Warunki istnienia prądu elektrycznego

Na początek odpowiedzmy sobie na pytanie, czym jest prąd elektryczny. Prosta bateria stołowa sama z siebie nie generuje prądu. A latarka leżąca na stole nie będzie generować prądu przez diody LED tak po prostu bez żadnego powodu. Aby pojawił się prąd, coś musi gdzieś popłynąć, przynajmniej zacząć się poruszać, a do tego obwód diod latarki i akumulatora musi się zamknąć. Nie bez powodu w dawnych czasach prąd elektryczny porównywano do ruchu pewnej naładowanej cieczy.

W rzeczywistości wiemy to teraz Elektryczność — jest to ukierunkowany ruch naładowanych cząstek, a bliższym analogiem do rzeczywistości byłby naładowany gaz — gaz naładowanych cząstek poruszających się pod działaniem pola elektrycznego. Ale najpierw najważniejsze.

Prąd elektryczny to ukierunkowany ruch naładowanych cząstek

Tak więc prąd elektryczny jest ruchem naładowanych cząstek, ale nawet chaotyczny ruch naładowanych cząstek jest również ruchem, ale nadal nie jest prądem.Podobnie cząsteczki płynu, które są w ciągłym ruchu termicznym, nie wytwarzają prądów, ponieważ całkowite przemieszczenie całej objętości płynu w spoczynku wynosi dokładnie zero.

Aby nastąpił przepływ płynu, musi nastąpić ogólny ruch, to znaczy ogólny ruch cząsteczek płynu musi zostać skierowany. W ten sposób chaotyczny ruch cząsteczek zostanie dodany do ukierunkowanego ruchu całej objętości i nastąpi przepływ całej objętości cieczy.

Podobnie jest z prądem elektrycznym — ukierunkowanym ruchem cząstek naładowanych elektrycznie jest prąd elektryczny. Szybkość ruchu termicznego naładowanych cząstek, na przykład w metalu, jest mierzona w setkach metrów na sekundę, ale w ruchu kierunkowym, gdy w przewodniku ustawiony jest określony prąd, prędkość ogólnego ruchu cząstek jest mierzona w części i jednostki milimetrów na sekundę.

Tak więc, jeśli prąd stały równy 10 A przepływa przez metalowy drut o przekroju 1 mm2, wówczas średnia prędkość uporządkowanego ruchu elektronów wyniesie od 0,6 do 6 milimetrów na sekundę. To już będzie porażenie prądem. I ten powolny ruch elektronów wystarczy, aby drut, na przykład z nichromu, dobrze się nagrzał, przestrzegając Prawo Joule'a-Lenza.

Prędkość cząstek nie jest prędkością propagacji pola elektrycznego!

Należy zauważyć, że prąd w przewodzie zaczyna się niemal natychmiastowo w całej objętości, to znaczy ten „ruch” rozprzestrzenia się wzdłuż przewodu z prędkością światła, ale ruch samych naładowanych cząstek jest 100 miliardów razy wolniejszy. Możesz rozważyć analogię rury, przez którą przepływa ciecz.

Poruszanie się wzdłuż rury o długości 10 metrów, na przykład wody.Prędkość wody wynosi tylko 1 metr na sekundę, ale przepływ nie rozprzestrzenia się z tą samą prędkością, ale znacznie szybciej, a prędkość rozprzestrzeniania się tutaj zależy od gęstości cieczy i jej elastyczności. W ten sposób pole elektryczne rozchodzi się wzdłuż drutu z prędkością światła, a cząstki zaczynają poruszać się o 11 rzędów wielkości wolniej. Zobacz też: Prędkość prądu elektrycznego

1. Naładowane cząstki są niezbędne do istnienia prądu elektrycznego

Elektrony w metalach iw próżni, jony w roztworach elektrolitów — służą jako nośniki ładunku i zapewniają obecność prądu w różnych substancjach. W metalach elektrony są bardzo ruchliwe, niektóre z nich mogą swobodnie przemieszczać się z atomu na atom, jak gaz wypełniający przestrzeń między węzłami sieci krystalicznej.

W lampach elektronowych elektrony opuszczają katodę podczas promieniowania termionowego, pędząc pod wpływem pola elektrycznego do anody. W elektrolitach cząsteczki rozpadają się w wodzie na części naładowane dodatnio i ujemnie i stają się wolne od jonów będących nośnikami ładunku w elektrolitach. Oznacza to, że wszędzie tam, gdzie może istnieć prąd elektryczny, istnieją wolne nośniki ładunku, które mogą się poruszać pole elektryczne… To pierwszy warunek istnienia prądu elektrycznego — obecność swobodnych nośników ładunku.

2. Drugim warunkiem istnienia prądu elektrycznego jest to, że na ładunek muszą działać siły zewnętrzne

Jeśli spojrzysz teraz na drut, powiedzmy, że jest to drut miedziany, możesz zadać sobie pytanie: co jest potrzebne, aby pojawił się w nim prąd elektryczny? Są naładowane cząstki, elektrony, mogą się swobodnie poruszać.

Co sprawi, że się poruszą? Wiadomo, że cząsteczka naładowana elektrycznie oddziałuje z polem elektrycznym. Dlatego w przewodzie musi powstać pole elektryczne, wtedy w każdym punkcie drutu powstanie potencjał, będzie różnica potencjałów między końcami drutu, a elektrony będą się poruszać w kierunku pola — w kierunku od „-” do „+”, czyli w kierunku przeciwnym do wektora natężenia pola elektrycznego. Pole elektryczne przyspieszy elektrony, zwiększając ich energię (kinetyczną i magnetyczną).

W rezultacie, jeśli weźmiemy pod uwagę pole elektryczne po prostu przyłożone z zewnątrz do drutu (umieściliśmy drut w polu elektrycznym wzdłuż linii sił), to elektrony będą gromadzić się na jednym końcu drutu i pojawi się ładunek ujemny końcu, a ponieważ elektrony są przenoszone z drugiego końca drutu, będzie na nim ładunek dodatni.

W rezultacie pole elektryczne przewodnika naładowane przez przyłożone z zewnątrz pole elektryczne będzie skierowane w takim kierunku, aby osłabić zewnętrzne pole elektryczne z jego działania.

Proces redystrybucji ładunków będzie przebiegał niemal natychmiast, a po jego zakończeniu prąd w przewodzie ustanie. Powstałe pole elektryczne wewnątrz przewodnika wyniesie zero, a siła na końcach będzie równa wielkości, ale skierowana przeciwnie do pola elektrycznego przyłożonego z zewnątrz.

Jeżeli pole elektryczne w przewodniku jest wytwarzane przez źródło prądu stałego, na przykład baterię, to takie źródło stanie się źródłem sił zewnętrznych dla przewodnika, to znaczy źródłem, które wytworzy stałą siłę elektromotoryczną w przewodniku i utrzymać różnicę potencjałów.Oczywiście, aby prąd był utrzymywany przez zewnętrzne źródło siły, obwód musi być zamknięty.