Podmienky existencie elektrického prúdu

Na začiatok si odpovedzme na otázku, čo je elektrický prúd. Jednoduchá stolová batéria sama o sebe nevytvára prúd. A baterka ležiaca na stole nebude vytvárať prúd cez svoje LED diódy len tak bez dôvodu. Aby sa objavil prúd, musí niekam niečo tiecť, aspoň sa dať do pohybu a na to sa musí uzavrieť okruh LED baterky a batérie. Nie nadarmo sa za starých čias elektrický prúd prirovnával k pohybu určitej nabitej kvapaliny.

V skutočnosti to teraz vieme elektriny - toto je riadený pohyb nabitých častíc a že bližším analógom k realite by bol nabitý plyn - plyn nabitých častíc pohybujúcich sa pôsobením elektrického poľa. Ale prvé veci.

Elektrický prúd je riadený pohyb nabitých častíc

Takže elektrický prúd je pohyb nabitých častíc, ale aj chaotický pohyb nabitých častíc je tiež pohyb, ale stále nie prúd.Rovnako tak molekuly tekutiny, ktoré sú neustále v tepelnom pohybe, nevytvárajú prúdy, pretože celkový posun celého objemu tekutiny v pokoji je presne nulový.

Aby došlo k prúdeniu tekutiny, musí nastať celkový pohyb, to znamená, že celkový pohyb molekúl tekutiny musí byť usmernený. K usmernenému pohybu celého objemu sa teda pripočíta chaotický pohyb molekúl a dôjde k prúdeniu celého objemu kvapaliny.

Podobná situácia je s elektrickým prúdom — usmernený pohyb elektricky nabitých častíc je elektrický prúd. Rýchlosť tepelného pohybu nabitých častíc, napríklad v kove, sa meria v stovkách metrov za sekundu, ale pri smerovom pohybe, keď je vo vodiči nastavený určitý prúd, sa rýchlosť všeobecného pohybu častíc meria v časti a jednotky milimetrov za sekundu.

Ak teda v kovovom drôte s prierezom 1 mm2 preteká jednosmerný prúd rovný 10 A, potom priemerná rýchlosť usporiadaného pohybu elektrónov bude od 0,6 do 6 milimetrov za sekundu. To už bude zásah elektrickým prúdom. A tento pomalý pohyb elektrónov stačí na to, aby sa drôt, napríklad z nichrómu, dobre zahrial a poslúchol Joule-Lenzov zákon.

Rýchlosť častíc nie je rýchlosť šírenia elektrického poľa!

Všimnite si, že prúd začína v drôte takmer okamžite v celom objeme, to znamená, že tento "pohyb" sa šíri pozdĺž drôtu rýchlosťou svetla, ale samotný pohyb nabitých častíc je 100 miliárd krát pomalší. Môžete zvážiť analógiu potrubia, cez ktoré preteká kvapalina.

Pohyb po potrubí s dĺžkou 10 metrov, napríklad voda.Rýchlosť vody je len 1 meter za sekundu, ale prúd sa nešíri rovnakou rýchlosťou, ale oveľa rýchlejšie, pričom rýchlosť šírenia tu závisí od hustoty kvapaliny a jej pružnosti. Elektrické pole sa teda šíri po drôte rýchlosťou svetla a častice sa začnú pohybovať o 11 rádov pomalšie. Pozri tiež: Rýchlosť elektrického prúdu

1. Nabité častice sú nevyhnutné pre existenciu elektrického prúdu

Elektróny v kovoch a vo vákuu, ióny v roztokoch elektrolytov — slúžia ako nosiče náboja a zabezpečujú prítomnosť prúdu v rôznych látkach. V kovoch sú elektróny veľmi mobilné, niektoré z nich sa môžu voľne pohybovať z atómu na atóm, ako plyn vypĺňajúci priestor medzi uzlami kryštálovej mriežky.

V elektrónových trubiciach opúšťajú elektróny katódu počas termionického žiarenia a rútia sa pôsobením elektrického poľa k anóde. V elektrolytoch sa molekuly vo vode rozpadajú na kladne a záporne nabité časti a stávajú sa voľnými nosičmi náboja v elektrolytoch. To znamená, že všade tam, kde môže existovať elektrický prúd, existujú voľné nosiče náboja, ktoré sa môžu pohybovať elektrické pole… Toto je prvá podmienka existencie elektrického prúdu – prítomnosť voľných nosičov náboja.

2. Druhou podmienkou existencie elektrického prúdu je, že na náboj musia pôsobiť vonkajšie sily

Ak sa teraz pozriete na drôt, povedzme, že je to medený drôt, potom si môžete položiť otázku: čo je potrebné na to, aby sa v ňom objavil elektrický prúd? Existujú nabité častice, elektróny, sú schopné voľne sa pohybovať.

Čo ich prinúti pohybovať sa? Je známe, že elektricky nabitá častica interaguje s elektrickým poľom. Preto sa v drôte musí vytvoriť elektrické pole, potom v každom bode drôtu vznikne potenciál, medzi koncami drôtu bude rozdiel potenciálov a elektróny sa budú pohybovať v smere poľa — v v smere od «-» k «+», teda v smere opačnom k ​​vektoru intenzity elektrického poľa. Elektrické pole urýchli elektróny a zvýši ich (kinetickú a magnetickú) energiu.

V dôsledku toho, ak vezmeme do úvahy elektrické pole jednoducho aplikované zvonka na drôt (drôt sme umiestnili do elektrického poľa pozdĺž siločiar), potom sa elektróny nahromadia na jednom konci drôtu a objaví sa záporný náboj. koniec a keďže sa elektróny presúvajú z druhého konca drôtu, bude na ňom kladný náboj.

V dôsledku toho bude elektrické pole vodiča nabitého externe aplikovaným elektrickým poľom v takom smere, aby zoslabilo vonkajšie elektrické pole od jeho pôsobenia.

Proces prerozdeľovania nábojov bude pokračovať takmer okamžite a po jeho ukončení sa prúd v drôte zastaví. Výsledné elektrické pole vo vnútri vodiča bude nulové a sila na koncoch bude mať rovnakú veľkosť, ale v opačnom smere ako elektrické pole aplikované zvonka.

Ak je elektrické pole vo vodiči vytvorené zdrojom jednosmerného prúdu, napríklad batériou, potom sa takýto zdroj stane zdrojom vonkajších síl pre vodič, to znamená zdrojom, ktorý vytvorí konštantné EMF vo vodiči. a zachovať potenciálny rozdiel.Je zrejmé, že na to, aby bol prúd udržiavaný vonkajším zdrojom sily, musí byť obvod uzavretý.