إذا كانت هناك ناقلات شحن مجانية في أي وسيط (على سبيل المثال ، إلكترونات في معدن) ، فهي ليست في حالة راحة ، ولكنها تتحرك بشكل عشوائي. لكن يمكنك جعل الإلكترونات تتحرك بطريقة منظمة في اتجاه معين. هذه الحركة الموجهة للجسيمات المشحونة تسمى التيار الكهربائي.
محتوى
كيف يتم توليد التيار الكهربائي
إذا أخذنا موصلين ، وكان أحدهما مشحونًا سالبًا (بإضافة إلكترونات إليه) ، والآخر مشحونًا إيجابيًا (يزيل بعض الإلكترونات منه) ، سينشأ مجال كهربائي. إذا قمت بتوصيل كلا القطبين مع موصل ، فإن المجال سيجبر الإلكترونات على التحرك في الاتجاه المعاكس لمتجه المجال الكهربائي ، وفقًا لاتجاه متجه القوة الكهربائية. ستنتقل الجسيمات المشحونة سالبًا من القطب حيث تكون زائدة إلى القطب حيث تكون ناقصة.
لحدوث حركة الإلكترون ، ليس من الضروري نقل شحنة موجبة إلى القطب الثاني. الشيء الرئيسي هو أن الشحنة السالبة للشحنة الأولى أعلى. من الممكن أيضًا شحن كلا الموصلين سلبًا ، ولكن يجب أن يكون لأحد الموصلات شحنة أكبر من الأخرى. في هذه الحالة ، يتحدث المرء عن فرق جهد يسبب تيارًا كهربائيًا.
بالقياس مع الماء ، إذا قمت بتوصيل سفينتين مملوءتين بالماء بمستويات مختلفة ، فسيظهر تيار من الماء. سيعتمد ضغطه على الاختلاف في المستويات.
من المثير للاهتمام أن الحركة الفوضوية للإلكترونات تحت تأثير مجال كهربائي يتم الحفاظ عليها بشكل عام ، لكن المتجه العام لحركة كتلة حاملات الشحنة يكتسب طابعًا موجهًا. إذا كانت سرعة مكون الحركة "الفوضوي" عدة عشرات أو حتى مئات الكيلومترات في الثانية ، فإن المكون الاتجاهي يكون عدة مليمترات في الدقيقة. لكن التأثير (عندما تتحرك الإلكترونات على طول الموصل) ينتشر بسرعة الضوء ، لذلك يقولون أن التيار الكهربائي يتحرك بسرعة 3 * 108 م / ثانية.
في إطار التجربة المذكورة أعلاه ، لن يكون التيار في الموصل موجودًا لفترة طويلة - حتى تنفد الإلكترونات الزائدة في الموصل المشحون سالبًا ، وعددها في كلا القطبين غير متوازن. هذه المرة صغيرة - أجزاء صغيرة من الثانية.
إن العودة إلى القطب السالب في البداية وخلق شحنة زائدة على الناقلات لا يعطي نفس المجال الكهربائي الذي حرك الإلكترونات من سالب إلى موجب. لذلك لا بد من وجود قوة خارجية تعمل ضد قوة المجال الكهربائي وتتجاوزها.على غرار الماء ، يجب أن تكون هناك مضخة تضخ الماء مرة أخرى إلى المستوى الأعلى لإنشاء تدفق مستمر للمياه.
الاتجاه الحالي
يُؤخذ الاتجاه من الموجب إلى السالب باعتباره اتجاه التيار ، أي أن اتجاه حركة الجسيمات المشحونة إيجابياً هو عكس حركة الإلكترونات. هذا يرجع إلى حقيقة أن ظاهرة التيار الكهربائي تم اكتشافها في وقت أبكر بكثير من تلقي تفسير لطبيعتها ، وكان يُعتقد أن التيار يسير في هذا الاتجاه. بحلول ذلك الوقت ، تراكم عدد كبير من المقالات والأدبيات الأخرى حول هذا الموضوع ، وظهرت المفاهيم والتعاريف والقوانين. من أجل عدم مراجعة كمية هائلة من المواد المنشورة بالفعل ، اتخذنا ببساطة اتجاه التيار ضد تدفق الإلكترونات.
إذا كان التيار يتدفق طوال الوقت في اتجاه واحد (حتى يتغير في القوة) ، فإنه يسمى التيار المباشر. إذا تغير اتجاهه ، فإننا نتحدث عن التيار المتردد. في التطبيق العملي ، يتغير الاتجاه وفقًا لبعض القوانين ، على سبيل المثال ، وفقًا لقانون جيبي. إذا ظل اتجاه التدفق الحالي دون تغيير ، لكنه ينخفض بشكل دوري إلى الصفر ويزيد إلى قيمة قصوى ، فإننا نتحدث عن تيار نبضي (بأشكال مختلفة).
الشروط اللازمة للحفاظ على التيار الكهربائي في الدائرة
تم اشتقاق ثلاثة شروط لوجود تيار كهربائي في دائرة مغلقة أعلاه. يجب النظر فيها بمزيد من التفصيل.
ناقلات الشحن المجاني
الشرط الأول الضروري لوجود تيار كهربائي هو وجود ناقلات شحن مجانية. لا توجد الشحنات بشكل منفصل عن ناقلاتها ، لذلك من الضروري مراعاة الجسيمات التي يمكن أن تحمل شحنة.
في المعادن والمواد الأخرى ذات النوع المماثل من الموصلية (الجرافيت ، إلخ) ، تكون هذه إلكترونات حرة. تتفاعل بشكل ضعيف مع النواة ، ويمكن أن تترك الذرة وتتحرك دون عوائق نسبيًا داخل الموصل.
تعمل الإلكترونات الحرة أيضًا كحاملات شحنة في أشباه الموصلات ، ولكن في بعض الحالات يتحدثون عن التوصيل "الثقب" لهذه الفئة من المواد الصلبة (على عكس "الإلكترونية"). هذا المفهوم مطلوب فقط لوصف العمليات الفيزيائية ، في الواقع ، التيار في أشباه الموصلات هو نفس حركة الإلكترونات. المواد التي لا تستطيع الإلكترونات أن تترك فيها الذرة هي عوازل. لا يوجد تيار فيهم.
في السوائل ، تحمل الأيونات الموجبة والسالبة شحنة. يشير هذا إلى السوائل - الإلكتروليتات. على سبيل المثال ، الماء الذي يذوب فيه الملح. في حد ذاته ، يكون الماء متعادلًا كهربائيًا إلى حد ما ، ولكن عندما تدخل إليه المواد الصلبة والسائلة ، فإنها تتحلل وتتفكك (تتحلل) لتكوين أيونات موجبة وسالبة. وفي المعادن المنصهرة (على سبيل المثال ، في الزئبق) ، تكون حاملات الشحنة هي نفس الإلكترونات.
الغازات في الغالب عازلة للكهرباء. لا توجد إلكترونات حرة فيها - تتكون الغازات من ذرات وجزيئات محايدة. لكن إذا تأين الغاز ، فإنهم يتحدثون عن الحالة الرابعة لتجمع المادة - البلازما. يمكن أن يتدفق تيار كهربائي أيضًا ، يحدث أثناء الحركة الموجهة للإلكترونات والأيونات.
أيضًا ، يمكن أن يتدفق التيار في الفراغ (يعتمد عمل الأنابيب المفرغة ، على سبيل المثال ، على هذا المبدأ). سيتطلب هذا إلكترونات أو أيونات.
الحقل الكهربائي
على الرغم من وجود ناقلات شحن مجانية ، فإن معظم الوسائط محايدة كهربائيًا. ويفسر ذلك حقيقة أن الجسيمات السالبة (الإلكترونات) والإيجابية (البروتونات) تقع بالتساوي ، وأن مجالاتها تعوض بعضها البعض. لكي ينشأ حقل ما ، يجب تركيز الشحنات في بعض المناطق. إذا تراكمت الإلكترونات في منطقة قطب واحد (سالب) ، فسيكون هناك نقص فيها على القطب (الموجب) المقابل ، وسيظهر مجال يخلق قوة تعمل على حاملات الشحنة وتجبرها على التحرك.
إجبار طرف ثالث على توجيه التهم
والشرط الثالث - يجب أن تكون هناك قوة تحمل الشحنات في الاتجاه المعاكس لاتجاه المجال الكهروستاتيكي ، وإلا فإن الشحنات داخل النظام المغلق سوف تتوازن بسرعة. تسمى هذه القوة الدخيلة القوة الدافعة الكهربائية. قد يكون أصله مختلفًا.
الطبيعة الكهروكيميائية
في هذه الحالة ، تنشأ المجالات الكهرومغناطيسية نتيجة لحدوث تفاعلات كهروكيميائية. قد تكون ردود الفعل لا رجعة فيها. مثال على ذلك خلية كلفانية - بطارية معروفة. بعد استنفاد الكواشف ، تنخفض EMF إلى الصفر ، و "تجلس" البطارية.
في حالات أخرى ، قد تكون ردود الفعل قابلة للعكس. لذلك ، في البطارية ، تحدث EMF أيضًا نتيجة للتفاعلات الكهروكيميائية. ولكن عند الانتهاء ، يمكن استئناف العملية - تحت تأثير تيار كهربائي خارجي ، ستحدث التفاعلات بترتيب عكسي ، وستكون البطارية جاهزة مرة أخرى لإعطاء التيار.
الطبيعة الكهروضوئية
في هذه الحالة ، ينتج المجال الكهرومغناطيسي عن تأثير الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء المرئية على العمليات في هياكل أشباه الموصلات. تنشأ مثل هذه القوى في الخلايا الضوئية ("البطاريات الشمسية").تحت تأثير الضوء ، يتم توليد تيار كهربائي في الدائرة الخارجية.
الطبيعة الكهروحرارية
إذا كنت تأخذ موصلين مختلفين ، ولحمتهما وقمت بتسخين الوصلة ، فسيظهر EMF في الدائرة بسبب اختلاف درجة الحرارة بين الوصلة الساخنة (تقاطع الموصلات) والتقاطع البارد - الأطراف المقابلة للموصلات. بهذه الطريقة ، من الممكن ليس فقط توليد التيار ، ولكن أيضًا قم بقياس درجة الحرارة عن طريق قياس emf الناشئة.
طبيعة كهرضغطية
يحدث عند ضغط بعض المواد الصلبة أو تشوهها. تعمل ولاعة كهربائية على هذا المبدأ.
الطبيعة الكهرومغناطيسية
الطريقة الأكثر شيوعًا لتوليد الكهرباء صناعيًا هي باستخدام مولد التيار المستمر أو التيار المتردد. في آلة DC ، يدور المحرك على شكل إطار في مجال مغناطيسي ، متجاوزًا خطوط قوته. في هذه الحالة ، تنشأ EMF ، اعتمادًا على سرعة دوران الدوار والتدفق المغناطيسي. في الممارسة العملية ، يتم استخدام المرساة من عدد كبير من المنعطفات ، مما يشكل مجموعة من الإطارات المتصلة بالسلسلة. EMF الناشئة فيها تضيف ما يصل.
في المولد ينطبق نفس المبدأ ، لكن المغناطيس (كهربائي أو دائم) يدور داخل الإطار الثابت. نتيجة لنفس العمليات في الجزء الثابت ، EMFالتي لها شكل جيبي. على المستوى الصناعي ، يتم استخدام توليد التيار المتردد دائمًا تقريبًا - من الأسهل تحويله للنقل والاستخدام العملي.
خاصية مثيرة للاهتمام للمولد هي قابلية الانعكاس.وهو يتألف من حقيقة أنه إذا تم تطبيق الجهد على أطراف المولد من مصدر خارجي ، فسيبدأ الدوار في الدوران. وهذا يعني أنه بناءً على مخطط التوصيل ، يمكن أن تكون الآلة الكهربائية إما مولدًا أو محركًا كهربائيًا.
هذه ليست سوى المفاهيم الأساسية لظاهرة مثل التيار الكهربائي. في الواقع ، العمليات التي تحدث أثناء الحركة الموجهة للإلكترونات أكثر تعقيدًا. لفهمها ، يلزم إجراء دراسة أعمق للديناميكا الكهربية.
مقالات مماثلة:
