Jos missä tahansa väliaineessa on vapaita varauksenkantajia (esimerkiksi elektroneja metallissa), ne eivät ole levossa, vaan liikkuvat satunnaisesti. Mutta voit saada elektronit liikkumaan järjestyksessä tiettyyn suuntaan. Tätä varautuneiden hiukkasten suunnattua liikettä kutsutaan sähkövirraksi.
Sisältö
Kuinka sähkövirta syntyy
Jos otamme kaksi johdinta, joista toinen on varautunut negatiivisesti (lisäämällä siihen elektroneja) ja toinen positiivisesti (ottaen siitä pois osan elektroneista), syntyy sähkökenttä. Jos yhdistät molemmat elektrodit johtimella, kenttä pakottaa elektronit liikkumaan sähkökenttävektorin vastakkaiseen suuntaan sähkövoimavektorin suunnan mukaisesti. Negatiivisesti varautuneet hiukkaset siirtyvät elektrodista, jossa niitä on liikaa, elektrodille, jossa ne ovat puutteellisia.
Elektroniliikkeen esiintymiseksi ei ole tarpeen antaa positiivista varausta toiselle elektrodille. Tärkeintä on, että ensimmäisen negatiivinen varaus on suurempi. Molempia johtimia voidaan jopa ladata negatiivisesti, mutta toisella johtimella on oltava suurempi varaus kuin toisella. Tässä tapauksessa puhutaan potentiaalierosta, joka aiheuttaa sähkövirran.
Analogisesti veden kanssa, jos yhdistät kaksi vedellä täytettyä astiaa eri tasoille, vesivirta ilmestyy. Sen paine riippuu tasojen eroista.
On mielenkiintoista, että elektronien kaoottinen liike sähkökentän vaikutuksesta yleensä säilyy, mutta varauksenkuljettajien massan yleinen liikevektori saa suunnatun luonteen. Jos liikkeen "kaoottisen" komponentin nopeus on useita kymmeniä tai jopa satoja kilometrejä sekunnissa, niin suuntakomponentti on useita millimetrejä minuutissa. Mutta isku (kun elektronit liikkuvat johtimen pituudella) etenee valon nopeudella, joten he sanovat, että sähkövirta liikkuu nopeudella 3 * 108 m/s.
Yllä olevan kokeen puitteissa virtaa johtimessa ei ole pitkään - kunnes ylimääräiset elektronit negatiivisesti varautuneesta johtimesta loppuvat ja niiden lukumäärä molemmissa navoissa ei ole tasapainossa. Tämä aika on pieni - merkityksettömiä sekunnin murto-osia.
Paluu alun perin negatiivisesti varautuneeseen elektrodiin ja ylimääräisen varauksen luominen kantoaaltoille ei anna samaa sähkökenttää, joka siirsi elektronit miinuksesta plussaan. Siksi on oltava ulkoinen voima, joka vaikuttaa sähkökentän voimakkuutta vastaan ja ylittää sen.Veden tapaan täytyy olla pumppu, joka pumppaa vettä takaisin ylemmälle tasolle jatkuvan vesivirtauksen luomiseksi.
Nykyinen suunta
Suunta plussasta miinukseen otetaan virran suunnaksi, eli positiivisesti varautuneiden hiukkasten liikesuunta on päinvastainen kuin elektronien liike. Tämä johtuu siitä, että itse sähkövirran ilmiö löydettiin paljon aikaisemmin kuin sen luonteen selitys saatiin, ja uskottiin, että virta kulkee tähän suuntaan. Siihen mennessä tästä aiheesta oli kertynyt suuri määrä artikkeleita ja muuta kirjallisuutta, käsitteitä, määritelmiä ja lakeja ilmestyi. Jotta emme tarkistaisi valtavaa määrää jo julkaistua materiaalia, otimme yksinkertaisesti virran suunnan elektronien virtausta vastaan.
Jos virta kulkee koko ajan yhteen suuntaan (jopa voimakkuudeltaan muuttuu), sitä kutsutaan tasavirta. Jos sen suunta muuttuu, puhumme vaihtovirrasta. Käytännössä suunta muuttuu jonkin lain mukaan, esimerkiksi sinimuotoisen. Jos virran suunta pysyy muuttumattomana, mutta se laskee ajoittain nollaan ja kasvaa maksimiarvoon, puhumme pulssivirrasta (erimuotoisesta).
Välttämättömät olosuhteet sähkövirran ylläpitämiseksi piirissä
Edellä on johdettu kolme ehtoa sähkövirran olemassaololle suljetussa piirissä. Niitä on harkittava tarkemmin.
Ilmaiset maksunvälittäjät
Ensimmäinen välttämätön edellytys sähkövirran olemassaololle on vapaiden varauskantajien läsnäolo. Varaukset eivät ole erillään kantajistaan, joten on otettava huomioon hiukkaset, jotka voivat kantaa varausta.
Metalleissa ja muissa aineissa, joilla on samanlainen johtavuus (grafiitti jne.), nämä ovat vapaita elektroneja. Ne ovat heikosti vuorovaikutuksessa ytimen kanssa ja voivat poistua atomista ja liikkua suhteellisen esteettömästi johtimen sisällä.
Vapaat elektronit toimivat myös varauksenkuljettajina puolijohteissa, mutta joissain tapauksissa ne puhuvat tämän kiintoaineluokan "reikäjohtavuudesta" (toisin kuin "elektronisesta"). Tätä käsitettä tarvitaan vain fysikaalisten prosessien kuvaamiseen, itse asiassa puolijohteiden virta on sama elektronien liike. Materiaalit, joissa elektronit eivät voi poistua atomista, ovat dielektrikot. Niissä ei ole virtaa.
Nesteissä positiiviset ja negatiiviset ionit kantavat varausta. Tämä viittaa nesteisiin - elektrolyytteihin. Esimerkiksi vesi, johon suola on liuennut. Vesi itsessään on sähköisesti melko neutraalia, mutta kun kiinteitä ja nestemäisiä aineita tulee siihen, ne liukenevat ja hajoavat (hajoavat) muodostaen positiivisia ja negatiivisia ioneja. Ja sulaissa metalleissa (esimerkiksi elohopeassa) varauksen kantajat ovat samat elektronit.
Kaasut ovat enimmäkseen dielektrisiä aineita. Niissä ei ole vapaita elektroneja - kaasut koostuvat neutraaleista atomeista ja molekyyleistä. Mutta jos kaasu on ionisoitu, he puhuvat aineen neljännestä aggregaatiotilasta - plasmasta. Siinä voi virrata myös sähkövirtaa, se tapahtuu elektronien ja ionien suunnatun liikkeen aikana.
Myös virta voi virrata tyhjiössä (esim. tyhjiöputkien toiminta perustuu tähän periaatteeseen). Tämä vaatii elektroneja tai ioneja.
Sähkökenttä
Huolimatta vapaista varauksenkantajista, useimmat mediat ovat sähköisesti neutraaleja. Tämä selittyy sillä, että negatiiviset (elektronit) ja positiiviset (protonit) hiukkaset sijaitsevat tasaisesti ja niiden kentät kompensoivat toisiaan. Jotta kenttä syntyisi, panokset on keskitettävä jollekin alueelle. Jos elektroneja on kertynyt yhden (negatiivisen) elektrodin alueelle, niistä tulee pulaa vastakkaisella (positiivisella) elektrodilla ja syntyy kenttä, joka luo voiman, joka vaikuttaa varauksenkuljettajiin ja pakottaa ne liikkumaan.
Kolmannen osapuolen pakottaa kantamaan syytteitä
Ja kolmas ehto - täytyy olla voima, joka kuljettaa varauksia sähköstaattisen kentän suunnan vastaiseen suuntaan, muuten suljetun järjestelmän sisällä olevat varaukset tasapainottavat nopeasti. Tätä ulkopuolista voimaa kutsutaan sähkömoottorivoimaksi. Sen alkuperä voi olla erilainen.
Sähkökemiallinen luonne
Tässä tapauksessa EMF syntyy sähkökemiallisten reaktioiden esiintymisen seurauksena. Reaktiot voivat olla peruuttamattomia. Esimerkki on galvaaninen kenno - hyvin tunnettu akku. Kun reagenssit ovat loppuneet, EMF laskee nollaan ja akku "istuu alas".
Muissa tapauksissa reaktiot voivat olla palautuvia. Joten akussa EMF esiintyy myös sähkökemiallisten reaktioiden seurauksena. Mutta valmistumisen jälkeen prosessia voidaan jatkaa - ulkoisen sähkövirran vaikutuksesta reaktiot tapahtuvat päinvastaisessa järjestyksessä, ja akku on jälleen valmis antamaan virtaa.
aurinkosähköinen luonto
Tässä tapauksessa EMF johtuu näkyvän, ultravioletti- tai infrapunasäteilyn vaikutuksesta puolijohderakenteiden prosesseihin. Tällaisia voimia syntyy valokennoissa ("aurinkoparistoissa").Valon vaikutuksesta ulkoiseen piiriin syntyy sähkövirtaa.
lämpösähköinen luonne
Jos otat kaksi erilaista johdinta, juotat ne ja lämmität liitoskohtaa, piiriin ilmestyy EMF kuuman liitoksen (johtimien risteyksen) ja kylmän liitoksen - johtimien vastakkaisten päiden - välisen lämpötilaeron vuoksi. Tällä tavalla on mahdollista paitsi tuottaa virtaa myös mitata lämpötila mittaamalla esiin tuleva emf.
Pietsosähköinen luonne
Tapahtuu, kun tietyt kiinteät aineet puristuvat tai vääntyvät. Sähkösytytin toimii tällä periaatteella.
Sähkömagneettinen luonne
Yleisin tapa tuottaa sähköä teollisesti on DC- tai AC-generaattori. Tasavirtakoneessa kehyksen muotoinen ankkuri pyörii magneettikentässä ylittäen sen voimalinjat. Tässä tapauksessa syntyy EMF, riippuen roottorin pyörimisnopeudesta ja magneettivuosta. Käytännössä ankkuria käytetään useista kierroksista, jolloin muodostuu useita sarjaan kytkettyjä kehyksiä. Niissä syntyvät EMF:t summautuvat.
AT vaihtovirtageneraattori Sama periaate pätee, mutta magneetti (sähköinen tai kesto) pyörii kiinteän rungon sisällä. Staattorissa tapahtuvien samojen prosessien seurauksena EMF, jolla on sinimuotoinen muoto. Teollisessa mittakaavassa AC-tuotantoa käytetään lähes aina - se on helpompi muuntaa kuljetusta ja käytännön käyttöä varten.
Generaattorin mielenkiintoinen ominaisuus on palautuvuus.Se koostuu siitä, että jos generaattorin liittimiin syötetään jännite ulkoisesta lähteestä, sen roottori alkaa pyöriä. Tämä tarkoittaa, että kytkentäkaaviosta riippuen sähkökone voi olla joko generaattori tai sähkömoottori.
Nämä ovat vain peruskäsitteitä sellaisesta ilmiöstä kuin sähkövirta. Itse asiassa elektronien suunnatun liikkeen aikana tapahtuvat prosessit ovat paljon monimutkaisempia. Niiden ymmärtämiseksi tarvitaan syvempää sähködynamiikan tutkimusta.
Samanlaisia artikkeleita:
