Als er in welk medium dan ook vrije ladingsdragers zijn (bijvoorbeeld elektronen in een metaal), dan zijn ze niet in rust, maar bewegen ze willekeurig. Maar je kunt de elektronen ordelijk in een bepaalde richting laten bewegen. Deze gerichte beweging van geladen deeltjes wordt elektrische stroom genoemd.
Inhoud
Hoe elektrische stroom wordt gegenereerd
Als we twee geleiders nemen, en een van hen is negatief geladen (er worden elektronen aan toegevoegd), en de andere is positief geladen (waarbij een deel van de elektronen wordt weggenomen), zal er een elektrisch veld ontstaan. Als je beide elektroden met een geleider verbindt, zal het veld de elektronen dwingen om in de tegenovergestelde richting van de elektrische veldvector te bewegen, in overeenstemming met de richting van de elektrische krachtvector. Negatief geladen deeltjes zullen bewegen van de elektrode waar ze in overmaat zijn naar de elektrode waar ze een tekort hebben.
Voor het optreden van elektronenbeweging is het niet nodig om de tweede elektrode een positieve lading te geven. Het belangrijkste is dat de negatieve lading van de eerste hoger is. Het is zelfs mogelijk om beide geleiders negatief op te laden, maar de ene geleider moet een grotere lading hebben dan de andere. In dit geval spreekt men van een potentiaalverschil dat een elektrische stroom veroorzaakt.
Naar analogie met water, als je twee met water gevulde vaten op verschillende niveaus aansluit, zal er een stroom water verschijnen. De druk zal afhangen van het verschil in niveaus.
Het is interessant dat de chaotische beweging van elektronen onder invloed van een elektrisch veld in het algemeen behouden blijft, maar de algemene bewegingsvector van de massa ladingsdragers een gericht karakter krijgt. Als de "chaotische" bewegingscomponent een snelheid heeft van enkele tientallen of zelfs honderden kilometers per seconde, dan is de richtingscomponent enkele millimeters per minuut. Maar de impact (wanneer de elektronen langs de lengte van de geleider bewegen) plant zich voort met de snelheid van het licht, dus ze zeggen dat de elektrische stroom beweegt met een snelheid van 3 * 108 m/sec.
In het kader van het bovenstaande experiment zal de stroom in de geleider niet lang bestaan - totdat de overtollige elektronen in de negatief geladen geleider opraken en hun aantal aan beide polen niet in evenwicht is. Deze tijd is klein - onbeduidende fracties van een seconde.
Teruggaan naar de aanvankelijk negatief geladen elektrode en het creëren van een overmatige lading op de dragers geeft niet hetzelfde elektrische veld dat de elektronen van min naar plus bewoog. Daarom moet er een externe kracht zijn die tegen de sterkte van het elektrische veld inwerkt en deze overtreft.Net als bij water moet er een pomp zijn die water terugpompt naar het bovenste niveau om een continue waterstroom te creëren.
huidige richting:
De richting van plus naar min wordt genomen als de richting van de stroom, dat wil zeggen, de bewegingsrichting van positief geladen deeltjes is tegengesteld aan de beweging van elektronen. Dit komt door het feit dat het fenomeen elektrische stroom veel eerder werd ontdekt dan een verklaring van de aard ervan werd ontvangen, en men geloofde dat de stroom in deze richting gaat. Tegen die tijd had zich een groot aantal artikelen en andere literatuur over dit onderwerp verzameld, concepten, definities en wetten verschenen. Om een enorme hoeveelheid reeds gepubliceerd materiaal niet te herzien, namen we gewoon de richting van de stroom tegen de stroom van elektronen in.
Als de stroom de hele tijd in één richting stroomt (zelfs in sterkte verandert), wordt dit genoemd Gelijkstroom. Als de richting verandert, hebben we het over wisselstroom. In praktische toepassing verandert de richting volgens een of andere wet, bijvoorbeeld volgens een sinusoïdale. Als de richting van de stroom onveranderd blijft, maar deze periodiek tot nul daalt en tot een maximale waarde stijgt, dan hebben we het over een gepulseerde stroom (van verschillende vormen).
Noodzakelijke voorwaarden voor het handhaven van elektrische stroom in het circuit
Drie voorwaarden voor het bestaan van een elektrische stroom in een gesloten circuit zijn hierboven afgeleid. Ze moeten in meer detail worden beschouwd.
Gratis ladingdragers
De eerste noodzakelijke voorwaarde voor het bestaan van een elektrische stroom is de aanwezigheid van gratis ladingsdragers. Ladingen bestaan niet los van hun dragers, dus het is noodzakelijk om deeltjes te overwegen die een lading kunnen dragen.
Bij metalen en andere stoffen met een vergelijkbare geleidbaarheid (grafiet, etc.) zijn dit vrije elektronen. Ze hebben een zwakke wisselwerking met de kern en kunnen het atoom verlaten en relatief ongehinderd in de geleider bewegen.
Vrije elektronen dienen ook als ladingsdragers in halfgeleiders, maar in sommige gevallen spreken ze van "gat" geleidbaarheid van deze klasse van vaste stoffen (in tegenstelling tot "elektronisch"). Dit concept is alleen nodig om fysieke processen te beschrijven, in feite is de stroom in halfgeleiders dezelfde beweging van elektronen. Materialen waarin elektronen het atoom niet kunnen verlaten zijn: diëlektrica. Er zit geen stroom in.
In vloeistoffen dragen positieve en negatieve ionen lading. Dit verwijst naar vloeistoffen - elektrolyten. Bijvoorbeeld water waarin zout is opgelost. Op zichzelf is water elektrisch redelijk neutraal, maar wanneer vaste en vloeibare stoffen erin komen, lossen ze op en dissociëren (ontleden) om positieve en negatieve ionen te vormen. En in gesmolten metalen (bijvoorbeeld in kwik) zijn de ladingsdragers dezelfde elektronen.
Gassen zijn meestal diëlektrica. Er zitten geen vrije elektronen in - gassen bestaan uit neutrale atomen en moleculen. Maar als het gas wordt geïoniseerd, spreken ze van de vierde staat van aggregatie van materie - plasma. Er kan ook een elektrische stroom in vloeien, deze treedt op tijdens de gerichte beweging van elektronen en ionen.
Ook in vacuüm kan stroom vloeien (de werking van bijvoorbeeld vacuümbuizen is op dit principe gebaseerd). Hiervoor zijn elektronen of ionen nodig.
Elektrisch veld
Ondanks de aanwezigheid van gratis laaddragers zijn de meeste media elektrisch neutraal. Dit wordt verklaard door het feit dat negatieve (elektronen) en positieve (protonen) deeltjes gelijkmatig zijn gelokaliseerd en hun velden elkaar compenseren. Om een veld te laten ontstaan, moeten de ladingen zich in een bepaald gebied concentreren. Als elektronen zich hebben opgehoopt in het gebied van één (negatieve) elektrode, dan zal er een tekort zijn aan de tegenoverliggende (positieve) elektrode en ontstaat er een veld dat een kracht creëert die op ladingsdragers werkt en deze dwingt te bewegen.
Dwang van derden om kosten te dragen
En de derde voorwaarde - er moet een kracht zijn die ladingen vervoert in de richting tegengesteld aan de richting van het elektrostatische veld, anders zullen de ladingen in het gesloten systeem snel in evenwicht zijn. Deze externe kracht wordt de elektromotorische kracht genoemd. De oorsprong ervan kan anders zijn.
Elektrochemische aard
In dit geval ontstaat de EMF als gevolg van het optreden van elektrochemische reacties. Reacties kunnen onomkeerbaar zijn. Een voorbeeld is een galvanische cel - een bekende batterij. Nadat de reagentia zijn uitgeput, daalt de EMF tot nul en gaat de batterij "zitten".
In andere gevallen kunnen reacties omkeerbaar zijn. In een batterij treedt dus ook EMV op als gevolg van elektrochemische reacties. Maar na voltooiing kan het proces worden hervat - onder invloed van een externe elektrische stroom zullen de reacties in omgekeerde volgorde plaatsvinden en is de batterij weer klaar om stroom te geven.
fotovoltaïsche natuur
In dit geval wordt de EMF veroorzaakt door de inwerking van zichtbare, ultraviolette of infrarode straling op processen in halfgeleiderstructuren. Dergelijke krachten ontstaan in fotocellen (“zonnebatterijen”).Onder invloed van licht wordt een elektrische stroom gegenereerd in het externe circuit.
thermo-elektrische aard
Als u twee ongelijke geleiders neemt, ze soldeert en de junctie verwarmt, verschijnt er een EMF in het circuit vanwege het temperatuurverschil tussen de hete junctie (de junctie van de geleiders) en de koude junctie - de tegenovergestelde uiteinden van de geleiders. Op deze manier is het niet alleen mogelijk om stroom op te wekken, maar ook om meet de temperatuur door de opkomende emf te meten.
Piëzo-elektrische natuur
Komt voor wanneer bepaalde vaste stoffen worden samengedrukt of vervormd. Een elektrische aansteker werkt volgens dit principe.
Elektromagnetische aard
De meest gebruikelijke manier om industrieel elektriciteit op te wekken is met een gelijkstroom- of wisselstroomgenerator. In een gelijkstroommachine roteert een framevormig anker in een magnetisch veld en kruist zijn krachtlijnen. In dit geval ontstaat er een EMF, afhankelijk van de rotatiesnelheid van de rotor en de magnetische flux. In de praktijk wordt een anker gebruikt uit een groot aantal windingen, waardoor meerdere in serie geschakelde frames worden gevormd. EMF die erin ontstaat, telt op.
BIJ dynamo hetzelfde principe is van toepassing, maar een magneet (elektrisch of permanent) draait binnen het vaste frame. Als resultaat van dezelfde processen in de stator, EMF, die een sinusvormige vorm heeft. Op industriële schaal wordt AC-opwekking bijna altijd gebruikt - het is gemakkelijker om het om te zetten voor transport en praktisch gebruik.
Een interessante eigenschap van een generator is omkeerbaarheid.Het bestaat uit het feit dat als er spanning wordt aangelegd op de generatorterminals van een externe bron, de rotor begint te draaien. Dit betekent dat, afhankelijk van het aansluitschema, de elektrische machine een generator of een elektromotor kan zijn.
Dit zijn slechts de basisconcepten van een fenomeen als elektrische stroom. In feite zijn de processen die plaatsvinden tijdens de gerichte beweging van elektronen veel gecompliceerder. Om ze te begrijpen, is een diepere studie van de elektrodynamica vereist.
Vergelijkbare artikelen:
