Az elektromos áram létezésének feltételei

Először is válaszoljunk arra a kérdésre, hogy mi az elektromos áram. Egy egyszerű asztali akkumulátor önmagában nem termel áramot. És egy asztalon heverő zseblámpa nem hoz létre áramot a LED-jein csak úgy, minden ok nélkül. Ahhoz, hogy megjelenjen az áram, valahol folynia kell valaminek, legalább mozogni kell, ehhez pedig a zseblámpa LED-jeinek és az akkumulátornak az áramkörének zárnia kell. Nem hiába, régen az elektromos áramot egy bizonyos töltött folyadék mozgásához hasonlították.

Valójában ezt most már tudjuk elektromosság - ez a töltött részecskék irányított mozgása, és a valósághoz közelebbi analógja egy töltött gáz lenne - egy töltött részecskékből álló gáz, amely elektromos tér hatására mozog. De először a dolgok.

Az elektromos áram a töltött részecskék irányított mozgása

Tehát az elektromos áram a töltött részecskék mozgása, de még a töltött részecskék kaotikus mozgása is mozgás, de még mindig nem áram.Hasonlóképpen, a folyamatosan hőmozgásban lévő folyadékmolekulák nem hoznak létre áramot, mivel a teljes folyadéktérfogat teljes elmozdulása nyugalmi állapotban pontosan nulla.

Ahhoz, hogy a folyadék áramlása bekövetkezzen, teljes mozgásnak kell bekövetkeznie, vagyis a folyadékmolekulák általános mozgásának irányítottnak kell lennie. Így a molekulák kaotikus mozgása hozzáadódik a teljes térfogat irányított mozgásához, és a folyadék teljes térfogatának áramlása következik be.

Hasonló a helyzet az elektromos árammal is – az elektromosan töltött részecskék irányított mozgása elektromos áram. A töltött részecskék hőmozgásának sebességét például fémben másodpercenként több száz méterben mérik, de iránymozgásnál, ha a vezetőben bizonyos áramot állítanak be, a részecskék általános mozgásának sebességét a milliméter per másodperc részek és mértékegységek.

Tehát, ha egy 1 négyzetméter keresztmetszetű fémhuzalban 10 A-nek megfelelő egyenáram folyik, akkor az elektronok rendezett mozgásának átlagos sebessége 0,6-6 milliméter másodpercenként. Ez már áramütés lesz. És ez a lassú elektronmozgás elegendő ahhoz, hogy egy vezeték, például nikróm, jól felmelegedjen, engedelmeskedve. A Joule-Lenz törvény.

A részecskesebesség nem az elektromos tér terjedési sebessége!

Vegyük észre, hogy a vezetékben szinte azonnal megindul az áram a teljes térfogatban, vagyis ez a "mozgás" fénysebességgel terjed a vezeték mentén, de maguk a töltött részecskék mozgása 100 milliárdszor lassabb. Megfontolhatja a cső analógiáját, amikor folyadék folyik át rajta.

Mozgás egy 10 méter hosszú cső mentén, például víz.A víz sebessége mindössze 1 méter másodpercenként, de az áramlás nem azonos sebességgel, hanem sokkal gyorsabban terjed, és a terjedési sebesség itt a folyadék sűrűségétől és rugalmasságától függ. Így az elektromos tér fénysebességgel terjed a vezeték mentén, és a részecskék 11 nagyságrenddel lassabban kezdenek mozogni. Lásd még: Az elektromos áram sebessége

1. A töltött részecskék szükségesek az elektromos áram létezéséhez

Elektronok fémekben és vákuumban, ionok elektrolitoldatokban - töltéshordozóként szolgálnak, és biztosítják az áram jelenlétét különböző anyagokban. A fémekben az elektronok nagyon mozgékonyak, egy részük szabadon mozoghat atomról atomra, mint egy gáz, amely kitölti a kristályrács csomópontjai közötti teret.

Az elektroncsövekben az elektronok a termoionos sugárzás során elhagyják a katódot, és elektromos tér hatására az anódhoz rohannak. Az elektrolitokban a molekulák a vízben pozitív és negatív töltésű részekre bomlanak, és az elektrolitokban lévő töltéshordozó ionoktól mentesek lesznek, vagyis ahol elektromos áram létezhet, ott vannak szabad töltéshordozók, amelyek mozoghatnak elektromos mező… Ez az elektromos áram létezésének első feltétele – a szabad töltéshordozók jelenléte.

2. Az elektromos áram létezésének második feltétele, hogy a töltésre külső erőknek kell hatniuk

Ha most megnézünk egy vezetéket, mondjuk az egy rézdrót, akkor feltehetjük magunknak a kérdést: mi kell ahhoz, hogy elektromos áram keletkezzen benne? Vannak töltött részecskék, elektronok, ezek szabadon tudnak mozogni.

Mi készteti őket mozgásra? Ismeretes, hogy az elektromosan töltött részecske kölcsönhatásba lép az elektromos mezővel. Ezért a vezetékben elektromos teret kell létrehozni, akkor a vezeték minden pontján potenciál keletkezik, a vezeték végei között potenciálkülönbség lesz, és az elektronok a tér irányába mozdulnak el. a «-»-től «+»-ig terjedő irány, azaz az elektromos térerősség vektorával ellentétes irányban. Az elektromos tér felgyorsítja az elektronokat, növelve (kinetikai és mágneses) energiájukat.

Ennek eredményeként, ha figyelembe vesszük a vezetéken kívülről egyszerűen alkalmazott elektromos teret (a vezetéket az erővonalak mentén elektromos térbe helyeztük), akkor a huzal egyik végén elektronok halmozódnak fel, és azon negatív töltés jelenik meg. végén, és mivel a vezeték másik végéről elmozdulnak az elektronok, akkor pozitív töltés lesz rajta.

Ennek eredményeként a külső elektromos tér által feltöltött vezető elektromos tere olyan irányú lesz, hogy gyengíti a külső elektromos mezőt a hatásától.

A töltések újraelosztási folyamata szinte azonnal folytatódik, és annak befejezése után a vezetékben lévő áram leáll. Az így létrejövő elektromos tér a vezető belsejében nullává válik, és a végein lévő erő egyenlő nagyságú, de ellentétes irányú lesz a kívülről kifejtett elektromos térrel.

Ha a vezetőben lévő elektromos mezőt egyenáramú forrás, például akkumulátor hozza létre, akkor az ilyen forrás külső erők forrásává válik a vezető számára, azaz olyan forrássá válik, amely állandó EMF-et hoz létre a vezetőben és fenntartani a potenciálkülönbséget.Nyilvánvaló, hogy ahhoz, hogy az áramot egy külső erőforrás fenntartsa, az áramkört zárni kell.