Ако във всяка среда има свободни носители на заряд (например електрони в метал), тогава те не са в покой, а се движат произволно. Но можете да накарате електроните да се движат по подреден начин в дадена посока. Това насочено движение на заредени частици се нарича електрически ток.
Съдържание
Как се генерира електрически ток
Ако вземем два проводника и единият от тях е зареден отрицателно (добавяйки електрони към него), а другият е зареден положително (отнемайки част от електроните от него), ще се появи електрическо поле. Ако свържете двата електрода с проводник, полето ще принуди електроните да се движат в посока, обратна на вектора на електрическото поле, в съответствие с посоката на вектора на електрическата сила. Отрицателно заредените частици ще се движат от електрода, където са в излишък, към електрода, където са в дефицит.
За възникване на движение на електрони не е необходимо да се придава положителен заряд на втория електрод. Основното е, че отрицателният заряд на първия е по-висок. Възможно е дори и двата проводника да се зареждат отрицателно, но единият проводник трябва да има по-голям заряд от другия. В този случай се говори за потенциална разлика, която причинява електрически ток.
По аналогия с водата, ако свържете два съда, пълни с вода, на различни нива, ще се появи поток от вода. Неговото налягане ще зависи от разликата в нивата.
Интересно е, че хаотичното движение на електроните под действието на електрическо поле като цяло се запазва, но общият вектор на движение на масата на носителите на заряд придобива насочен характер. Ако "хаотичният" компонент на движението има скорост от няколко десетки или дори стотици километри в секунда, тогава насоченият компонент е няколко милиметра в минута. Но ударът (когато електроните се движат по дължината на проводника) се разпространява със скоростта на светлината, така че казват, че електрическият ток се движи със скорост 3 * 108 м/сек.
В рамките на горния експеримент токът в проводника няма да съществува дълго - докато излишните електрони в отрицателно заредения проводник не изтекат и броят им на двата полюса не бъде балансиран. Това време е малко - незначителни части от секундата.
Връщането към първоначално отрицателно заредения електрод и създаването на излишен заряд върху носителите не дава същото електрическо поле, което е преместило електроните от минус към плюс. Следователно трябва да има външна сила, която действа срещу силата на електрическото поле и го превъзхожда.Подобно на водата, трябва да има помпа, която изпомпва водата обратно до горното ниво, за да създаде непрекъснат поток от вода.
Текуща посока
Посоката от плюс към минус се приема като посока на тока, тоест посоката на движение на положително заредените частици е противоположна на движението на електроните. Това се дължи на факта, че самият феномен на електрическия ток е бил открит много по-рано, отколкото е получено обяснение за неговата природа и се е смятало, че токът върви в тази посока. По това време се натрупаха голям брой статии и друга литература по тази тема, появиха се понятия, определения и закони. За да не ревизираме огромно количество вече публикуван материал, ние просто взехме посоката на тока срещу потока на електроните.
Ако токът тече през цялото време в една посока (дори променя силата си), той се нарича постоянен ток. Ако посоката му се промени, тогава говорим за променлив ток. В практическо приложение посоката се променя според някакъв закон, например според синусоидален. Ако посоката на тока остава непроменена, но периодично пада до нула и се увеличава до максимална стойност, тогава говорим за импулсен ток (с различни форми).
Необходими условия за поддържане на електрически ток във веригата
По-горе са изведени три условия за съществуване на електрически ток в затворена верига. Те трябва да бъдат разгледани по-подробно.
Безплатни носители на зареждане
Първото необходимо условие за съществуването на електрически ток е наличието на свободни носители на заряд. Зарядите не съществуват отделно от техните носители, така че е необходимо да се вземат предвид частиците, които могат да носят заряд.
В метали и други вещества с подобен тип проводимост (графит и др.) това са свободни електрони. Те слабо взаимодействат с ядрото и могат да напуснат атома и да се движат относително безпрепятствено вътре в проводника.
Свободните електрони също служат като носители на заряд в полупроводниците, но в някои случаи говорят за проводимост на „дупка“ на този клас твърди тела (за разлика от „електронната“). Тази концепция е необходима само за описание на физическите процеси, всъщност токът в полупроводниците е същото движение на електрони. Материалите, в които електроните не могат да напуснат атома, са диелектрици. В тях няма ток.
В течности положителните и отрицателните йони носят заряд. Това се отнася за течности - електролити. Например вода, в която е разтворена сол. Сама по себе си водата е електрически доста неутрална, но когато в нея влизат твърди и течни вещества, те се разтварят и дисоциират (разлагат), за да образуват положителни и отрицателни йони. А в разтопените метали (например в живака) носителите на заряд са едни и същи електрони.
Газовете са предимно диелектрици. В тях няма свободни електрони – газовете се състоят от неутрални атоми и молекули. Но ако газът е йонизиран, те говорят за четвъртото агрегатно състояние на материята - плазмата. В него може да тече и електрически ток, възниква при насоченото движение на електрони и йони.
Също така токът може да тече във вакуум (действието например на вакуумните тръби се основава на този принцип). Това ще изисква електрони или йони.
Електрическо поле
Въпреки наличието на безплатни носители на заряд, повечето медии са електрически неутрални. Това се обяснява с факта, че отрицателните (електрони) и положителните (протони) частици са разположени равномерно и техните полета се компенсират взаимно. За да възникне поле, зарядите трябва да са концентрирани в някаква област. Ако електроните са се натрупали в областта на един (отрицателен) електрод, тогава ще има недостиг от тях на противоположния (положителен) електрод и ще възникне поле, което създава сила, която действа върху носителите на заряд и ги принуждава да се движат.
Сила на трета страна да носи обвинения
И третото условие - трябва да има сила, която носи заряди в посока, противоположна на посоката на електростатичното поле, в противен случай зарядите вътре в затворената система бързо ще се балансират. Тази външна сила се нарича електродвижеща сила. Произходът му може да е различен.
Електрохимична природа
В този случай ЕМП възниква в резултат на възникването на електрохимични реакции. Реакциите могат да бъдат необратими. Пример е галванична клетка - добре позната батерия. След изчерпване на реагентите ЕМП пада до нула и батерията "сяда".
В други случаи реакциите могат да бъдат обратими. Така че в батерията ЕМП също възниква в резултат на електрохимични реакции. Но след завършване процесът може да бъде възобновен - под въздействието на външен електрически ток реакциите ще протичат в обратен ред и батерията отново ще бъде готова да даде ток.
фотоволтаична природа
В този случай ЕМП се причинява от действието на видимо, ултравиолетово или инфрачервено лъчение върху процеси в полупроводникови структури. Такива сили възникват във фотоклетки („слънчеви батерии“).Под действието на светлината във външната верига се генерира електрически ток.
термоелектрическа природа
Ако вземете два различни проводника, ги запоявате и загреете кръстовището, тогава във веригата ще се появи EMF поради температурната разлика между горещия кръстовище (прехода на проводниците) и студения кръстовище - противоположните краища на проводниците. По този начин е възможно не само да се генерира ток, но и измерете температурата чрез измерване на възникващата ЕДС.
Пиезоелектрична природа
Възниква, когато определени твърди тела са компресирани или деформирани. На този принцип работи електрическа запалка.
Електромагнитна природа
Най-разпространеният начин за промишлено генериране на електроенергия е с DC или AC генератор. В DC машина арматура с форма на рамка се върти в магнитно поле, пресичайки силовите си линии. В този случай възниква EMF в зависимост от скоростта на въртене на ротора и магнитния поток. На практика се използва котва от голям брой завои, образувайки множество последователно свързани рамки. ЕМП, възникващи в тях, се сумират.
AT алтернатор прилага се същият принцип, но магнит (електрически или постоянен) се върти вътре в неподвижната рамка. В резултат на същите процеси в статора, ЕМП, който има синусоидална форма. В индустриален мащаб генерирането на променлив ток се използва почти винаги - по-лесно е да се преобразува за транспортиране и практическа употреба.
Интересно свойство на генератора е обратимостта.Състои се във факта, че ако напрежението се приложи към клемите на генератора от външен източник, роторът му ще започне да се върти. Това означава, че в зависимост от схемата на свързване електрическата машина може да бъде или генератор, или електродвигател.
Това са само основните понятия за такова явление като електрически ток. Всъщност процесите, които протичат при насоченото движение на електроните, са много по-сложни. За да ги разберем, е необходимо по-задълбочено изследване на електродинамиката.
Подобни статии:
