Προϋποθέσεις ύπαρξης ηλεκτρικού ρεύματος

Αρχικά, ας απαντήσουμε στο ερώτημα τι είναι ηλεκτρικό ρεύμα. Μια απλή επιτραπέζια μπαταρία δεν παράγει ρεύμα από μόνη της. Και ένας φακός που είναι ξαπλωμένος σε ένα τραπέζι δεν θα δημιουργήσει ρεύμα μέσω των λυχνιών LED του, χωρίς κανένα λόγο. Για να εμφανιστεί ρεύμα, κάτι πρέπει να ρέει κάπου, τουλάχιστον να αρχίσει να κινείται και για αυτό πρέπει να κλείσει το κύκλωμα των LED του φακού και της μπαταρίας. Όχι για τίποτα, τα παλιά χρόνια το ηλεκτρικό ρεύμα συγκρίνεται με την κίνηση ενός συγκεκριμένου φορτισμένου υγρού.

Στην πραγματικότητα, το γνωρίζουμε τώρα αυτό ηλεκτρική ενέργεια — αυτή είναι η κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων, και ότι ένα πιο κοντινό ανάλογο στην πραγματικότητα θα ήταν ένα φορτισμένο αέριο — ένα αέριο φορτισμένων σωματιδίων που κινούνται υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Πρώτα όμως πρώτα.

Ηλεκτρικό ρεύμα είναι η κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων

Έτσι, το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων, αλλά ακόμη και η χαοτική κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων είναι επίσης κίνηση, αλλά και πάλι όχι ρεύμα.Ομοίως, τα μόρια ρευστού που βρίσκονται σε θερμική κίνηση όλη την ώρα δεν δημιουργούν ρεύματα επειδή η συνολική μετατόπιση ολόκληρου του όγκου του ρευστού σε ηρεμία είναι ακριβώς μηδέν.

Για να συμβεί ροή ρευστού, πρέπει να συμβεί συνολική κίνηση, δηλαδή η συνολική κίνηση των μορίων του υγρού πρέπει να κατευθυνθεί. Έτσι, η χαοτική κίνηση των μορίων θα προστεθεί στην κατευθυνόμενη κίνηση ολόκληρου του όγκου και θα προκύψει ροή ολόκληρου του όγκου του υγρού.

Η κατάσταση είναι παρόμοια με το ηλεκτρικό ρεύμα — η κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων είναι ηλεκτρικό ρεύμα. Η ταχύτητα της θερμικής κίνησης των φορτισμένων σωματιδίων, για παράδειγμα, στο μέταλλο, μετριέται σε εκατοντάδες μέτρα ανά δευτερόλεπτο, αλλά στην κατευθυντική κίνηση, όταν ρυθμιστεί ένα ορισμένο ρεύμα στον αγωγό, η ταχύτητα της γενικής κίνησης των σωματιδίων μετράται σε μέρη και μονάδες χιλιοστών ανά δευτερόλεπτο.

Έτσι, εάν ένα συνεχές ρεύμα ίσο με 10 Α ρέει σε ένα μεταλλικό σύρμα με διατομή 1 τ. Mm, τότε η μέση ταχύτητα της διατεταγμένης κίνησης των ηλεκτρονίων θα είναι από 0,6 έως 6 χιλιοστά ανά δευτερόλεπτο. Αυτό θα είναι ήδη ηλεκτροπληξία. Και αυτή η αργή κίνηση των ηλεκτρονίων είναι αρκετή για να θερμανθεί καλά ένα σύρμα, για παράδειγμα, από nichrome, υπακούοντας Ο νόμος Joule-Lenz.

Η ταχύτητα των σωματιδίων δεν είναι η ταχύτητα διάδοσης ενός ηλεκτρικού πεδίου!

Σημειώστε ότι το ρεύμα ξεκινά στο σύρμα σχεδόν ακαριαία σε ολόκληρο τον όγκο, δηλαδή αυτή η "κίνηση" εξαπλώνεται κατά μήκος του σύρματος με την ταχύτητα του φωτός, αλλά η κίνηση των ίδιων των φορτισμένων σωματιδίων είναι 100 δισεκατομμύρια φορές πιο αργή. Μπορείτε να εξετάσετε την αναλογία ενός σωλήνα με υγρό που ρέει μέσα από αυτόν.

Μετακίνηση κατά μήκος ενός σωλήνα μήκους 10 μέτρων, για παράδειγμα νερού.Η ταχύτητα του νερού είναι μόνο 1 μέτρο ανά δευτερόλεπτο, αλλά η ροή δεν εξαπλώνεται με την ίδια ταχύτητα, αλλά πολύ πιο γρήγορα, και η ταχύτητα εξάπλωσης εδώ εξαρτάται από την πυκνότητα του υγρού και την ελαστικότητά του. Έτσι, το ηλεκτρικό πεδίο διαδίδεται κατά μήκος του σύρματος με την ταχύτητα του φωτός και τα σωματίδια αρχίζουν να κινούνται 11 τάξεις μεγέθους πιο αργά. Δείτε επίσης: Ταχύτητα ηλεκτρικού ρεύματος

1. Τα φορτισμένα σωματίδια είναι απαραίτητα για την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος

Ηλεκτρόνια σε μέταλλα και στο κενό, ιόντα σε διαλύματα ηλεκτρολυτών — χρησιμεύουν ως φορείς φορτίου και διασφαλίζουν την παρουσία ρεύματος σε διάφορες ουσίες. Στα μέταλλα, τα ηλεκτρόνια είναι πολύ κινητά, μερικά από αυτά μπορούν να κινούνται ελεύθερα από άτομο σε άτομο, όπως ένα αέριο που γεμίζει το χώρο μεταξύ των κόμβων ενός κρυσταλλικού πλέγματος.

Στους σωλήνες ηλεκτρονίων, τα ηλεκτρόνια εγκαταλείπουν την κάθοδο κατά τη διάρκεια της θερμιονικής ακτινοβολίας, ορμώντας υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου προς την άνοδο. Στους ηλεκτρολύτες, τα μόρια διασπώνται στο νερό σε θετικά και αρνητικά φορτισμένα μέρη και γίνονται ελεύθερα ιόντα φορέα στους ηλεκτρολύτες. Δηλαδή, όπου μπορεί να υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα, υπάρχουν ελεύθεροι φορείς φορτίου που μπορούν να κινηθούν ηλεκτρικό πεδίο… Αυτή είναι η πρώτη προϋπόθεση για την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος — η παρουσία ελεύθερων φορέων φόρτισης.

2. Η δεύτερη προϋπόθεση για την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος είναι ότι πρέπει να δράσουν εξωτερικές δυνάμεις στο φορτίο

Αν τώρα κοιτάξετε ένα καλώδιο, ας πούμε ότι είναι ένα χάλκινο σύρμα, τότε μπορείτε να αναρωτηθείτε: τι χρειάζεται για να εμφανιστεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε αυτό; Υπάρχουν φορτισμένα σωματίδια, ηλεκτρόνια, μπορούν να κινούνται ελεύθερα.

Τι θα τους κάνει να κινηθούν; Ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο είναι γνωστό ότι αλληλεπιδρά με ένα ηλεκτρικό πεδίο. Επομένως, πρέπει να δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό πεδίο στο σύρμα, τότε θα προκύψει ένα δυναμικό σε κάθε σημείο του σύρματος, θα υπάρχει μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων του σύρματος και τα ηλεκτρόνια θα κινηθούν προς την κατεύθυνση του πεδίου. την κατεύθυνση από «-» προς «+», δηλαδή σε διεύθυνση αντίθετη από το διάνυσμα έντασης ηλεκτρικού πεδίου. Το ηλεκτρικό πεδίο θα επιταχύνει τα ηλεκτρόνια, αυξάνοντας την (κινητική και μαγνητική) ενέργειά τους.

Ως αποτέλεσμα, εάν θεωρήσουμε ότι ένα ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται απλώς εξωτερικά στο σύρμα (τοποθετήσαμε το σύρμα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος των γραμμών δύναμης), τότε τα ηλεκτρόνια θα συσσωρευτούν στο ένα άκρο του σύρματος και θα εμφανιστεί ένα αρνητικό φορτίο σε αυτό άκρο, και εφόσον τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από την άλλη άκρη του σύρματος, τότε θα υπάρχει ένα θετικό φορτίο σε αυτό.

Ως αποτέλεσμα, το ηλεκτρικό πεδίο ενός αγωγού που φορτίζεται από ένα εξωτερικά εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο θα είναι σε τέτοια κατεύθυνση ώστε να αποδυναμώνει το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο από τη δράση του.

Η διαδικασία ανακατανομής των χρεώσεων θα συνεχιστεί σχεδόν ακαριαία και μετά την ολοκλήρωσή της το ρεύμα στο καλώδιο θα σταματήσει. Το ηλεκτρικό πεδίο που προκύπτει μέσα στον αγωγό θα γίνει μηδέν και η δύναμη στα άκρα θα είναι ίση σε μέγεθος αλλά αντίθετη ως προς την κατεύθυνση με το ηλεκτρικό πεδίο που εφαρμόζεται εξωτερικά.

Εάν το ηλεκτρικό πεδίο στον αγωγό δημιουργείται από μια πηγή συνεχούς ρεύματος, για παράδειγμα, μια μπαταρία, τότε μια τέτοια πηγή θα γίνει πηγή εξωτερικών δυνάμεων για τον αγωγό, δηλαδή μια πηγή που θα δημιουργήσει ένα σταθερό EMF στον αγωγό και να διατηρήσει τη διαφορά δυναμικού.Προφανώς, για να διατηρείται το ρεύμα από εξωτερική πηγή δύναμης, το κύκλωμα πρέπει να είναι κλειστό.