Nếu có các hạt tải điện tự do trong bất kỳ môi trường nào (ví dụ, các electron trong kim loại), thì chúng không dừng lại, mà chuyển động ngẫu nhiên. Nhưng bạn có thể làm cho các electron chuyển động có trật tự theo một hướng nhất định. Chuyển động có hướng của các hạt mang điện được gọi là dòng điện.
Nội dung
Dòng điện được tạo ra như thế nào
Nếu chúng ta lấy hai vật dẫn, và một trong số chúng mang điện âm (thêm các electron vào nó), và vật kia mang điện dương (lấy đi một số electron từ nó), thì một điện trường sẽ xuất hiện. Nếu bạn nối cả hai điện cực bằng một vật dẫn, thì trường sẽ ép các electron chuyển động ngược chiều vectơ điện trường, ngược hướng với vectơ lực điện. Các hạt mang điện tích âm sẽ di chuyển từ điện cực thừa sang điện cực thiếu.
Để xảy ra sự chuyển động của êlectron, không cần thiết phải truyền điện tích dương sang điện cực thứ hai. Điều chính là điện tích âm của cái đầu tiên cao hơn. Thậm chí có thể tích điện âm cho cả hai vật dẫn, nhưng một vật dẫn phải có điện tích lớn hơn vật dẫn kia. Trong trường hợp này, người ta nói về sự khác biệt tiềm năng gây ra dòng điện.
Tương tự với nước, nếu bạn nối hai bình chứa đầy nước ở các tầng khác nhau, một dòng nước sẽ xuất hiện. Áp suất của nó sẽ phụ thuộc vào sự khác biệt về mức độ.
Điều thú vị là chuyển động hỗn loạn của các electron dưới tác dụng của điện trường nói chung được bảo toàn, nhưng vectơ chuyển động chung của khối lượng các hạt mang điện lại có đặc tính là hướng. Nếu thành phần "hỗn loạn" của chuyển động có tốc độ vài chục, thậm chí hàng trăm km / giây, thì thành phần định hướng là vài milimét trên phút. Nhưng va chạm (khi các êlectron chuyển động dọc theo chiều dài của dây dẫn) truyền với tốc độ ánh sáng, do đó người ta nói rằng dòng điện chuyển động với tốc độ 3 * 108 m / giây.
Trong khuôn khổ của thí nghiệm trên, dòng điện trong vật dẫn sẽ không tồn tại lâu - cho đến khi hết các electron dư thừa trong vật dẫn mang điện tích âm, và số lượng của chúng ở cả hai cực không cân bằng. Thời gian này là nhỏ - phần nhỏ không đáng kể của giây.
Quay trở lại điện cực ban đầu tích điện âm và tạo ra điện tích thừa trên các hạt tải điện không cho cùng điện trường làm dịch chuyển các êlectron từ cực âm sang cộng. Do đó phải có ngoại lực tác dụng ngược lại cường độ điện trường và vượt qua nó.Tương tự với nước, phải có máy bơm bơm ngược nước lên tầng trên để tạo dòng nước chảy liên tục.
Hướng hiện tại
Chiều từ cộng sang âm được coi là chiều của dòng điện, tức là chiều chuyển động của các hạt mang điện dương ngược với chiều chuyển động của các electron. Điều này là do hiện tượng dòng điện được phát hiện sớm hơn nhiều so với sự giải thích về bản chất của nó, và người ta tin rằng dòng điện đi theo hướng này. Vào thời điểm đó, một số lượng lớn các bài báo và tài liệu khác về chủ đề này đã tích lũy, các khái niệm, định nghĩa và định luật đã xuất hiện. Để không phải sửa lại một lượng lớn tài liệu đã được công bố, chúng tôi chỉ đơn giản là lấy hướng của dòng điện ngược lại với dòng electron.
Nếu dòng điện luôn luôn chạy theo một hướng (thậm chí thay đổi cường độ), nó được gọi là dòng điện một chiều. Nếu hướng của nó thay đổi, thì chúng ta đang nói về dòng điện xoay chiều. Trong ứng dụng thực tế, hướng thay đổi theo một số quy luật, ví dụ, theo một hình sin. Nếu hướng của dòng điện không thay đổi, nhưng nó định kỳ giảm xuống 0 và tăng đến giá trị cực đại, thì chúng ta đang nói về dòng điện xung (có nhiều hình dạng khác nhau).
Điều kiện cần thiết để duy trì dòng điện trong mạch
Ba điều kiện để tồn tại dòng điện trong mạch kín được suy ra ở trên. Chúng cần được xem xét chi tiết hơn.
Miễn phí vận chuyển
Điều kiện cần thiết đầu tiên cho sự tồn tại của dòng điện là sự có mặt của các hạt tải điện tự do. Điện tích không tồn tại riêng biệt với hạt mang điện, vì vậy cần phải xem xét các hạt có thể mang điện tích.
Trong kim loại và các chất khác có kiểu dẫn điện tương tự (than chì, v.v.), chúng là các electron tự do. Chúng tương tác yếu với hạt nhân, và có thể rời khỏi nguyên tử và di chuyển tương đối không bị cản trở bên trong vật dẫn.
Các electron tự do cũng đóng vai trò là hạt mang điện tích trong chất bán dẫn, nhưng trong một số trường hợp, chúng nói về độ dẫn điện "lỗ trống" của lớp chất rắn này (trái ngược với "điện tử"). Khái niệm này chỉ cần thiết để mô tả các quá trình vật lý, trên thực tế, dòng điện trong chất bán dẫn là chuyển động giống nhau của các electron. Vật liệu mà các electron không thể rời khỏi nguyên tử là dielectrics. Không có dòng điện trong chúng.
Trong chất lỏng, các ion dương và âm mang điện tích. Điều này đề cập đến chất lỏng - chất điện phân. Ví dụ, nước trong đó có muối được hòa tan. Bản thân nước là nước khá trung tính về điện, nhưng khi các chất rắn và lỏng xâm nhập vào nó, chúng sẽ hòa tan và phân ly (phân hủy) để tạo thành các ion âm và dương. Và trong kim loại nóng chảy (ví dụ, trong thủy ngân), các hạt tải điện là các electron giống nhau.
Khí chủ yếu là chất điện môi. Không có electron tự do trong chúng - chất khí bao gồm các nguyên tử và phân tử trung hòa. Nhưng nếu chất khí bị ion hóa, chúng nói về trạng thái tập hợp thứ tư của vật chất - plasma. Dòng điện cũng có thể chạy trong nó, nó xảy ra trong quá trình chuyển động có hướng của các electron và ion.
Ngoài ra, dòng điện có thể chạy trong chân không (ví dụ, hoạt động của ống chân không dựa trên nguyên tắc này). Điều này sẽ yêu cầu các điện tử hoặc ion.
Điện trường
Mặc dù có sự hiện diện của các vật mang điện tích miễn phí, hầu hết các phương tiện truyền thông đều trung tính về điện. Điều này được giải thích là do các hạt âm (electron) và dương (proton) nằm cách đều nhau, và trường của chúng bù trừ lẫn nhau. Đối với lĩnh vực phát sinh thì phí phải tập trung vào lĩnh vực nào đó. Nếu các electron đã tích tụ trong vùng của một điện cực (âm), thì sẽ thiếu chúng trên điện cực đối diện (dương), và một trường sẽ xuất hiện tạo ra lực tác dụng lên các hạt tải điện và buộc chúng chuyển động.
Lực lượng bên thứ ba thực hiện các khoản phí
Và điều kiện thứ ba - phải có một lực mang các điện tích theo hướng ngược với hướng của trường tĩnh điện, nếu không các điện tích bên trong hệ kín sẽ nhanh chóng cân bằng. Lực ngoại lai này được gọi là suất điện động. Nguồn gốc của nó có thể khác nhau.
Bản chất điện hóa
Trong trường hợp này, EMF phát sinh do sự xuất hiện của các phản ứng điện hóa. Các phản ứng có thể không thể đảo ngược. Một ví dụ là tế bào mạ - một loại pin nổi tiếng. Sau khi hết thuốc thử, EMF giảm xuống 0 và pin "ngừng hoạt động".
Trong các trường hợp khác, phản ứng có thể thuận nghịch. Vì vậy, trong pin, EMF cũng xảy ra do kết quả của các phản ứng điện hóa. Nhưng sau khi hoàn thành, quá trình có thể được tiếp tục - dưới tác động của dòng điện bên ngoài, các phản ứng sẽ diễn ra theo thứ tự ngược lại và pin sẽ lại sẵn sàng cung cấp dòng điện.
bản chất quang điện
Trong trường hợp này, EMF là do tác động của bức xạ có thể nhìn thấy, tia cực tím hoặc tia hồng ngoại đối với các quá trình trong cấu trúc bán dẫn. Các lực như vậy phát sinh trong tế bào quang điện (“pin năng lượng mặt trời”).Dưới tác dụng của ánh sáng, trong mạch ngoài sinh ra dòng điện.
bản chất nhiệt điện
Nếu bạn lấy hai dây dẫn khác nhau, hàn chúng và làm nóng mối nối, thì EMF sẽ xuất hiện trong mạch do sự chênh lệch nhiệt độ giữa mối nối nóng (mối nối của các dây dẫn) và mối nối lạnh - hai đầu đối diện của các vật dẫn điện. Bằng cách này, có thể không chỉ tạo ra dòng điện mà còn đo nhiệt độ bằng cách đo emf mới nổi.
Bản chất áp điện
Xảy ra khi chất rắn nào đó bị nén hoặc bị biến dạng. Bật lửa điện hoạt động dựa trên nguyên tắc này.
Bản chất điện từ
Cách phổ biến nhất để tạo ra điện trong công nghiệp là sử dụng máy phát điện một chiều hoặc xoay chiều. Trong máy điện một chiều, phần ứng dạng khung quay trong từ trường, cắt các đường sức của nó. Trong trường hợp này, EMF phát sinh, phụ thuộc vào tốc độ quay của rôto và từ thông. Trong thực tế, một neo được sử dụng từ một số lượng lớn các vòng quay, tạo thành nhiều khung nối tiếp với nhau. EMF phát sinh trong chúng cộng lại.
TẠI máy phát điện áp dụng nguyên tắc tương tự, nhưng một nam châm (điện hoặc vĩnh cửu) quay bên trong khung cố định. Là kết quả của các quá trình tương tự trong stator, EMF, có dạng hình sin. Ở quy mô công nghiệp, máy phát điện xoay chiều hầu như luôn được sử dụng - việc chuyển đổi nó để vận chuyển và sử dụng thực tế sẽ dễ dàng hơn.
Một đặc tính thú vị của máy phát điện là khả năng đảo ngược.Nó bao gồm thực tế là nếu điện áp được đặt vào các đầu cực của máy phát từ nguồn bên ngoài, rôto của nó sẽ bắt đầu quay. Điều này có nghĩa là, tùy thuộc vào sơ đồ kết nối, máy điện có thể là máy phát điện hoặc động cơ điện.
Đây chỉ là những khái niệm cơ bản của một hiện tượng như dòng điện. Trên thực tế, các quá trình xảy ra trong quá trình chuyển động có hướng của các electron phức tạp hơn nhiều. Để hiểu được chúng, cần phải nghiên cứu sâu hơn về điện động lực học.
Các bài tương tự:
