Електричний струм: що це таке і як він виникає

Без електрики неможливо уявити життя сучасної людини. Вольти, ампери, Примор’я – ці слова звучать в розмові про пристрої, які працюють від електрики. Але що це таке електричний струм і які умови його існування? Про це ми розповімо далі, надавши коротке пояснення для початківців електриків.

визначення

Електричним струмом є спрямований рух носіїв зарядів – це стандартне формулювання з підручника фізики. У свою чергу носіями заряду називаються певні частинки речовини. Ними можуть бути:

  • Електрони – негативні носії заряду.
  • Іони – позитивні носії заряду.

Але звідки беруться носії заряду? Для відповіді на це питання потрібно згадати базові знання про будову речовини. Все що нас оточує – речовина, воно складається з молекул, найдрібніших його частинок. Молекули складаються з атомів. Атом складається з ядра, навколо якого рухаються електрони на заданих орбітах. Молекули також хаотично рухаються. Рух і структура кожної з цих частинок залежать від самого речовини і впливу на нього навколишнього середовища, наприклад температури, напруги і іншого.

Іоном називають атом, у якого змінилося співвідношення електронів і протонів. Якщо спочатку атом нейтральний, то іони в свою чергу ділять на:

  • Аніони – позитивний іон атома, який втратив електрони.
  • Катіони – це атом з «зайвими» електронами, які приєдналися до атому.

Одиниця виміру струму – Ампер, відповідно до закону Ома він обчислюється за формулою:

I = U / R,

де U – напруга, [В], а R – опір, [Ом].

Або прямопропорционален кількості заряду, перенесеного за одиницю часу:

I = Q / t,

де Q – заряд, [Кл], t – час, [з].

Умови існування електричного струму

Що таке електричний струм ми розібралися, тепер давайте поговоримо про те, як забезпечити його протікання. Для протікання електричного струму необхідно виконання двох умов:

  1. Наявність вільних носіїв заряду.
  2. Електричне поле.

Перша умова існування і протікання електрики залежить від речовини, в якому протікає (або не протікає) струм, а також його стану. Друга умова також здійснимо: для існування електричного поля обов’язково наявність різних потенціалів, між якими знаходиться середовище, в якому будуть протікати носії заряду.

Нагадаємо: Напруга, ЕРС – це різниця потенціалів. Звідси випливає, що для виконання умов існування струму – наявності електричного поля і електричного струму, потрібно напругу. Це можуть бути обкладання зарядженого конденсатора, гальванічний елемент, ЕРС виникло під дією магнітного поля (генератор).

Як він виникає, ми розібралися, давайте поговоримо про те, куди він спрямований. Струм, в основному, в звичному для нас використанні, рухається в провідниках (електропроводка в квартирі, лампочки розжарювання) або в напівпровідниках (світлодіоди, процесор вашого смартфона і інша електроніка), рідше в газах (люмінесцентні лампи).

Так ось основними носіями заряду в більшості випадків є електрони, вони рухаються від мінуса (точки з негативним потенціалом) до плюса (точці з позитивним потенціалом, докладніше про це ви дізнаєтеся нижче).

Але цікавий той факт, що за напрямок руху струму було прийнято рух позитивних зарядів – від плюса до мінуса. Хоча фактично все відбувається навпаки. Справа в тому, що рішення про направлення струму було прийнято до вивчення його природи, а також до того, як було визначено за рахунок чого протікає і існує струм.

Електричний струм в різних середовищах

Ми вже згадували про те, що в різних середовищах електричний струм може відрізнятися за типом носіїв заряду. Середовища можна розділити за характером провідності (по спадаючій провідності):

  1. Провідник (метали).
  2. Напівпровідник (кремній, германій, арсенід галію та ін).
  3. Діелектрик (вакуум, повітря, дистильована вода).

В металах

В металах є вільні носії зарядів, їх іноді називають «електричним газом». Звідки беруться вільні носії зарядів? Справа в тому, що метал, як і будь-яка речовина, складається з атомів. Атоми, так чи інакше рухаються або коливаються. Чим вище температура металу, тим сильніше цей рух. При цьому самі атоми в загальному вигляді залишаються на своїх місцях, власне і формуючи структуру металу.

В електронних оболонках атома зазвичай є кілька електронів, у яких зв’язок з ядром досить слабка. Під впливом температур, хімічних реакцій та взаємодії домішок, які в будь-якому випадку знаходяться в металі, електрони відриваються від своїх атомів, утворюються позитивно заряджені іони. Відірвалися електрони називаються вільними і рухаються хаотично.

Якщо на них буде впливати електричне поле, наприклад, якщо підключити до шматка металу батарейку – хаотичний рух електронів стане впорядкованим. Електрони від точки, в яку підключений негативний потенціал (катод гальванічного елемента, наприклад), почнуть рухатися до точки з позитивним потенціалом.

У напівпровідниках

Напівпровідниками є такі матеріали, в яких в нормальному стані немає вільних носіїв заряду. Вони знаходяться в так званій забороненій зоні. Але якщо докласти зовнішні сили, такі як електричне поле, тепло, різні випромінювання (світлове, радіаційне та ін.), Вони долають заборонену зону і переходять у вільну зону або зону провідності. Електрони відриваються від своїх атомів і стають вільними, утворюючи іони – позитивні носії зарядів.

Позитивні носії в напівпровідниках називаються дірками.

Якщо просто передати енергію напівпровідника, наприклад нагріти, почнеться хаотичний рух носіїв заряду. Але якщо мова йде про напівпровідникових елементах, типу діода або транзистора, то на протилежних кінцях кристала (на них нанесений металізований шар і припаяні виводи) виникне ЕРС, але це не відноситься до теми сьогоднішньої статті.

Якщо прикласти джерело ЕРС до напівпровідника, то носії заряду також перейдуть в зону провідності, а також почнеться їх спрямований рух – дірки підуть в сторону з меншим електричним потенціалом, а електрони – в сторону з великим.

У вакуумі і газі

Вакуумом називають середу з повним (ідеальний випадок) відсутністю газів або мінімізованих (в реальності) його кількістю. Так як в вакуумі немає ніякого речовини, то і носіям заряду братися нема звідки. Однак протікання струму в вакуумі поклало початок електроніці і цілій епосі електронних елементів – електровакуумних ламп. Їх використовували в першій половині минулого століття, а в 50-х роках вони почали поступово поступатися місцем транзисторів (в залежності від конкретної сфери електроніки).

Припустимо, що у нас є посудина, з якого відкачали весь газ, тобто в ньому повний вакуум. У посудину вміщено два електроди, назвемо їх анод і катод. Якщо ми підключимо до катода негативний потенціал джерела ЕРС, а до анода позитивний – нічого не станеться і ток протікати не буде. Але якщо ми почнемо нагрівати катод – струм почне протікати. Цей процес називається термоелектронної емісією – випускання електронів з нагрітої поверхні електрона.

На малюнку зображений процес протікання струму у вакуумній лампі. У вакуумних лампах катод нагрівають розташованої поруч ниткою розжарення на рис (Н), типу такий, як в освітлювальної лампи.

При цьому, якщо змінити полярність харчування – на анод подати мінус, а на катод подати плюс – струм протікати не буде. Це доведе, що струм в вакуумі протікає за рахунок руху електронів від катода до анода.

Газ також як і будь-яка речовина складається з молекул і атомів, це означає, що якщо газ буде перебувати під впливом електричного поля, то при певній його силі (напруга іонізації) електрони відірвуться від атома, тоді будуть виконані обидві умови протікання електричного струму – поле і вільні носії.

Як вже було сказано, цей процес називається іонізацією. Вона може відбуватися не тільки від прикладеної напруги, але і при нагріванні газу, рентгенівському випромінюванні, під впливом ультрафіолету і іншого.

Струм через повітря потече, навіть якщо між електродами встановити пальник.

Протікання струму в інертних газах супроводжується люмінесценцією газу, це явище активно використовується в люмінесцентних лампах. Перебіг електричного струму в газовому середовищі називається газовим розрядом.

У рідини

Припустимо, що у нас є посудина з водою в який поміщені два електроди, до яких підключений джерело живлення. Якщо вода дистильована, тобто чиста і не містить домішок, то вона є діелектриком. Але якщо ми додамо в воду трохи солі, сірчаної кислоти або будь-якого іншого речовини, утворюється електроліт і через нього почне протікати струм.

Електроліт – речовина, яка проводить електричний струм внаслідок дисоціації на іони.

Якщо в воду додати мідний купорос, то на одному з електродів (катоді) осяде шар міді – це називається електроліз, що доводить що електричний струм в рідини здійснюється за рахунок руху іонів – позитивних і негативних носіїв заряду.

Електроліз – фізико-хімічний процес, який полягає у виділенні на електродах компонентів складових електроліт.

Таким чином відбувається обміднення, золочення та покриття іншими металами.

висновок

Підіб’ємо підсумки, для протікання електричного струму потрібні вільні носії зарядів:

  • електрони в провідниках (метали) і вакуумі;
  • електрони і дірки в напівпровідниках;
  • іони (аніони і катіони) в рідини і газах.

Для того, щоб рух цих носіїв стало упорядкування, потрібно електричне поле. Простими словами – прикласти напругу на кінцях тіла або встановити два електроди в середовищі, де передбачається протікання електричного струму.

Також варто відзначити, що ток певним чином впливає на речовину, розрізняють три типи впливу:

  • теплове;
  • хімічне;
  • фізичне.

Наостанок рекомендуємо переглянути корисно відео, в якому більш детально розглядаються умови існування і протікання електричного струму:

Корисне по темі:

Ссылка на основную публикацию