Что такое электрический ток и каковы условия его существования

  • Определение
  • Условия существования электрического тока
  • Электрический ток в различных средах
  • В металлах
  • В полупроводниках
  • В вакууме и газе
  • В жидкостях
  • Предложение

Определение

Электрический ток — это направленное движение носителей заряда — это стандартная формулировка из учебника физики. В свою очередь, носители заряда определяются как конкретные частицы материи. Они могут быть:

  • Электроны — носители отрицательного заряда.
  • Ионы — переносчики положительных зарядов.

Но откуда берутся носители заряда? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно вспомнить базовые знания о структуре материи. Все, что нас окружает, — материя, оно состоит из частиц, мельчайших своих частиц. Молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра, вокруг которого электроны движутся по обозначенным орбитам. Частицы также перемещаются беспорядочно. Движение и структура каждой из этих молекул зависит от самого вещества и от влияния окружающей среды, например температуры, напряжения и т. Д.

Ион — это атом, электрон-протонное соотношение которого изменилось. Если атом изначально нейтрален, ионы делятся на:

  • Анионы — это положительные ионы атома, потерявшего электроны.
  • Катионы — это атомы, к атому которых прикреплены «лишние» электроны.

Единицей силы тока является ампер, и по закону Ома он рассчитывается по формуле:

I = U / R,

где U — напряжение, [В], а R — сопротивление, [Ом].

Или прямо пропорционально количеству перевозимого груза в единицу времени:

I = Q / t,

где Q — заряд, [kl], а t — время, [с].

Условия существования электрического тока

Мы разобрались, что такое электрический ток, теперь поговорим о том, как заставить его течь. Для протекания электрического тока необходимо выполнение двух условий:

  1. Наличие свободных носителей груза.
  2. Электрическое поле.

Первое условие существования и протекания электрического тока зависит от вещества, в котором ток протекает (или не течет), а также от его состояния. Возможно и второе условие: для возникновения электрического поля необходимы разные потенциалы, между которыми будет течь среда с носителями заряда.

Напомним: напряжение, ЭДС — это разность потенциалов. Отсюда следует, что для выполнения условий существования тока — наличия электрического поля и электрического тока необходимо наличие напряжения. Это могут быть крышки заряженного конденсатора, гальванического элемента, ЭДС, возникающей под действием магнитного поля (генератора).

Как оно возникает, мы уже знаем, поговорим о том, куда он направлен. Электричество, чаще всего при обычном использовании, перемещается в проводниках (квартирная проводка, лампочки) или в полупроводниках (светодиоды, процессор вашего смартфона и другая электроника), реже в газах (люминесцентные лампы).

Итак, основными носителями заряда в большинстве случаев являются электроны, которые перемещаются из отрицательной точки (отрицательной потенциальной точки) в положительную точку (положительная точка, подробнее см. Ниже).

Интересно, однако, что в качестве направления движения положительных зарядов было принято направление текущего движения — от плюса к минусу. Хотя на самом деле все наоборот. Дело в том, что решение о направлении тока было принято до того, как была исследована природа тока, и до того, как было определено, как ток течет и существует.

Электрический ток в разных средах

Мы уже упоминали, что в разных средах электрический ток можно различить по типу носителей заряда. Среды можно разделить по характеру проводимости (по убыванию проводимости):

  1. Проводники (металлы).
  2. Полупроводник (кремний, германий, арсенид галлия и др.).
  3. Диэлектрик (вакуум, воздух, дистиллированная вода).

В металлах

В металлах есть бесплатные носители заряда, иногда называемые «электрическим газом». Откуда берутся перевозчики бесплатных грузов? Дело в том, что металл, как и любое вещество, состоит из атомов. Атомы так или иначе двигаются или вибрируют. Чем выше температура металла, тем сильнее это движение. Сами атомы, как правило, остаются на месте, фактически формируя структуру металла.

В электронных оболочках атома находитсяОбычно электронов мало, связь с ядром довольно слабая. Под воздействием температуры, химических реакций и влияния примесей, которые в любом случае есть в металле, электроны отрываются от своих атомов, образуются положительно заряженные ионы. Отделенные электроны называются свободными электронами, и они движутся хаотично.

Когда на них действует электрическое поле — например, когда мы подключаем батарею к куску металла, — хаотическое движение электронов становится упорядоченным. Электроны из точки подключения отрицательного потенциала (например, катода гальванического элемента) начнут двигаться к точке с положительным потенциалом.

В полупроводниках

Полупроводники — это материалы, в которых обычно не встречаются свободные носители заряда. Они расположены в т.н. запретная зона. Однако при приложении внешних сил, таких как электрическое поле, тепло, различное излучение (свет, излучение и т. Д.), Они нарушают запретную зону и попадают в свободную зону или зону проводимости. Электроны отскакивают от атомов и высвобождаются, образуя ионы, носители положительного заряда.

Положительные носители в полупроводниках называются дырками.

Если вы просто передаете энергию полупроводнику, например, нагревая его, носители заряда начнут хаотично перемещаться. Однако если мы говорим о полупроводниковых элементах, таких как диоды или транзисторы, то на противоположных концах кристалла будут ЭДС (у них металлизированный слой и припаянные выводы), но это не имеет значения для темы сегодняшней статьи.

Если к полупроводнику приложить источник электромагнитного поля, носители заряда также перейдут в зону проводимости и начнется их направленное движение — дырки пойдут в направлении с более низким электрическим потенциалом, а электроны — в направлении с более высоким электрическим потенциалом.

В вакууме и газе

Вакуум — это среда, в которой нет газа или содержится минимальное количество газа. Поскольку в вакууме нет вещества, нет места и носителям заряда. Однако поток электричества в вакууме породил электронику и целую эру электронных компонентов — электрических вакуумных ламп. Они использовались в первой половине прошлого века, а в 1950-х годах стали постепенно уступать место транзисторам (в зависимости от области электроники).

Предположим, у нас есть сосуд, из которого удален весь газ, то есть полный вакуум. В сосуде два электрода, назовем их анодом и катодом. Если мы подключим отрицательный потенциал источника ЭДС к катоду, а положительный потенциал — к аноду, ничего не произойдет и ток не будет течь. Однако если мы начнем нагревать катод — ток потечет. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией — эмиссией электронов с нагретой электронной поверхности.

На рисунке показан процесс протекания тока в вакуумной лампе. В электронных лампах катод нагревается нитью накала, показанной на рис. (H), которая расположена поблизости, например, в лампочке.

Если поменять полярность блока питания — подать минус на анод и плюс на катод — ток не будет течь. Это докажет, что ток течет в вакууме благодаря движению электронов от KATOD к ANOD.

Газ и любое вещество состоит из молекул и атомов, это означает, что если газ находится под действием электрического поля, то при определенной силе (напряжении ионизации) электроны отрываются от атома, тогда будут выполнены оба условия для протекания электрического тока — поле и бесплатные перевозчики.

Как уже было сказано, этот процесс называется ионизацией. Это может происходить не только в результате приложенного напряжения, но и в результате нагрева газа, рентгеновских лучей, воздействия ультрафиолетовых лучей и др.

Электричество будет течь по воздуху, даже если между электродами будет помещена горелка.

Ток, протекающий в инертных газах, сопровождается свечением газа; это явление активно используется в люминесцентных лампах. Электрический ток в центрегазовый разряд называется газовым разрядом.

В жидкости

Предположим, у нас есть сосуд с водой, в котором помещены два электрода и к которому подключен источник питания. Если вода дистиллированная, т.е. чистая и без примесей, она диэлектрик. Однако, если вы добавите в воду немного соли, серной кислоты или любого другого вещества, образуется электролит, и через него будет проходить электричество.

Электролит — это вещество, которое проводит электричество, распадаясь на ионы.

Если добавить в воду медный купорос, на одном из электродов (катоде) осаждается слой меди — это так называемый электролиз, который доказывает, что электрический ток в жидкости передается за счет движения ионов — носителей положительных и отрицательных зарядов.

Электролиз — это физико-химический процесс, при котором на электродах выделяются компоненты, образующие электролит.

Так происходит меднение, золочение и покрытие другими металлами.

Заключение

Таким образом, для протекания электрического тока необходимы свободные носители заряда:

  • электроны в проводниках (металлах) и в вакууме;
  • электроны и дырки в полупроводниках;
  • ионы (анионы и катионы) в жидкостях и газах.

Для того, чтобы движение этих носителей стало упорядоченным, необходимо электрическое поле. Проще говоря, приложите напряжение к концам тела или поместите два электрода в среду, где должен течь электрический ток.

Также стоит отметить, что ток воздействует на вещество определенным образом, выделяют три типа воздействия:

  • термический;
  • химикаты;
  • Физический.

Напоследок рекомендуем посмотреть полезное видео, в котором более подробно рассматриваются условия существования и протекания электричества:

Полезная тема: