Koncept elektrického proudu

Elektrický proud – řízený pohyb nabitých částic v elektrickém poli.

Nabité částice mohou být elektrony nebo ionty (nabité atomy).

Atom, který ztratil jeden nebo více elektronů, získává kladný náboj. – Anion (kladný ion).
Atom, který získal jeden nebo více elektronů, získává záporný náboj. – Kation (záporný iont).
Ionty jako pohyblivé nabité částice jsou považovány v kapalinách a plynech.

V kovech jsou nosiče náboje volné elektrony jako záporně nabité částice.

U polovodičů uvažujeme pohyb (pohyb) záporně nabitých elektronů od jednoho atomu k druhému a v důsledku toho pohyb mezi atomy vzniklých kladně nabitých vakancí – děr.

Pro směr elektrického proudu směr pohybu kladných nábojů se běžně předpokládá. Toto pravidlo bylo zavedeno dávno před studiem elektronu a zachovalo se dodnes. Podobně se určuje síla elektrického pole pro kladný zkušební náboj.

Na každé jedno nabití q v elektrickém poli intenzity E síla působí F = qE, který pohybuje nábojem ve směru vektoru této síly.

Obrázek ukazuje, že vektor síly F_– = -qEpůsobící na negativní náboj -q, směřuje ve směru opačném k vektoru intenzity pole jako součin vektoru E na zápornou hodnotu. Proto záporně nabité elektrony, které jsou nosiči náboje v kovových vodičích, mají ve skutečnosti směr pohybu opačný k vektoru intenzity pole a obecně akceptovanému směru elektrického proudu.

Množství nabití Q u1d XNUMX přívěsek se v čase pohyboval napříč průřezem vodiče t = 1 sekunda, určená velikostí proudu I u1d XNUMX ampér z poměru:

Současný poměr I u1d XNUMX ampér ve vodiči k jeho průřezové ploše S = 1 m 2 určí proudovou hustotu j u1d 2 A / m XNUMX:

Práce A u1d XNUMX Joule vynaložený na přepravu náboje Q = 1 Coulomb z bodu 1 do bodu 2 určí hodnotu elektrického napětí U = 1 volt jako rozdíl potenciálu φ₁ и φ₂ mezi těmito body z výpočtu:

U = A/Q = φ₁ – φ₂

Elektrický proud může být stejnosměrný nebo střídavý.

Stejnosměrný proud je elektrický proud, jehož směr a velikost se s časem nemění.

Střídavý proud je elektrický proud, jehož velikost a směr se v čase mění.

Již v roce 1826 německý fyzik Georg Ohm objevil důležitý zákon elektřiny, který určuje kvantitativní vztah mezi elektrickým proudem a vlastnostmi vodiče, které charakterizují jejich schopnost odolávat elektrickému proudu.
Tyto vlastnosti se následně staly známými jako elektrický odpor, označovaný písmenem R a měřeno v ohmech na počest objevitele.
Ohmův zákon v moderní interpretaci klasického poměru U/R určuje velikost elektrického proudu ve vodiči na základě napětí U na koncích tohoto vodiče a jeho odporu R:

Elektrický proud ve vodičích

Vodiče obsahují volné nosiče náboje, které se vlivem elektrického pole pohybují a vytvářejí elektrický proud.

V kovových vodičích jsou nosiči náboje volné elektrony.
S nárůstem teploty chaotický tepelný pohyb atomů brání usměrněnému pohybu elektronů a zvyšuje se odpor vodiče.
Když se ochladí a teplota má tendenci k absolutní nule, když se tepelný pohyb zastaví, odpor kovu má tendenci k nule.

Elektrický proud v kapalinách (elektrolytech) existuje jako řízený pohyb nabitých atomů (iontů), které vznikají v procesu elektrolytické disociace.
Ionty se pohybují směrem k elektrodám opačného znaménka a jsou neutralizovány a usazují se na nich. – Elektrolýza.
Anionty jsou kladné ionty. Přesouvají se k záporné elektrodě – katodě.
Kationty jsou záporné ionty. Přesouvají se ke kladné elektrodě – anodě.
Faradayovy zákony elektrolýzy určují hmotnost látky uvolněné na elektrodách.
Při zahřívání se odpor elektrolytu snižuje v důsledku zvýšení počtu molekul rozložených na ionty.

Elektrický proud v plynech – plazma. Elektrický náboj nesou kladné nebo záporné ionty a volné elektrony, které vznikají působením záření.

Ve vakuu je elektrický proud, jako tok elektronů od katody k anodě. Používá se v katodových zařízeních – lampách.

Elektrický proud v polovodičích

Polovodiče zaujímají střední polohu mezi vodiči a dielektriky z hlediska jejich měrného odporu.
Za významný rozdíl mezi polovodiči a kovy lze považovat závislost jejich měrného odporu na teplotě.
S klesající teplotou odpor kovů klesá, u polovodičů naopak roste.
Vzhledem k tomu, že teplota směřuje k absolutní nule, kovy mají tendenci stát se supravodiči a polovodiče mají tendenci stát se izolanty.
Faktem je, že v absolutní nule budou elektrony v polovodičích zaneprázdněny vytvářením kovalentní vazby mezi atomy krystalové mřížky a v ideálním případě nebudou žádné volné elektrony.
Se zvýšením teploty mohou některé z valenčních elektronů přijmout energii dostatečnou k rozbití kovalentních vazeb a v krystalu se objeví volné elektrony a v bodech zlomu se vytvoří volná místa, která se nazývají díry.
Prázdné místo může obsadit valenční elektron ze sousedního páru a díra se přesune na nové místo v krystalu.
Když se volný elektron setká s dírou, obnoví se elektronová vazba mezi atomy polovodiče a dojde k opačnému procesu – rekombinaci.
Páry elektron-díra se mohou objevit a rekombinovat, když je polovodič osvětlen v důsledku energie elektromagnetického záření.
V nepřítomnosti elektrického pole se elektrony a díry účastní chaotického tepelného pohybu.
V elektrickém poli se uspořádaného pohybu účastní nejen vzniklé volné elektrony, ale také díry, které jsou považovány za kladně nabité částice. Aktuální I v polovodiči se skládá z elektroniky I_n a díra I_p proudy.

Mezi polovodiče patří takové chemické prvky jako germanium, křemík, selen, telur, arsen atd. Nejběžnějším polovodičem v přírodě je křemík.

Objevy související s elektřinou dramaticky změnily naše životy. Pomocí elektrického proudu jako zdroje energie lidstvo učinilo průlom v technologiích, které nám usnadnily existenci. Dnes elektřina pohání soustruhy, automobily, řídí robotická zařízení a zajišťuje komunikaci. V tomto seznamu lze pokračovat velmi dlouho. Je dokonce těžké pojmenovat odvětví, kde se obejdete bez elektřiny.

Jaké je tajemství tak masivního využívání elektřiny? V přírodě totiž existují i ​​jiné zdroje energie, které jsou levnější než elektřina. Ukázalo se, že je to všechno o dopravě.

Elektrickou energii lze dodávat téměř kamkoli:

• do výrobní haly;
• byt;
• na poli;
• do dolu, pod vodu atd.

Elektřinu uloženou v baterii můžete nosit s sebou. Používáme ho každý den, bereme s sebou mobilní telefon. Žádná jiná forma energie nemá tak univerzální vlastnosti jako elektřina. Není to dostatečný důvod k hlubšímu studiu podstaty a vlastností elektřiny?

Co je elektrický proud?

Elektrické jevy byly pozorovány odedávna, ale jejich podstatu se člověku podařilo vysvětlit poměrně nedávno. Úder blesku vypadal jako něco nepřirozeného, ​​nevysvětlitelného. Zdálo se zvláštní, že některé předměty při tření praskaly. Hřeben jiskřící ve tmě po česání srsti zvířat (například koček) způsobil zmatek, ale podnítil zájem o tento jev.

Jak to všechno začalo

Dokonce i staří Řekové znali vlastnost jantaru, nošeného na vlně, přitahovat nějaké drobné předměty. Mimochodem, název “elektřina” pochází z řeckého názvu pro jantar – “elektron”.

Když fyzici přišli na kloub studiu elektrifikace těles, začali chápat podstatu takových jevů. A první krátkodobý elektrický proud vytvořený člověkem se objevil, když byly dva elektrifikované předměty spojeny vodičem (viz obr. 1). V roce 1729 Angličané Gray a Wheeler objevili vedení nábojů některými materiály. Ale nemohli dát definici elektrického proudu, ačkoli pochopili, že náboje se pohybují z jednoho těla do druhého podél vodiče.

Rýže. 1. Zkušenosti s nabitými tělesy

O elektrickém proudu jako o fyzikálním jevu se začalo mluvit až poté, co Ital Volta podal vysvětlení pro Galvaniho experimenty a v roce 1794 vynalezl první zdroj elektřiny na světě – galvanický článek (Voltův sloup). Doložil uspořádaný pohyb nabitých částic po uzavřeném okruhu.

Definice

Elektrický proud se v moderní interpretaci nazývá směrový pohyb sil elektrického pole nabitých částic, nosiči náboje kovových vodičů jsou elektrony, roztoky kyselin a solí jsou záporné a kladné ionty. Polovodičovými nosiči náboje jsou elektrony a díry.

Aby elektrický proud existoval, je nutné neustále udržovat elektrické pole. Musí existovat potenciální rozdíl, který podporuje přítomnost prvních dvou podmínek. Dokud jsou tyto podmínky splněny, budou se náboje pohybovat uspořádaným způsobem sekcemi uzavřeného elektrického obvodu. Tento úkol plní zdroje elektrické energie.

Takové podmínky lze vytvořit např. pomocí elektroforového stroje (obr. 2). Pokud se dva disky otočí v opačných směrech, budou nabity opačnými náboji. Na kartáčích sousedících s disky se objeví potenciální rozdíl. Spojením kontaktů s vodičem zajistíme, aby se nabité částice pohybovaly uspořádaným způsobem. To znamená, že elektroforový stroj je zdrojem elektřiny.

Obrázek 2. Elektroforový stroj

Aktuální zdroje

Prvními zdroji elektrické energie, které našly praktické uplatnění, byly výše zmíněné galvanické články. Vylepšené galvanické články (lidový název – baterie) se hojně používají dodnes. Používají se k napájení dálkových ovladačů, elektronických hodinek, dětských hraček a mnoha dalších vychytávek.

S vynálezem generátorů střídavého proudu získala elektřina druhý vítr. Začala éra elektrifikace měst a později všech sídel. Elektrická energie se stala dostupnou pro všechny občany vyspělých zemí.

Dnes lidstvo hledá obnovitelné zdroje elektřiny. Solární panely, větrné elektrárny již zabírají svá místa v energetických systémech mnoha zemí, včetně Ruska.

Vlastnosti

Elektrický proud je charakterizován veličinami, které popisují jeho vlastnosti.

Síla a proudová hustota

Termín “proud” se často používá k popisu charakteristik elektřiny. Název není zcela úspěšný, protože charakterizuje pouze intenzitu pohybu elektrických nábojů a ne nějaký druh síly v doslovném smyslu. Tento termín se však používá a znamená množství elektřiny (náboje) procházející rovinou průřezu vodiče. Jednotkou SI proudu je ampér (A).

1 A znamená, že za jednu sekundu projde průřezem vodiče elektrický náboj 1 C. (1A = 1 C/s).

Proudová hustota je vektorová veličina. Vektor směřuje k pohybu kladných nábojů. Modul tohoto vektoru se rovná poměru síly proudu na některé části vodiče kolmé ke směru pohybu náboje k ploše této části. V soustavě SI se měří v A/m2. Hustota charakterizuje elektřinu prostorněji, v praxi se však častěji používá hodnota „síla proudu“.

Rozdíl potenciálů (napětí) v části obvodu je vyjádřen poměrem: U = I×RKde U – Napětí, I je současná síla a R – odpor. Toto je slavný Ohmův zákon pro úsek obvodu.

Elektrické síly působí proti aktivnímu a reaktivnímu odporu. Na pasivních odporech se práce přeměňuje na tepelnou energii. Výkon je práce vykonaná za jednotku času. Ve vztahu k elektřině se používá termín „výkon tepelných ztrát“. Fyzici Joule a Lenz dokázali, že tepelná ztráta vodiče se rovná proudu vynásobenému napětím: P = I× U. Jednotkou výkonu je watt (W).

Frekvence

Střídavý proud je také charakterizován frekvencí. Tato charakteristika ukazuje, jak se mění počet period (oscilací) za jednotku času. Jednotkou frekvence je hertz. 1 Hz = 1 cyklus za sekundu. Standardní frekvence průmyslového proudu je 50 Hz.

Zkreslený proud

Koncept “předpětí” byl zaveden pro pohodlí, i když v klasickém smyslu nemůže být nazýván proudem, protože nedochází k přenosu náboje. Na druhé straně intenzita magnetického pole závisí na kondukčních a posuvných proudech.

V kondenzátorech lze pozorovat posuvné proudy. Navzdory skutečnosti, že během nabíjení a vybíjení nedochází k žádnému pohybu náboje mezi deskami kondenzátoru, předpětí proudí kondenzátorem a uzavírá elektrický obvod.

Druhy proudu

Podle způsobu generování a vlastností může být elektrický proud konstantní a proměnný. Trvalý je takový, který nemění svůj směr. Plyne vždy jedním směrem. Střídavý proud periodicky mění směr. AC označuje jakýkoli jiný proud než DC. Pokud se okamžité hodnoty opakují v nezměněném pořadí v pravidelných intervalech, pak se takový elektrický proud nazývá periodický.

AC klasifikace

Časově proměnlivé proudy lze klasifikovat takto:

1. Sinusový, poslouchající sinusovou funkci v čase.
2. kvazistacionární – proměnlivý, pomalu se měnící v čase. Konvenční průmyslové proudy jsou kvazistacionární.
3. Vysoká frekvence – jejíž frekvence přesahuje desítky kHz.
4. Pulzující – pulz, který se periodicky mění.

Existují také vířivé proudy, které vznikají ve vodiči při změně magnetického toku. Bludné Foucaultovy proudy, jak se jim také říká, neprotékají dráty, ale tvoří vírové obvody. Indukční proud má stejnou povahu jako vířivý proud.

Rychlost driftu elektronů

Elektřina se šíří kovovým vodičem rychlostí světla. To ale neznamená, že nabité částice spěchají od pólu k pólu stejnou rychlostí. Elektrony v kovových vodičích se na své cestě setkávají s odporem atomů, takže jejich skutečný pohyb je pouze 0,1 mm za sekundu. Skutečná, uspořádaná rychlost pohybu elektronů ve vodiči se nazývá drift.

Pokud uzavřete póly napájecího zdroje vodičem, pak se kolem vodiče vytvoří elektrické pole rychlostí blesku. Čím více zdrojů EMF, tím silnější je síla elektrického pole. Nabité částice, které reagují na napětí, okamžitě převezmou uspořádaný pohyb a začnou se unášet.

Směr elektrického proudu

Tradičně se má za to, že vektor elektrického proudu směřuje k zápornému pólu zdroje. Ale ve skutečnosti se elektrony pohybují směrem ke kladnému pólu. Tradice vznikla díky tomu, že směr vektoru byl zvolen jako pohyb kladných iontů v elektrolytech, které skutečně tíhnou k zápornému pólu.

Vodivostní elektrony se záporným nábojem v kovech byly objeveny později, ale fyzici své původní přesvědčení nezměnili. To posílilo tvrzení, že proud je směrován z plusu do mínusu.

Elektrický proud v různých prostředích

v kovech

Nosiče proudu v kovových vodičích jsou volné elektrony, které díky slabým elektrickým vazbám náhodně putují uvnitř krystalových mřížek (obr. 3). Jakmile se ve vodiči objeví EMF, elektrony se začnou unášet uspořádaným směrem ke kladnému pólu zdroje energie.

Rýže. 3. Elektrický proud v kovech

V důsledku průchodu proudu vzniká odpor vodičů, který brání toku elektronů a vede k zahřívání. Při zkratu je vývin tepla tak silný, že zničí vodič.

v polovodičích

V normálním stavu nemá polovodič žádné volné nosiče náboje. Ale pokud spojíte dva různé typy polovodičů, pak se při přímém připojení změní na vodič. To se děje proto, že jeden typ má kladně nabité ionty (díry), zatímco druhý má záporné ionty (atomy s elektronem navíc).

Pod napětím elektrony z jednoho polovodiče spěchají nahradit (rekombinovat) díry v jiném. Vzniká nařízený pohyb volných poplatků. Tento typ vodivosti se nazývá vodivost elektronových děr.

Ve vakuu a plynu

Elektrický proud je také možný v ionizovaném plynu. Náboj je přenášen kladnými a zápornými ionty. Ionizace plynů je možná působením záření nebo vlivem silného zahřívání. Vlivem těchto faktorů dochází k excitaci atomů, které se mění na ionty (obr. 4).

Obr 4. Elektrický proud v plynech

Ve vakuu se proto elektrické náboje nesetkají s odporem. nabité částice se pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla. Nosiče náboje jsou elektrony. Pro vznik proudu ve vakuu je nutné vytvořit na elektrodě zdroj elektronů a dostatečně velký kladný potenciál.

Příkladem je provoz vakuové trubice nebo katodové trubice.

V tekutinách

Udělejme hned rezervaci – ne všechny kapaliny jsou vodiče. Elektrický proud je možný v kyselých, alkalických a solných roztocích. Tedy v prostředí, kde jsou nabité ionty.

Pokud se do roztoku spustí dvě elektrody a připojí se k pólům zdroje, pak mezi nimi poteče elektrický proud (obr. 5). Působením EMF budou kationty spěchat ke katodě (minus) a anionty k anodě. V tomto případě dojde k chemickému působení na elektrody – budou se na nich usazovat atomy rozpuštěných látek. Tento jev se nazývá elektrolýza.

Rýže. 5. Elektrický proud v kapalinách

Pro lepší pochopení vlastností elektrického proudu v různých prostředích navrhuji zvážit obrázek na obrázku 6. Věnujte pozornost charakteristikám proud-napětí (4. sloupec).

Rýže. 6. Elektrický proud v médiích

Elektrické vodiče

Mezi mnoha látkami je pouze několik vodičů. Kovy jsou dobrými vodiči. Důležitou vlastností vodiče je jeho odpor.

Existuje malý odpor:

• všechny ušlechtilé kovy;
• měď;
• hliník
• cín;
• Vést.

V praxi se nejčastěji používají hliníkové a měděné vodiče, protože nejsou příliš drahé.

elektrická bezpečnost

Navzdory skutečnosti, že elektřina pevně vstoupila do našich životů, neměli bychom zapomínat na elektrickou bezpečnost. Vysoké napětí je životu nebezpečné a zkraty způsobují požáry.

Při provádění oprav je nutné přísně dodržovat bezpečnostní pravidla: nepracujte pod vysokým napětím, používejte ochranný oděv a speciální nářadí, používejte uzemňovací nože atd.

V každodenním životě používejte pouze elektrické zařízení, které je navrženo pro práci v příslušné síti. Nikdy nedávejte „štěnice“ místo pojistek.

Pamatujte, že výkonné elektrolytické kondenzátory mají velkou elektrickou kapacitu. Energie v nich nahromaděná může způsobit škody i pár minut po odpojení od sítě.