Syarat kewujudan arus elektrik

Sebagai permulaan, mari kita jawab soalan tentang apa itu arus elektrik. Bateri atas meja yang ringkas tidak menjana arus dengan sendirinya. Dan lampu suluh yang terletak di atas meja tidak akan menghasilkan arus melalui LEDnya begitu sahaja tanpa sebab sama sekali. Untuk arus muncul, sesuatu perlu mengalir ke suatu tempat, sekurang-kurangnya mula bergerak, dan untuk itu litar LED lampu suluh dan bateri perlu ditutup. Bukan untuk apa-apa, pada zaman dahulu arus elektrik dibandingkan dengan pergerakan cecair bercas tertentu.

Malah, kita kini tahu perkara ini elektrik — ini adalah pergerakan terarah zarah bercas, dan analog yang lebih dekat dengan realiti ialah gas bercas — gas zarah bercas yang bergerak di bawah tindakan medan elektrik. Tetapi perkara pertama dahulu.

Arus elektrik ialah pergerakan terarah zarah bercas

Jadi, arus elektrik adalah pergerakan zarah bercas, tetapi pergerakan zarah bercas yang huru-hara juga adalah pergerakan, tetapi masih bukan arus.Begitu juga, molekul bendalir yang berada dalam gerakan haba sepanjang masa tidak mencipta arus kerana jumlah anjakan keseluruhan isipadu bendalir dalam keadaan diam adalah betul-betul sifar.

Untuk aliran bendalir berlaku, gerakan keseluruhan mesti berlaku, iaitu, gerakan keseluruhan molekul bendalir mesti terarah. Oleh itu, pergerakan molekul yang huru-hara akan ditambah kepada pergerakan terarah keseluruhan isipadu, dan aliran keseluruhan isipadu cecair akan berlaku.

Keadaannya sama dengan arus elektrik — pergerakan terarah zarah bercas elektrik ialah arus elektrik. Kelajuan pergerakan haba zarah bercas, contohnya, dalam logam, diukur dalam ratusan meter sesaat, tetapi dalam pergerakan arah, apabila arus tertentu ditetapkan dalam konduktor, kelajuan pergerakan umum zarah diukur dalam bahagian dan unit milimeter sesaat.

Jadi, jika arus terus bersamaan dengan 10 A mengalir dalam dawai logam dengan keratan rentas 1 persegi. Mm, maka kelajuan purata pergerakan elektron tertib adalah dari 0.6 hingga 6 milimeter sesaat. Ini sudah menjadi kejutan elektrik. Dan pergerakan elektron yang perlahan ini cukup untuk wayar, contohnya, nichrome, untuk memanaskan dengan baik, mematuhi Undang-undang Joule-Lenz.

Halaju zarah bukan halaju perambatan medan elektrik!

Perhatikan bahawa arus bermula dalam wayar hampir serta-merta sepanjang keseluruhan isipadu, iaitu, "gerakan" ini merebak di sepanjang wayar pada kelajuan cahaya, tetapi pergerakan zarah bercas itu sendiri adalah 100 bilion kali lebih perlahan. Anda boleh mempertimbangkan analogi paip dengan cecair yang mengalir melaluinya.

Bergerak di sepanjang paip sepanjang 10 meter, contohnya air.Kelajuan air hanya 1 meter sesaat, tetapi aliran tidak merebak pada kelajuan yang sama, tetapi lebih cepat, dan kelajuan penyebaran di sini bergantung pada ketumpatan cecair dan keanjalannya. Oleh itu, medan elektrik merambat sepanjang wayar pada kelajuan cahaya, dan zarah mula bergerak 11 pesanan magnitud lebih perlahan. Lihat juga: Kelajuan arus elektrik

1. Zarah bercas diperlukan untuk kewujudan arus elektrik

Elektron dalam logam dan dalam vakum, ion dalam larutan elektrolit — berfungsi sebagai pembawa cas dan memastikan kehadiran arus dalam pelbagai bahan. Dalam logam, elektron sangat mudah alih, sebahagian daripadanya boleh bergerak bebas dari atom ke atom, seperti gas yang mengisi ruang antara nod kekisi kristal.

Dalam tiub elektron, elektron meninggalkan katod semasa sinaran termionik, bergegas di bawah tindakan medan elektrik ke anod. Dalam elektrolit, molekul terurai dalam air kepada bahagian bercas positif dan negatif dan menjadi bebas daripada ion pembawa cas dalam elektrolit. Iaitu, di mana sahaja arus elektrik boleh wujud, terdapat pembawa cas percuma yang boleh bergerak medan elektrik… Ini adalah syarat pertama untuk kewujudan arus elektrik — kehadiran pembawa cas percuma.

2. Syarat kedua bagi kewujudan arus elektrik ialah daya luar mesti bertindak ke atas cas tersebut

Jika anda sekarang melihat wayar, katakan ia wayar tembaga, maka anda boleh bertanya kepada diri sendiri: apakah yang diperlukan untuk arus elektrik berlaku di dalamnya? Terdapat zarah bercas, elektron, mereka dapat bergerak dengan bebas.

Apa yang akan membuatkan mereka bergerak? Zarah bercas elektrik diketahui berinteraksi dengan medan elektrik. Oleh itu, medan elektrik mesti dicipta dalam wayar, maka potensi akan timbul pada setiap titik wayar, akan ada perbezaan potensi antara hujung wayar, dan elektron akan bergerak ke arah medan - dalam arah dari «-» ke «+», iaitu dalam arah yang bertentangan dengan vektor kekuatan medan elektrik. Medan elektrik akan mempercepatkan elektron, meningkatkan tenaga (kinetik dan magnet) mereka.

Akibatnya, jika kita menganggap medan elektrik hanya digunakan secara luaran pada wayar (kami meletakkan wayar dalam medan elektrik di sepanjang garis daya), maka elektron akan terkumpul pada satu hujung wayar dan cas negatif akan muncul pada itu. hujung, dan kerana elektron dipindahkan dari hujung wayar yang lain, maka akan ada cas positif di atasnya.

Akibatnya, medan elektrik konduktor yang dicas oleh medan elektrik yang digunakan secara luaran akan berada dalam arah sedemikian sehingga melemahkan medan elektrik luaran daripada tindakannya.

Proses pengagihan semula caj akan berterusan hampir serta-merta dan selepas siap arus dalam wayar akan berhenti. Medan elektrik yang terhasil di dalam konduktor akan menjadi sifar, dan daya di hujungnya akan sama dalam magnitud tetapi bertentangan arah dengan medan elektrik yang digunakan secara luaran.

Jika medan elektrik dalam konduktor dicipta oleh sumber arus terus, sebagai contoh, bateri, maka sumber tersebut akan menjadi sumber daya luaran untuk konduktor, iaitu sumber yang akan mewujudkan EMF malar dalam konduktor. dan mengekalkan perbezaan potensi.Jelas sekali, agar arus dapat dikekalkan oleh sumber daya luaran, litar mesti ditutup.