transferir energia para um semicondutor, por exemplo, aquecê-lo, o movimento caótico de portadores de carga começará. Mas se estamos falando de elementos semicondutores, como um diodo ou um transistor, nas extremidades opostas do cristal (uma camada metalizada é depositada sobre eles e as conclusões são soldadas), uma EMF surgirá, mas isso não se aplica ao tópico do artigo de hoje.
Se você conectar a fonte fem ao semicondutor, os portadores de carga também entrarão na banda de condução, e seu movimento direcional começará - os orifícios vão para o lado com menor potencial elétrico e os elétrons - para o lado com um maior.
No vácuo e gás
O vácuo é um meio com uma ausência completa (caso ideal) de gases ou sua quantidade minimizada (na realidade). Como não há substância no vácuo, não há para onde transportar cargas. No entanto, o fluxo de corrente no vácuo lançou as bases para a eletrônica e toda uma era de elementos eletrônicos - tubos de vácuo elétricos.Eles foram usados na primeira metade do século passado e, nos anos 50, começaram a ceder gradualmente aos transistores (dependendo do campo específico da eletrônica).
Suponha que tenhamos uma embarcação da qual todo o gás é bombeado, ou seja, tem um vácuo completo. Dois eletrodos são colocados no vaso, vamos chamá-los de ânodo e cátodo. Se conectarmos o potencial negativo da fonte fem ao catodo e o potencial positivo ao ânodo, nada acontecerá e a corrente não fluirá. Mas se começarmos a aquecer o cátodo, a corrente começará a fluir. Esse processo é chamado de emissão termiônica - a emissão de elétrons a partir da superfície aquecida de um elétron.
A figura mostra o processo do fluxo de corrente em uma lâmpada de vácuo. Nos tubos de vácuo, o cátodo é aquecido por um filamento próximo no arroz (H), como em uma lâmpada.
Além disso, se você alterar a polaridade da fonte de alimentação - aplique um sinal de menos ao ânodo e aplique um sinal de adição ao cátodo - a corrente não fluirá. Isso provará que a corrente no vácuo flui devido ao movimento de elétrons do CATHODE para o ANODE.
Um gás, como qualquer substância, consiste em moléculas e átomos, o que significa que, se o gás estiver sob a influência de um campo elétrico, a uma certa força (tensão de ionização) os elétrons se separam do átomo, então as duas condições para o fluxo de corrente elétrica são satisfeitas - o campo e mídia livre.
Como já mencionado, esse processo é chamado de ionização. Pode ocorrer não apenas pela tensão aplicada, mas também durante o aquecimento de gás, radiação de raios-x, sob a influência da radiação ultravioleta e outras coisas.
A corrente fluirá pelo ar mesmo que um queimador esteja instalado entre os eletrodos.
O fluxo de corrente nos gases inertes é acompanhado pela luminescência dos gases, esse fenômeno é usado ativamente em lâmpadas fluorescentes. O fluxo de corrente elétrica em um meio gasoso é chamado de descarga de gás.
Em fluido
Suponha que tenhamos um vaso com água na qual dois eletrodos são colocados, aos quais uma fonte de energia está conectada. Se a água é destilada, ou seja, pura e não contém impurezas, é um dielétrico. Mas se adicionarmos um pouco de sal, ácido sulfúrico ou qualquer outra substância à água, um eletrólito se formará e uma corrente começará a fluir através dele.
Um eletrólito é uma substância que conduz uma corrente elétrica devido à dissociação em íons.
Se o sulfato de cobre for adicionado à água, uma camada de cobre se depositará em um dos eletrodos (cátodo) - isso é chamado de eletrólise, o que prova que a corrente elétrica no líquido se deve ao movimento de íons - portadores de carga positiva e negativa.
A eletrólise é um processo físico-químico que envolve a separação de componentes que compõem um eletrólito nos eletrodos.
Assim, chapeamento de cobre, douração e revestimento com outros metais.
Conclusão
Resumindo, para o fluxo de corrente elétrica, precisamos de portadores de carga gratuitos:
- elétrons em condutores (metais) e vácuo;
- elétrons e orifícios em semicondutores;
- íons (ânions e cátions) em líquidos e gases.
Para que o movimento dessas transportadoras seja ordenado, é necessário um campo elétrico. Em palavras simples - aplique tensão nas extremidades do corpo ou instale dois eletrodos em um meio onde uma corrente elétrica deve fluir.
Também é importante notar que a corrente de certa maneira afeta a substância, existem três tipos de exposição:
- térmica;
- produto químico;
- físico.
No final, recomendamos assistir a um vídeo útil no qual as condições para a existência e o fluxo de corrente elétrica são examinadas em mais detalhes:
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