Če so v katerem koli mediju prosti nosilci naboja (na primer elektroni v kovini), potem niso v mirovanju, ampak se premikajo naključno. Lahko pa naredite, da se elektroni premikajo urejeno v določeni smeri. To usmerjeno gibanje nabitih delcev imenujemo električni tok.
Vsebina
Kako nastane električni tok
Če vzamemo dva vodnika, pri čemer je eden od njiju negativno nabit (dodajamo mu elektrone), drugi pa pozitivno (odvzame mu nekaj elektronov), se bo pojavilo električno polje. Če povežete obe elektrodi s prevodnikom, bo polje prisililo elektrone, da se premikajo v nasprotni smeri vektorja električnega polja, v skladu s smerjo vektorja električne sile. Negativno nabiti delci se bodo premaknili od elektrode, kjer so v presežku, do elektrode, kjer jih primanjkuje.
Za nastanek gibanja elektrona ni treba drugi elektrodi dati pozitivnega naboja. Glavna stvar je, da je negativni naboj prvega višji. Oba vodnika je mogoče celo negativno napolniti, vendar mora imeti en vodnik večji naboj od drugega. V tem primeru govorimo o potencialni razliki, ki povzroča električni tok.
Po analogiji z vodo, če povežete dve posodi, napolnjeni z vodo, na različne ravni, se bo pojavil vodni tok. Njegov tlak bo odvisen od razlike v ravneh.
Zanimivo je, da je kaotično gibanje elektronov pod delovanjem električnega polja na splošno ohranjeno, vendar splošni vektor gibanja mase nosilcev naboja pridobi usmerjen značaj. Če ima "kaotična" komponenta gibanja hitrost nekaj deset ali celo sto kilometrov na sekundo, potem je smerna komponenta nekaj milimetrov na minuto. Toda udar (ko se elektroni premikajo po dolžini prevodnika) se širi s svetlobno hitrostjo, zato pravijo, da se električni tok giblje s hitrostjo 3 * 108 m/s.
V okviru zgornjega poskusa tok v prevodniku ne bo obstajal dolgo - dokler ne zmanjka presežnih elektronov v negativno nabitem prevodniku in njihovo število na obeh polih ni uravnoteženo. Ta čas je majhen - nepomembni delčki sekunde.
Vrnitev na prvotno negativno nabito elektrodo in ustvarjanje presežnega naboja na nosilcih ne daje enakega električnega polja, ki je premaknilo elektrone iz minusa v plus. Zato mora obstajati zunanja sila, ki deluje proti jakosti električnega polja in jo presega.Podobno kot voda mora obstajati črpalka, ki črpa vodo nazaj na zgornji nivo, da ustvari neprekinjen pretok vode.
Trenutna smer
Smer od plusa do minusa se vzame kot smer toka, to pomeni, da je smer gibanja pozitivno nabitih delcev nasprotna gibanju elektronov. To je posledica dejstva, da je bil sam pojav električnega toka odkrit veliko prej, kot je bila prejeta razlaga njegove narave, in je veljalo, da gre tok v to smer. Do takrat se je nabralo veliko člankov in druge literature na to temo, pojavili so se koncepti, definicije in zakoni. Da ne bi revidirali ogromne količine že objavljenega gradiva, smo preprosto vzeli smer toka proti toku elektronov.
Če tok teče ves čas v eni smeri (tudi s spreminjanjem moči), se imenuje enosmerni tok. Če se njegova smer spremeni, potem govorimo o izmeničnem toku. V praktični uporabi se smer spreminja po nekem zakonu, na primer po sinusnem. Če smer tokovnega toka ostane nespremenjena, vendar občasno pade na nič in se poveča na največjo vrednost, potem govorimo o impulznem toku (različnih oblik).
Potrebni pogoji za vzdrževanje električnega toka v tokokrogu
Zgoraj so izpeljani trije pogoji za obstoj električnega toka v zaprtem tokokrogu. Treba jih je podrobneje obravnavati.
Brezplačni nosilci polnjenja
Prvi pogoj za obstoj električnega toka je prisotnost prostih nosilcev naboja. Naboji ne obstajajo ločeno od njihovih nosilcev, zato je treba upoštevati delce, ki lahko nosijo naboj.
V kovinah in drugih snoveh s podobno prevodnostjo (grafit ipd.) so to prosti elektroni. Šibko medsebojno delujejo z jedrom in lahko zapustijo atom in se relativno neovirano premikajo znotraj prevodnika.
Prosti elektroni služijo tudi kot nosilci naboja v polprevodnikih, vendar v nekaterih primerih govorijo o "luknjasti" prevodnosti tega razreda trdnih snovi (v nasprotju z "elektronsko"). Ta koncept je potreben samo za opis fizičnih procesov, pravzaprav je tok v polprevodnikih enako gibanje elektronov. Materiali, v katerih elektroni ne morejo zapustiti atoma, so dielektriki. V njih ni toka.
V tekočinah nosijo naboj pozitivni in negativni ioni. To se nanaša na tekočine - elektrolite. Na primer voda, v kateri je raztopljena sol. Sama po sebi je voda električno dokaj nevtralna, ko pa vanjo vstopijo trdne in tekoče snovi, se raztopijo in disociirajo (razgradijo), da nastanejo pozitivni in negativni ioni. In v staljenih kovinah (na primer v živem srebru) so nosilci naboja isti elektroni.
Plini so večinoma dielektriki. V njih ni prostih elektronov - plini so sestavljeni iz nevtralnih atomov in molekul. Če pa je plin ioniziran, govorijo o četrtem agregacijskem stanju snovi - plazmi. V njej lahko teče tudi električni tok, nastane med usmerjenim gibanjem elektronov in ionov.
Tudi tok lahko teče v vakuumu (na tem principu temelji delovanje na primer vakuumskih cevi). To bo zahtevalo elektrone ali ione.
Električno polje
Kljub prisotnosti brezplačnih nosilcev naboja je večina medijev električno nevtralna. To je razloženo z dejstvom, da se negativni (elektroni) in pozitivni (protoni) delci nahajajo enakomerno, njihova polja pa se medsebojno kompenzirajo. Da nastane polje, morajo biti naboji skoncentrirani na nekem območju. Če so se elektroni nabrali v območju ene (negativne) elektrode, jih bo na nasprotni (pozitivni) elektrodi primanjkovalo in pojavilo se bo polje, ki ustvarja silo, ki deluje na nosilce naboja in jih prisili, da se premikajo.
Sila tretje osebe, ki nosi obtožbe
In tretji pogoj - obstajati mora sila, ki nosi naboje v smeri, nasprotni smeri elektrostatičnega polja, sicer se bodo naboji znotraj zaprtega sistema hitro uravnotežili. Ta tuja sila se imenuje elektromotorna sila. Njegov izvor je lahko drugačen.
Elektrokemična narava
V tem primeru EMF nastane kot posledica pojava elektrokemijskih reakcij. Reakcije so lahko nepopravljive. Primer je galvanski element - dobro znana baterija. Ko so reagenti izčrpani, EMF pade na nič, baterija pa se "sede".
V drugih primerih so lahko reakcije reverzibilne. Torej, v bateriji se EMF pojavi tudi kot posledica elektrokemijskih reakcij. Toda po zaključku se lahko postopek nadaljuje - pod vplivom zunanjega električnega toka bodo reakcije potekale v obratnem vrstnem redu in baterija bo spet pripravljena na tok.
fotovoltaične narave
V tem primeru EMF nastane zaradi delovanja vidnega, ultravijoličnega ali infrardečega sevanja na procese v polprevodniških strukturah. Takšne sile nastanejo v fotocelicah ("sončnih baterijah").Pod vplivom svetlobe v zunanjem vezju nastane električni tok.
termoelektrična narava
Če vzamete dva različna vodnika, ju spajkate in segrejete stičišče, se bo v vezju pojavil EMF zaradi temperaturne razlike med vročim spojem (stičiščem prevodnikov) in hladnim spojem - nasprotnimi konci prevodnikov. Na ta način je mogoče ne le ustvariti tok, ampak tudi izmerite temperaturo z merjenjem nastajajoče emf.
Piezoelektrična narava
Pojavi se, ko so določene trdne snovi stisnjene ali deformirane. Na tem principu deluje električni vžigalnik.
Elektromagnetna narava
Najpogostejši način industrijske proizvodnje električne energije je z enosmernim ali izmeničnim generatorjem. V enosmernem stroju se armatura v obliki okvirja vrti v magnetnem polju in prečka svoje silne črte. V tem primeru nastane EMF, odvisno od hitrosti vrtenja rotorja in magnetnega pretoka. V praksi se sidro uporablja iz velikega števila zavojev, ki tvorijo množico serijsko povezanih okvirjev. EMF, ki nastane v njih, se sešteje.
AT alternator velja enako načelo, vendar se magnet (električni ali stalni) vrti znotraj fiksnega okvirja. Zaradi istih procesov v statorju, EMF, ki ima sinusno obliko. V industrijskem obsegu se skoraj vedno uporablja generacija izmeničnega toka - lažje ga je pretvoriti za transport in praktično uporabo.
Zanimiva lastnost generatorja je reverzibilnost.Sestoji iz dejstva, da če se na sponke generatorja nanese napetost iz zunanjega vira, se bo njegov rotor začel vrteti. To pomeni, da je lahko električni stroj, odvisno od sheme povezave, generator ali elektromotor.
To so le osnovni koncepti takega pojava, kot je električni tok. Pravzaprav so procesi, ki se pojavijo med usmerjenim gibanjem elektronov, veliko bolj zapleteni. Za njihovo razumevanje je potreben globlji študij elektrodinamike.
Podobni članki:
