Jei terpėje yra laisvųjų krūvio nešėjų (pvz., elektronų metale), jie nėra ramybės būsenoje, bet juda chaotiškai. Tačiau įmanoma priversti elektronus judėti tvarkingai tam tikra kryptimi. Toks kryptingas įkrautų dalelių judėjimas vadinamas elektros srove.
Turinys
Kaip sukuriama elektros srovė
Jei paimsime du laidininkus ir vieną iš jų įkrausime neigiamai (pridėdami elektronų), o kitą - teigiamai (atimdami iš jo keletą elektronų), susidarys elektrinis laukas. Jei abu elektrodus sujungsite su laidininku, laukas privers elektronus judėti kryptimi, priešinga elektrinio lauko stiprio vektoriaus krypčiai, pagal elektrinės jėgos vektoriaus kryptį. Neigiamai įkrautos dalelės judės nuo elektrodo, kuriame jų yra perteklius, prie elektrodo, kuriame jų trūksta.
Kad elektronai judėtų, nebūtina antrajam elektrodui suteikti teigiamą krūvį. Svarbiausia, kad pirmojo elektrodo neigiamas krūvis būtų didesnis. Galima net abu laidininkus įkrauti neigiamai, tačiau vieno laidininko krūvis turi būti didesnis už kito. Šiuo atveju sakoma, kad potencialų skirtumas sukelia elektros srovę.
Panašiai kaip vandens analogija - jei du indus, pripildytus vandens, sujungsite skirtingais lygiais, vanduo tekės. Jo galva priklausys nuo lygių skirtumo.
Įdomu tai, kad chaotiškas elektronų judėjimas veikiant elektriniam laukui apskritai išlieka, tačiau bendras krūvininkų masės judėjimo vektorius tampa kryptingas. Chaotiškojo judėjimo komponentės greitis siekia kelias dešimtis ar net šimtus kilometrų per sekundę, o kryptinio judėjimo komponentės greitis - kelis milimetrus per minutę. Tačiau smūgis (kai elektronai išilgai laidininko pradeda judėti) sklinda šviesos greičiu, todėl sakoma, kad elektros srovė juda 3*10 greičiu.8 m/sek.
Atliekant pirmiau minėtą eksperimentą srovė laidininku tekės neilgai, kol neigiamai įkrautame laidininke pritrūks perteklinių elektronų ir elektronų skaičius abiejuose poliuose susilygins. Šis laikas trumpas - mažytė sekundės dalis.
Grįžti atgal į iš pradžių neigiamai įkrautą elektrodą ir sukurti perteklinį krūvį nešikliams neleidžia tas pats elektrinis laukas, kuris perkėlė elektronus iš minuso į pliusą. Todėl turi būti išorinė jėga, veikianti prieš elektrinį lauką ir viršijanti jį. Vandens analogijoje turi būti siurblys, kuris pumpuoja vandenį atgal į viršutinį lygį, kad būtų užtikrintas nuolatinis vandens srautas.
Srovės kryptis
Srovės kryptis yra nuo pliuso iki minuso, t. y. teigiamai įkrautų dalelių kryptis yra priešinga elektronų krypčiai. Taip yra dėl to, kad elektros srovės reiškinys buvo atrastas daug anksčiau, nei buvo išaiškinta jos prigimtis, ir buvo manoma, kad srovė teka šia kryptimi. Iki to laiko buvo sukaupta daug straipsnių ir kitos literatūros šia tema, atsirado sąvokų, apibrėžimų ir įstatymų. Kad nereikėtų peržiūrėti daugybės jau paskelbtos medžiagos, tiesiog nustatėme srovės kryptį prieš elektronų srautą.
Jei srovė visą laiką teka ta pačia kryptimi (net jei jos stiprumas kinta), ji vadinama nuolatinė srovė. Jei jos kryptis kinta, ji vadinama kintamąja srove. Praktiškai kryptis keičiasi pagal dėsnį, pvz., sinusoidės dėsnį. Jei srovės tekėjimo kryptis nesikeičia, bet srovė periodiškai krinta iki nulio ir kyla iki didžiausios vertės, kalbama apie impulsinę srovę (įvairių formų).
Elektros srovės palaikymo grandinėje prielaidos
Pirmiau buvo išvestos trys elektros srovės egzistavimo uždaroje grandinėje sąlygos. Jie turi būti išsamiai išnagrinėti.
Nemokami vežėjai
Pirmoji būtina elektros srovės egzistavimo sąlyga yra laisvųjų krūvio nešiklių egzistavimas. Įkrovos neegzistuoja atskirai nuo jų nešiklių, todėl turime atsižvelgti į daleles, kurios gali nešti krūvį.
Metaluose ir kitose panašaus laidumo medžiagose (grafite ir kt.) tai yra laisvieji elektronai. Jie silpnai sąveikauja su branduoliu ir gali palikti atomą bei palyginti laisvai judėti laidininko viduje.
Be to, laisvieji elektronai yra krūvio nešėjai puslaidininkiuose, tačiau kai kuriais atvejais šios klasės kietuosiuose kūnuose kalbama apie "skylių" laidumą (priešingai nei apie "elektronų" laidumą). Ši sąvoka reikalinga tik fizikiniams procesams apibūdinti; iš tikrųjų srovė puslaidininkiuose yra vis tas pats elektronų judėjimas. Medžiagos, kuriose elektronai negali palikti atomo, yra dielektrikai. Juose srovė neatsiranda.
Skysčiuose teigiami ir neigiami jonai turi krūvį. Tai reiškia skysčius, kurie yra elektrolitai. Pavyzdžiui, vanduo, kuriame ištirpinta druska. Pats vanduo yra elektriškai gana neutralus, tačiau į jį patekę kietosios medžiagos ir skysčiai tirpsta ir disocijuoja (skyla), sudarydami teigiamus ir neigiamus jonus. Ir išlydytuose metaluose (pvz., gyvsidabryje) tie patys elektronai yra krūvio nešėjai.
Dujos iš esmės yra dielektrikai. Jose nėra laisvų elektronų - dujas sudaro neutralūs atomai ir molekulės. Tačiau jei dujos yra jonizuotos, sakoma, kad ketvirtoji agregatinė medžiagos būsena yra plazma. Jame taip pat gali tekėti elektros srovė; ji atsiranda dėl kryptingo elektronų ir jonų judėjimo.
Srovė gali tekėti ir vakuume (šiuo principu veikia, pvz., elektroniniai vamzdžiai). Tam reikia elektronų arba jonų.
Elektrinis laukas
Nepaisant laisvųjų krūvio nešiklių, dauguma aplinkų yra elektriškai neutralios. Taip yra todėl, kad neigiamos (elektronai) ir teigiamos (protonai) dalelės yra vienodai išsidėsčiusios ir jų laukai vienas kitą panaikina. Kad atsirastų laukas, krūviai turi susitelkti tam tikroje srityje. Jei elektronai koncentruojasi vieno (neigiamo) elektrodo srityje, priešingame (teigiamame) elektrode jų trūks ir susidarys laukas, sukuriantis jėgą, kuri veikia krūvio nešėjus ir verčia juos judėti.
Išorinė jėga, perduodanti krūvius
Ir trečioji sąlyga - turi veikti jėga, kuri perneša krūvius kryptimi, priešinga elektrostatinio lauko krypčiai, nes priešingu atveju krūviai uždaroje sistemoje greitai susibalansuos. Ši išorinė jėga vadinama elektromagnetine jėga. Jo kilmė gali būti kitokia.
Elektrocheminės prigimties
Šiuo atveju elektromagnetinis laukas yra elektrocheminės reakcijos rezultatas. Reakcijos gali būti negrįžtamos. Gerai žinomas akumuliatorius yra galvaninio elemento pavyzdys. Kai reagentai išsenka, elektromagnetinis laukas sumažėja iki nulio ir baterija išsijungia.
Kitais atvejais reakcijos gali būti grįžtamosios. Pavyzdžiui, akumuliatoriuje elektromagnetinis laukas taip pat atsiranda dėl elektrocheminių reakcijų. Tačiau kai jos baigsis, procesą galima atnaujinti - veikiant išorinei elektros srovei, reakcijos vyks atvirkščiai ir baterija vėl bus pasirengusi atiduoti srovę.
Fotovoltinė gamtoje
Šiuo atveju EML atsiranda dėl regimosios, ultravioletinės arba infraraudonosios spinduliuotės poveikio procesams puslaidininkinėse struktūrose. Tokios jėgos veikia fotovoltiniuose elementuose (saulės elementuose). Šviesa sukelia elektros srovės tekėjimą išorinėje grandinėje.
Termoelektrinis pobūdis
Jei paimsite du nepanašius laidininkus, sulituosite juos ir įkaitinsite jungtį, grandinėje dėl temperatūros skirtumo tarp karštos jungties (laidininkų sandūros) ir šaltosios jungties - priešingų laidininkų galų - atsiras elektromagnetinis laukas. Taip galite ne tik generuoti srovę, bet ir matuoti temperatūrą matuojant atsirandantį elektromagnetinį lauką.
Pjezoelektrinis pobūdis
Atsiranda, kai tam tikri kietieji kūnai yra suspaudžiami arba deformuojami. Šiuo principu veikia elektrinis žiebtuvėlis.
Elektromagnetinis pobūdis
Dažniausiai pramonėje elektros energija gaminama naudojant nuolatinės arba kintamosios srovės generatorių. Nuolatinės srovės mašinoje rėmo pavidalo armatūra sukasi magnetiniame lauke, kirsdama jo jėgų linijas. Taip susidaro elektromagnetinis laukas, kuris priklauso nuo rotoriaus sukimosi greičio ir magnetinio srauto. Praktikoje naudojama armatūra, sudaryta iš daugelio nuosekliai sujungtų ričių, sudarančių daugybę rėmų. Gautos EMP sudedamos.
В Alternatorius naudojamas tas pats principas, tačiau magnetas (elektrinis arba nuolatinis) sukasi nejudančiame rėmelyje. Dėl tų pačių procesų statoriuje taip pat susidaro elektromagnetinis laukas. EMPkuris yra sinusoidės formos. Kintamosios srovės generavimas beveik visada naudojamas pramonėje - ją lengviau paversti transporto ir praktiniais tikslais.
Įdomi generatoriaus savybė yra ta, kad jis yra grįžtamasis. Jei į generatoriaus gnybtus iš išorinio šaltinio bus įjungta įtampa, jo rotorius pradės suktis. Tai reiškia, kad, priklausomai nuo jungimo schemos, elektros mašina gali būti generatorius arba elektros variklis.
Tai tik pagrindinės elektros srovės reiškinio sąvokos. Iš tikrųjų elektronų judėjimo krypties procesai yra daug sudėtingesni. Norint juos suprasti, reikėtų nuodugniau studijuoti elektrodinamiką.
Susiję straipsniai:
