Jeigu kurioje nors terpėje yra laisvųjų krūvininkų (pavyzdžiui, metale elektronų), tai jie ne ramybės būsenoje, o juda atsitiktinai. Bet jūs galite priversti elektronus judėti tam tikra kryptimi. Šis kryptingas įkrautų dalelių judėjimas vadinamas elektros srove.
Turinys
Kaip susidaro elektros srovė
Jei paimsime du laidininkus, ir vienas iš jų bus įkrautas neigiamai (pridedant prie jo elektronų), o kitas – teigiamai (atima iš jo dalį elektronų), atsiras elektrinis laukas. Jei abu elektrodus sujungsite su laidininku, laukas privers elektronus judėti priešinga elektrinio lauko vektoriaus kryptimi, atsižvelgiant į elektros jėgos vektoriaus kryptį. Neigiamai įkrautos dalelės judės iš elektrodo, kuriame jų yra pertekliaus, į elektrodą, kuriame jų trūksta.
Norint įvykti elektronų judėjimui, nebūtina suteikti teigiamo krūvio antrajam elektrodui. Svarbiausia, kad pirmojo neigiamas krūvis būtų didesnis. Galima net abu laidininkus įkrauti neigiamai, tačiau vieno laidininko krūvis turi būti didesnis už kitą. Šiuo atveju kalbama apie potencialų skirtumą, kuris sukelia elektros srovę.
Analogiškai su vandeniu, jei du vandens pripildytus indus sujungsite į skirtingus lygius, atsiras vandens srovė. Jo slėgis priklausys nuo lygių skirtumo.
Įdomu tai, kad chaotiškas elektronų judėjimas veikiant elektriniam laukui paprastai išsaugomas, tačiau bendras krūvininkų masės judėjimo vektorius įgyja kryptingą pobūdį. Jei „chaotiško“ judėjimo komponento greitis yra kelios dešimtys ar net šimtai kilometrų per sekundę, tai krypties komponentas yra keli milimetrai per minutę. Bet smūgis (kai elektronai juda išilgai laidininko) sklinda šviesos greičiu, todėl jie sako, kad elektros srovė juda 3 * 10 greičiu.8 m/sek.
Aukščiau pateikto eksperimento metu srovė laidininke egzistuos neilgai - kol neigiamai įkrautame laidininke pasibaigs elektronų perteklius ir jų skaičius abiejuose poliuose nebus subalansuotas. Šis laikas mažas – nereikšmingos sekundės dalys.
Grįžtant prie iš pradžių neigiamai įkrauto elektrodo ir sukuriant perteklinį krūvį ant nešėjų, negaunamas toks pats elektrinis laukas, kuris perkėlė elektronus iš minuso į pliusą. Todėl turi egzistuoti išorinė jėga, veikiančia prieš elektrinio lauko stiprumą ir ją pranokstanti.Panašiai kaip vanduo, turi būti siurblys, kuris pumpuoja vandenį atgal į viršutinį lygį, kad būtų sukurtas nuolatinis vandens srautas.
Dabartinė kryptis
Kryptis nuo pliuso iki minuso laikoma srovės kryptimi, tai yra, teigiamai įkrautų dalelių judėjimo kryptis yra priešinga elektronų judėjimui. Taip yra dėl to, kad pats elektros srovės reiškinys buvo atrastas daug anksčiau, nei buvo gautas paaiškinimas apie jo prigimtį, ir buvo manoma, kad srovė eina šia kryptimi. Iki to laiko buvo sukaupta daug straipsnių ir kitos literatūros šia tema, atsirado sąvokų, apibrėžimų, dėsnių. Kad nebūtų peržiūrėta daugybė jau paskelbtos medžiagos, mes tiesiog paėmėme srovės kryptį prieš elektronų srautą.
Jei srovė visą laiką teka viena kryptimi (net ir keičiasi stiprumu), ji vadinama nuolatinė srovė. Jei jo kryptis pasikeičia, mes kalbame apie kintamąją srovę. Praktiškai taikant kryptis keičiasi pagal kokį nors dėsnį, pavyzdžiui, pagal sinusoidinį. Jei srovės tekėjimo kryptis nesikeičia, tačiau ji periodiškai nukrenta iki nulio ir didėja iki didžiausios vertės, tai kalbame apie impulsinę srovę (įvairių formų).
Būtinos sąlygos elektros srovei palaikyti grandinėje
Aukščiau pateiktos trys sąlygos, kad uždaroje grandinėje būtų elektros srovė. Juos reikia apsvarstyti išsamiau.
Nemokami mokesčių nešėjai
Pirmoji būtina elektros srovės egzistavimo sąlyga yra laisvųjų krūvininkų buvimas. Krūviai neegzistuoja atskirai nuo jų nešėjų, todėl reikia atsižvelgti į daleles, kurios gali nešti krūvį.
Metaluose ir kitose medžiagose, turinčiose panašų laidumą (grafite ir kt.), tai yra laisvieji elektronai. Jie silpnai sąveikauja su branduoliu ir gali palikti atomą ir santykinai netrukdomai judėti laidininko viduje.
Laisvieji elektronai taip pat tarnauja kaip krūvininkai puslaidininkiuose, tačiau kai kuriais atvejais jie kalba apie šios klasės kietųjų medžiagų „skylinį“ laidumą (priešingai nei „elektroninis“). Ši sąvoka reikalinga tik fiziniams procesams apibūdinti, tiesą sakant, srovė puslaidininkiuose yra toks pat elektronų judėjimas. Medžiagos, kuriose elektronai negali palikti atomo, yra dielektrikai. Juose nėra srovės.
Skysčiuose teigiami ir neigiami jonai turi krūvį. Tai reiškia skysčius – elektrolitus. Pavyzdžiui, vanduo, kuriame ištirpinta druska. Pats savaime vanduo elektra yra gana neutralus, tačiau patekus į jį kietoms ir skystoms medžiagoms, jos ištirpsta ir disocijuoja (skyla), sudarydamos teigiamus ir neigiamus jonus. O išlydytuose metaluose (pavyzdžiui, gyvsidabrio) krūvininkai yra tie patys elektronai.
Dujos dažniausiai yra dielektrikai. Juose nėra laisvųjų elektronų – dujos susideda iš neutralių atomų ir molekulių. Bet jei dujos yra jonizuotos, jie kalba apie ketvirtąją medžiagos agregacijos būseną - plazmą. Jame gali tekėti ir elektros srovė, ji atsiranda kryptingai judant elektronams ir jonams.
Taip pat srovė gali tekėti vakuume (pavyzdžiui, vakuuminių vamzdžių veikimas grindžiamas šiuo principu). Tam reikės elektronų arba jonų.
Elektrinis laukas
Nepaisant laisvųjų krūvininkų, dauguma laikmenų yra elektriškai neutralios. Tai paaiškinama tuo, kad neigiamos (elektronai) ir teigiamos (protonai) dalelės išsidėsčiusios tolygiai, o jų laukai vienas kitą kompensuoja. Kad laukas atsirastų, krūviai turi būti sutelkti tam tikroje srityje. Jeigu elektronai susikaupė vieno (neigiamo) elektrodo srityje, tai ant priešingo (teigiamo) elektrodo jų pritrūks ir atsiras laukas, kuris sukuria jėgą, veikiančią krūvininkus ir verčiančią juos judėti.
Trečiųjų šalių pajėgos vykdyti kaltinimus
Ir trečia sąlyga – turi būti jėga, kuri neša krūvius priešinga elektrostatinio lauko krypčiai, antraip krūviai uždaros sistemos viduje greitai susibalansuos. Ši pašalinė jėga vadinama elektrovaros jėga. Jo kilmė gali būti skirtinga.
Elektrocheminė prigimtis
Šiuo atveju EML atsiranda dėl elektrocheminių reakcijų. Reakcijos gali būti negrįžtamos. Pavyzdys yra galvaninis elementas – gerai žinoma baterija. Išsekus reagentams, EMF nukrenta iki nulio, o akumuliatorius „atsisėda“.
Kitais atvejais reakcijos gali būti grįžtamos. Taigi akumuliatoriuje EML taip pat atsiranda dėl elektrocheminių reakcijų. Tačiau pasibaigus procesas gali būti atnaujintas - veikiant išorinei elektros srovei, reakcijos vyks atvirkštine tvarka, o baterija vėl bus paruošta duoti srovę.
fotovoltinė gamta
Šiuo atveju EML sukelia matomos, ultravioletinės ar infraraudonosios spinduliuotės poveikis puslaidininkių struktūrose vykstantiems procesams. Tokios jėgos atsiranda fotoelementuose („saulės baterijose“).Veikiant šviesai išorinėje grandinėje susidaro elektros srovė.
termoelektrinė prigimtis
Jei paimsite du skirtingus laidininkus, lituokite juos ir pašildysite sankryžą, tada grandinėje atsiras EML dėl temperatūros skirtumo tarp karštosios jungties (laidų jungties) ir šaltos jungties - priešingų laidų galų. Tokiu būdu galima ne tik generuoti srovę, bet ir išmatuoti temperatūrą matuojant atsirandančią emf.
Pjezoelektrinė prigimtis
Atsiranda, kai tam tikros kietosios medžiagos yra suspaudžiamos arba deformuojamos. Šiuo principu veikia elektrinis žiebtuvėlis.
Elektromagnetinė prigimtis
Labiausiai paplitęs būdas elektros energiją gaminti pramoniniu būdu yra nuolatinės srovės arba kintamosios srovės generatorius. Nuolatinės srovės mašinoje rėmo formos armatūra sukasi magnetiniame lauke, kerta jo jėgos linijas. Tokiu atveju, priklausomai nuo rotoriaus sukimosi greičio ir magnetinio srauto, atsiranda EML. Praktiškai inkaras naudojamas iš daugybės posūkių, sudarydamas daugybę nuosekliai sujungtų rėmų. Juose atsirandantis EML sumuojasi.
AT generatorius galioja tas pats principas, bet fiksuoto rėmo viduje sukasi magnetas (elektrinis arba nuolatinis). Dėl tų pačių procesų statoriuje, EMF, kuris turi sinusoidinę formą. Pramoniniu mastu beveik visada naudojama kintamosios srovės generacija – ją lengviau paversti transportavimui ir praktiniam naudojimui.
Įdomi generatoriaus savybė yra grįžtamumas.Tai susideda iš to, kad jei įtampa generatoriaus gnybtams bus tiekiama iš išorinio šaltinio, jo rotorius pradės suktis. Tai reiškia, kad, priklausomai nuo prijungimo schemos, elektros mašina gali būti generatorius arba elektros variklis.
Tai tik pagrindinės tokio reiškinio kaip elektros srovė sąvokos. Tiesą sakant, procesai, vykstantys nukreipto elektronų judėjimo metu, yra daug sudėtingesni. Norint juos suprasti, reikalingas gilesnis elektrodinamikos tyrimas.
Panašūs straipsniai:
