מהו זרם חשמלי במילים פשוטות

אם יש נושאי מטען חופשיים בכל תווך (לדוגמה, אלקטרונים במתכת), אז הם אינם במנוחה, אלא נעים באקראי. אבל אתה יכול לגרום לאלקטרונים לנוע בצורה מסודרת בכיוון נתון. תנועה מכוונת זו של חלקיקים טעונים נקראת זרם חשמלי.

כיצד נוצר זרם חשמלי

אם ניקח שני מוליכים, ואחד מהם טעון שלילי (מוסיף לו אלקטרונים), והשני טעון חיובי (לוקח ממנו חלק מהאלקטרונים), ייווצר שדה חשמלי. אם מחברים את שתי האלקטרודות עם מוליך, השדה יאלץ את האלקטרונים לנוע בכיוון ההפוך לווקטור השדה החשמלי, בהתאם לכיוון וקטור הכוח החשמלי. חלקיקים בעלי מטען שלילי יעברו מהאלקטרודה שבה הם עודפים אל האלקטרודה שבה הם חסרים.

עבור התרחשות של תנועת אלקטרונים, אין צורך להקנות מטען חיובי לאלקטרודה השנייה. העיקר שהמטען השלילי של הראשון גבוה יותר. אפשר אפילו לטעון את שני המוליכים בצורה שלילית, אבל מוליך אחד חייב להיות בעל מטען גדול מהשני. במקרה זה, מדברים על הבדל פוטנציאל שגורם לזרם חשמלי.

באנלוגיה למים, אם מחברים שני כלים מלאים במים לרמות שונות, יופיע זרם מים. הלחץ שלה יהיה תלוי בהבדל ברמות.

מעניין שהתנועה הכאוטית של אלקטרונים תחת פעולת שדה חשמלי נשמרת בדרך כלל, אבל וקטור התנועה הכללי של מסת נושאי המטען מקבל אופי מכוון. אם למרכיב ה"כאוטי" של התנועה יש מהירות של כמה עשרות ואפילו מאות קילומטרים לשנייה, אזי המרכיב הכיווני הוא כמה מילימטרים לדקה. אבל הפגיעה (כשהאלקטרונים נעים לאורך המוליך) מתפשטת במהירות האור, אז אומרים שהזרם החשמלי נע במהירות של 3*10⁸ מ/שנייה

במסגרת הניסוי הנ"ל, הזרם במוליך לא יתקיים לאורך זמן - עד שייגמרו עודפי האלקטרונים במוליך הטעון השלילי, ומספרם בשני הקטבים לא יאוזן. הזמן הזה קטן - שברירי שנייה לא משמעותיים.

חזרה לאלקטרודה הטעונה בהתחלה שלילית ויצירת מטען עודף על הנשאים לא נותנת את אותו שדה חשמלי שהעביר את האלקטרונים ממינוס לפלוס. לכן חייב להיות כוח חיצוני הפועל נגד עוצמת השדה החשמלי ועובר עליו.בדומה למים, חייבת להיות משאבה השואבת מים חזרה למפלס העליון כדי ליצור זרימה רציפה של מים.

כיוון נוכחי

הכיוון מפלוס למינוס נלקח ככיוון הזרם, כלומר, כיוון התנועה של חלקיקים בעלי מטען חיובי מנוגד לתנועת האלקטרונים. זאת בשל העובדה שעצם התופעה של הזרם החשמלי התגלתה הרבה יותר מוקדם מאשר התקבל הסבר על טיבו, והאמינו שהזרם הולך בכיוון זה. עד אז הצטבר מספר רב של מאמרים וספרות אחרת בנושא זה, הופיעו מושגים, הגדרות וחוקים. כדי לא לשנות כמות עצומה של חומר שכבר פורסם, פשוט לקחנו את כיוון הזרם נגד זרימת האלקטרונים.

אם הזרם זורם כל הזמן בכיוון אחד (אפילו משתנה בעוצמתו), זה נקרא זרם ישר. אם הכיוון שלו משתנה, אז אנחנו מדברים על זרם חילופין. ביישום מעשי, הכיוון משתנה לפי חוק כלשהו, ​​למשל, לפי חוק סינוסואידי. אם כיוון זרימת הזרם נשאר ללא שינוי, אך הוא יורד מעת לעת לאפס ועולה לערך מרבי, אז אנחנו מדברים על זרם פועם (בצורות שונות).

תנאים הכרחיים לשמירה על זרם חשמלי במעגל

שלושה תנאים לקיומו של זרם חשמלי במעגל סגור נגזרים לעיל. יש לשקול אותם ביתר פירוט.

נושאי תשלום חינם

התנאי ההכרחי הראשון לקיומו של זרם חשמלי הוא נוכחותם של נושאי מטען חופשיים. מטענים אינם קיימים בנפרד מהנשאים שלהם, ולכן יש צורך לשקול חלקיקים שיכולים לשאת מטען.

במתכות ובחומרים אחרים בעלי מוליכות מסוג דומה (גרפיט וכו'), מדובר באלקטרונים חופשיים. הם מקיימים אינטראקציה חלשה עם הגרעין, ויכולים לעזוב את האטום ולנוע באין מפריע יחסית בתוך המוליך.

אלקטרונים חופשיים משמשים גם כנשאי מטען במוליכים למחצה, אך במקרים מסוימים הם מדברים על מוליכות "חור" של מחלקה זו של מוצקים (בניגוד ל"אלקטרוני"). מושג זה נחוץ רק כדי לתאר תהליכים פיזיקליים, למעשה, הזרם במוליכים למחצה הוא אותה תנועה של אלקטרונים. חומרים שבהם אלקטרונים אינם יכולים לעזוב את האטום נמצאים דיאלקטריות. אין בהם זרם.

בנוזלים, יונים חיוביים ושליליים נושאים מטען. הכוונה היא לנוזלים - אלקטרוליטים. למשל מים שבהם מומס מלח. כשלעצמם, מים הם ניטרליים למדי מבחינה חשמלית, אך כאשר חומרים מוצקים ונוזלים נכנסים אליהם, הם מתמוססים ומתפרקים (מתפרקים) ליצירת יונים חיוביים ושליליים. ובמתכות מותכות (למשל בכספית), נושאי המטען הם אותם אלקטרונים.

גזים הם בעיקר דיאלקטריים. אין בהם אלקטרונים חופשיים - גזים מורכבים מאטומים ומולקולות ניטרליות. אבל אם הגז מיונן, הם מדברים על מצב הצבירה הרביעי של החומר - פלזמה. זרם חשמלי יכול גם לזרום בו, הוא מתרחש במהלך תנועה מכוונת של אלקטרונים ויונים.

כמו כן, זרם יכול לזרום בוואקום (פעולתם של, למשל, צינורות ואקום מבוססת על עיקרון זה). זה ידרוש אלקטרונים או יונים.

שדה חשמלי

למרות נוכחותם של נושאי מטען חינם, רוב המדיה הם ניטרליים מבחינה חשמלית. זה מוסבר על ידי העובדה שחלקיקים שליליים (אלקטרונים) וחיוביים (פרוטונים) ממוקמים באופן שווה, והשדות שלהם מפצים זה את זה. כדי ששדה יתעורר, החיובים חייבים להיות מרוכזים באזור כלשהו. אם הצטברו אלקטרונים באזור של אלקטרודה אחת (שלילית), אז ייווצר מחסור בהם באלקטרודה הנגדית (החיובית), וייווצר שדה שיוצר כוח הפועל על נושאי מטען ומאלץ אותם לנוע.

כוח צד שלישי לשאת אישומים

והתנאי השלישי - חייב להיות כוח הנושא מטענים בכיוון המנוגד לכיוון השדה האלקטרוסטטי, אחרת המטענים בתוך המערכת הסגורה יתאזנו במהירות. כוח זר זה נקרא כוח אלקטרו-מוטורי. מקורו עשוי להיות שונה.

טבע אלקטרוכימי

במקרה זה, EMF מתעורר כתוצאה מהתרחשות של תגובות אלקטרוכימיות. התגובות עשויות להיות בלתי הפיכות. דוגמה לכך היא תא גלווני - סוללה ידועה. לאחר מיצוי הריאגנטים, ה-EMF יורד לאפס, והסוללה "מתיישבת".

במקרים אחרים, התגובות עשויות להיות הפיכות. אז בסוללה, EMF מתרחש גם כתוצאה מתגובות אלקטרוכימיות. אך בסיומו ניתן לחדש את התהליך - בהשפעת זרם חשמלי חיצוני התגובות יתרחשו בסדר הפוך, והסוללה שוב תהיה מוכנה לתת זרם.

טבע פוטו-וולטאי

במקרה זה, ה-EMF נגרם על ידי פעולה של קרינה גלויה, אולטרה סגול או אינפרא אדום על תהליכים במבנים מוליכים למחצה. כוחות כאלה נוצרים בתאי פוטו ("סוללות סולאריות").תחת פעולת האור, נוצר זרם חשמלי במעגל החיצוני.

טבע תרמו-אלקטרי

אם לוקחים שני מוליכים לא דומים, מלחמים אותם ומחממים את הצומת, אז יופיע EMF במעגל בגלל הפרש הטמפרטורה בין הצומת החם (צומת המוליכים) לצומת הקר - הקצוות המנוגדים של המוליכים. בדרך זו, ניתן לא רק לייצר זרם, אלא גם למדוד את הטמפרטורה על ידי מדידת ה-emf המתהווה.

טבע פיזואלקטרי

מתרחש כאשר מוצקים מסוימים נדחסים או מעוותים. מצת חשמלי עובד על עיקרון זה.

טבע אלקטרומגנטי

הדרך הנפוצה ביותר לייצר חשמל באופן תעשייתי היא באמצעות גנרטור DC או AC. במכונת DC, אבזור בצורת מסגרת מסתובב בשדה מגנטי וחוצה את קווי הכוח שלו. במקרה זה, נוצר EMF, בהתאם למהירות הסיבוב של הרוטור והשטף המגנטי. בפועל, עוגן משמש ממספר רב של פניות, ויוצרים מספר מסגרות המחוברות לסדרה. EMF הנובע בהם מצטבר.

בְּ אַלְטֶרְנָטוֹר אותו עיקרון חל, אבל מגנט (חשמלי או קבוע) מסתובב בתוך המסגרת הקבועה. כתוצאה מאותם תהליכים בסטטור, EMF, בעל צורה סינוסואידית. בקנה מידה תעשייתי, כמעט תמיד נעשה שימוש בייצור AC - קל יותר להמיר אותו לתחבורה ולשימוש מעשי.

תכונה מעניינת של גנרטור היא הפיכות.זה מורכב מהעובדה שאם מופעל מתח על מסופי הגנרטור ממקור חיצוני, הרוטור שלו יתחיל להסתובב. המשמעות היא שבהתאם לתכנית החיבור, המכונה החשמלית יכולה להיות גנרטור או מנוע חשמלי.

אלה הם רק המושגים הבסיסיים של תופעה כזו כמו זרם חשמלי. למעשה, התהליכים המתרחשים במהלך תנועה מכוונת של אלקטרונים הם הרבה יותר מסובכים. כדי להבין אותם, נדרש מחקר מעמיק יותר של אלקטרודינמיקה.

מאמרים דומים: