Edellytykset sähkövirran olemassaololle

Aluksi vastataan kysymykseen, mikä on sähkövirta. Yksinkertainen pöytäakku ei tuota virtaa itsestään. Ja pöydällä makaava taskulamppu ei synnytä virtaa LEDien läpi ilman syytä. Jotta virtaa ilmaantuisi, täytyy jotain virrata jonnekin, ainakin alkaa liikkua, ja sitä varten taskulampun LEDien ja akun piirin on suljettava. Ei turhaan, ennen vanhaan sähkövirtaa verrattiin tietyn varautuneen nesteen liikkeeseen.

Itse asiassa tiedämme tämän nyt sähköä — tämä on varautuneiden hiukkasten suunnattua liikettä, ja että lähempänä todellisuutta vastaavaa analogia olisi varautunut kaasu — varautuneiden hiukkasten kaasu, joka liikkuu sähkökentän vaikutuksesta. Mutta ensin asiat ensin.

Sähkövirta on varautuneiden hiukkasten suunnattua liikettä

Sähkövirta on siis varautuneiden hiukkasten liikettä, mutta myös varautuneiden hiukkasten kaoottinen liike on liikettä, mutta ei silti virtaa.Samoin nestemolekyylit, jotka ovat koko ajan lämpöliikkeessä, eivät aiheuta virtoja, koska koko nestetilavuuden kokonaissiirtymä levossa on täsmälleen nolla.

Jotta nesteen virtaus tapahtuisi, kokonaisliikkeen on tapahduttava, eli nestemolekyylien kokonaisliikkeen tulee olla suunnattu. Siten molekyylien kaoottinen liike lisätään koko tilavuuden suunnattuun liikkeeseen ja tapahtuu nesteen koko tilavuuden virtaus.

Tilanne on samanlainen sähkövirran kanssa – sähköisesti varautuneiden hiukkasten suunnattu liike on sähkövirtaa. Varautuneiden hiukkasten lämpöliikkeen nopeus esimerkiksi metallissa mitataan sadoissa metreissä sekunnissa, mutta suuntaliikkeessä, kun johtimeen asetetaan tietty virta, hiukkasten yleisen liikkeen nopeus mitataan osat ja yksiköt millimetriä sekunnissa.

Joten jos tasavirta, joka on 10 A, virtaa metallilangassa, jonka poikkileikkaus on 1 neliömetriä, elektronien järjestetyn liikkeen keskimääräinen nopeus on 0,6 - 6 millimetriä sekunnissa. Tästä tulee jo sähköisku. Ja tämä hidas elektronien liike riittää, jotta esimerkiksi nikromilanka lämpenee hyvin, tottelee Joule-Lenzin laki.

Hiukkasnopeus ei ole sähkökentän etenemisnopeus!

Huomaa, että virta alkaa langassa lähes välittömästi koko tilavuuden ajan, eli tämä "liike" leviää johtoa pitkin valonnopeudella, mutta itse varautuneiden hiukkasten liike on 100 miljardia kertaa hitaampi. Voit harkita analogiaa putkesta, jossa neste virtaa sen läpi.

Liikkuminen 10 metriä pitkää putkea pitkin, esimerkiksi vesi.Veden nopeus on vain 1 metri sekunnissa, mutta virtaus ei leviä samalla nopeudella, vaan paljon nopeammin, ja leviämisnopeus riippuu tässä nesteen tiheydestä ja sen elastisuudesta. Siten sähkökenttä etenee johtoa pitkin valon nopeudella ja hiukkaset alkavat liikkua 11 suuruusluokkaa hitaammin. Katso myös: Sähkövirran nopeus

1. Varautuneita hiukkasia tarvitaan sähkövirran olemassaoloon

Elektronit metalleissa ja tyhjiössä, ionit elektrolyyttiliuoksissa - toimivat varauksen kantajina ja varmistavat virran läsnäolon eri aineissa. Metalleissa elektronit ovat hyvin liikkuvia, osa niistä voi liikkua vapaasti atomista atomiin, kuten kaasu, joka täyttää kidehilan solmujen välisen tilan.

Elektroniputkissa elektronit poistuvat katodista termionisen säteilyn aikana ja syöksyvät sähkökentän vaikutuksesta anodille. Elektrolyyteissä molekyylit hajoavat vedessä positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiksi osiin ja niistä tulee vapaiksi varauksenkantajaioneja elektrolyyteissä eli missä tahansa sähkövirta voi olla, siellä on vapaita varauksenkantajia, jotka voivat liikkua sähkökenttä… Tämä on ensimmäinen ehto sähkövirran olemassaololle — vapaiden varauksenkuljettajien läsnäolo.

2. Toinen ehto sähkövirran olemassaololle on, että ulkoisten voimien on vaikutettava varaukseen

Jos nyt katsot johtoa, oletetaan, että se on kuparilankaa, niin voit kysyä itseltäsi: mitä tarvitaan, jotta siinä esiintyy sähkövirtaa? Siellä on varautuneita hiukkasia, elektroneja, ne voivat liikkua vapaasti.

Mikä saa heidät liikkumaan? Sähköisesti varautuneen hiukkasen tiedetään olevan vuorovaikutuksessa sähkökentän kanssa. Siksi johtimeen on luotava sähkökenttä, jolloin jokaisessa langan kohdassa syntyy potentiaali, langan päiden välillä on potentiaaliero ja elektronit liikkuvat kentän suuntaan - suunta «-»:sta «+»:iin, eli sähkökentän voimakkuusvektorin vastakkaiseen suuntaan. Sähkökenttä kiihdyttää elektroneja ja lisää niiden (kineettistä ja magneettista) energiaa.

Tämän seurauksena, jos ajatellaan sähkökenttää, joka kohdistetaan yksinkertaisesti langan ulkopuolelle (sijoitimme langan sähkökenttään voimalinjoja pitkin), elektronit kerääntyvät langan toiseen päähän ja negatiivinen varaus ilmaantuu siihen. lopussa, ja koska elektronit siirretään langan toisesta päästä, siinä on positiivinen varaus.

Tämän seurauksena ulkoisesti kohdistaman sähkökentän varaaman johtimen sähkökenttä on sellaisessa suunnassa, että se heikentää ulkoista sähkökenttää sen vaikutuksesta.

Varausten uudelleenjakoprosessi jatkuu lähes välittömästi ja sen päätyttyä johdossa oleva virta pysähtyy. Tuloksena olevasta sähkökentästä johtimen sisällä tulee nolla ja päissä oleva voima on suuruudeltaan yhtä suuri, mutta päinvastainen kuin ulkoisesti kohdistettu sähkökenttä.

Jos johtimessa olevan sähkökentän luo tasavirtalähde, esimerkiksi akku, niin tällaisesta lähteestä tulee johtimen ulkoisten voimien lähde, toisin sanoen lähde, joka luo jatkuvan EMF:n johtimeen ja säilyttää potentiaalieron.On selvää, että virtapiirin on oltava suljettuna, jotta ulkoinen voimalähde ylläpitäisi virtaa.