Wenn es in irgendeinem Medium freie Ladungsträger gibt (z. B. Elektronen in einem Metall), dann sind diese nicht in Ruhe, sondern bewegen sich zufällig. Aber man kann die Elektronen dazu bringen, sich geordnet in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Diese gerichtete Bewegung geladener Teilchen wird als elektrischer Strom bezeichnet.
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Wie elektrischer Strom erzeugt wird
Wenn wir zwei Leiter nehmen und einer davon negativ geladen ist (Elektronen hinzufügt) und der andere positiv geladen ist (einige der Elektronen wegnehmen), entsteht ein elektrisches Feld. Wenn Sie beide Elektroden mit einem Leiter verbinden, zwingt das Feld die Elektronen dazu, sich in die entgegengesetzte Richtung des elektrischen Feldvektors zu bewegen, entsprechend der Richtung des elektrischen Kraftvektors. Negativ geladene Teilchen bewegen sich von der Elektrode, wo sie im Überschuss vorhanden sind, zu der Elektrode, wo sie einen Mangel aufweisen.
Für das Auftreten einer Elektronenbewegung ist es nicht erforderlich, der zweiten Elektrode eine positive Ladung zu verleihen. Die Hauptsache ist, dass die negative Ladung des ersten höher ist. Es ist sogar möglich, beide Leiter negativ aufzuladen, aber ein Leiter muss eine größere Ladung haben als der andere. Man spricht in diesem Fall von einer Potentialdifferenz, die einen elektrischen Strom verursacht.
In Analogie zu Wasser, wenn Sie zwei mit Wasser gefüllte Gefäße auf unterschiedlichen Ebenen verbinden, erscheint ein Wasserstrahl. Sein Druck hängt von der Höhendifferenz ab.
Es ist interessant, dass die chaotische Bewegung von Elektronen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes im Allgemeinen erhalten bleibt, aber der allgemeine Bewegungsvektor der Ladungsträgermasse einen gerichteten Charakter annimmt. Wenn die "chaotische" Bewegungskomponente eine Geschwindigkeit von mehreren zehn oder sogar hundert Kilometern pro Sekunde hat, dann beträgt die Richtungskomponente mehrere Millimeter pro Minute. Aber der Aufprall (wenn sich die Elektronen entlang des Leiters bewegen) breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, also sagt man, dass sich der elektrische Strom mit einer Geschwindigkeit von 3 * 10 bewegt8 m/Sek.
Im Rahmen des obigen Experiments wird der Strom im Leiter nicht lange bestehen - bis die überschüssigen Elektronen im negativ geladenen Leiter aufgebraucht sind und ihre Anzahl an beiden Polen nicht ausgeglichen ist. Diese Zeit ist klein - unbedeutende Sekundenbruchteile.
Zurück zu der ursprünglich negativ geladenen Elektrode zu gehen und eine Überschussladung auf den Ladungsträgern zu erzeugen, ergibt nicht das gleiche elektrische Feld, das die Elektronen von Minus nach Plus bewegt hat. Daher muss es eine äußere Kraft geben, die der Stärke des elektrischen Feldes entgegenwirkt und es übertrifft.Ähnlich wie bei Wasser muss es eine Pumpe geben, die Wasser zurück in die obere Ebene pumpt, um einen kontinuierlichen Wasserfluss zu erzeugen.
Aktuelle Richtung
Die Richtung von Plus nach Minus wird als Stromrichtung angenommen, dh die Bewegungsrichtung positiv geladener Teilchen ist der Bewegung von Elektronen entgegengesetzt. Dies liegt an der Tatsache, dass das Phänomen des elektrischen Stroms viel früher entdeckt wurde, als eine Erklärung seiner Natur erhalten wurde, und man glaubte, dass der Strom in diese Richtung geht. Zu diesem Zeitpunkt hatte sich eine große Anzahl von Artikeln und anderer Literatur zu diesem Thema angesammelt, Konzepte, Definitionen und Gesetze erschienen. Um nicht eine Unmenge an bereits veröffentlichtem Material zu revidieren, haben wir einfach die Stromrichtung gegen den Elektronenfluss genommen.
Fließt der Strom die ganze Zeit in eine Richtung (auch wenn er sich in der Stärke ändert), spricht man von Gleichstrom. Wenn sich seine Richtung ändert, sprechen wir von Wechselstrom. In der praktischen Anwendung ändert sich die Richtung nach einem Gesetz, beispielsweise nach einer sinusförmigen. Wenn die Richtung des Stromflusses unverändert bleibt, aber periodisch auf Null abfällt und auf einen Maximalwert ansteigt, handelt es sich um einen gepulsten Strom (verschiedener Formen).
Notwendige Bedingungen für die Aufrechterhaltung des elektrischen Stroms im Stromkreis
Oben werden drei Bedingungen für das Vorhandensein eines elektrischen Stroms in einem geschlossenen Stromkreis hergeleitet. Sie müssen genauer betrachtet werden.
Kostenlose Ladungsträger
Die erste notwendige Bedingung für die Existenz eines elektrischen Stroms ist das Vorhandensein freier Ladungsträger. Ladungen existieren nicht getrennt von ihren Trägern, daher müssen Teilchen betrachtet werden, die eine Ladung tragen können.
Bei Metallen und anderen Stoffen mit ähnlicher Leitfähigkeit (Graphit etc.) sind dies freie Elektronen. Sie interagieren schwach mit dem Kern und können das Atom verlassen und sich relativ ungehindert im Inneren des Leiters bewegen.
Freie Elektronen dienen auch als Ladungsträger in Halbleitern, sprechen aber teilweise von „Loch“-Leitfähigkeit dieser Festkörperklasse (im Gegensatz zu „elektronisch“). Dieses Konzept wird nur benötigt, um physikalische Prozesse zu beschreiben, tatsächlich ist der Strom in Halbleitern die gleiche Bewegung von Elektronen. Materialien, bei denen Elektronen das Atom nicht verlassen können, sind Dielektrika. In ihnen fließt kein Strom.
In Flüssigkeiten tragen positive und negative Ionen Ladung. Dies bezieht sich auf Flüssigkeiten - Elektrolyte. Zum Beispiel Wasser, in dem Salz gelöst ist. Wasser an sich ist elektrisch ziemlich neutral, aber wenn feste und flüssige Substanzen in es eindringen, lösen sie sich auf und dissoziieren (zersetzen sich), um positive und negative Ionen zu bilden. Und in geschmolzenen Metallen (z. B. in Quecksilber) sind die Ladungsträger dieselben Elektronen.
Gase sind meist Dielektrika. In ihnen gibt es keine freien Elektronen - Gase bestehen aus neutralen Atomen und Molekülen. Aber wenn das Gas ionisiert ist, spricht man vom vierten Aggregatzustand der Materie - Plasma. Darin kann auch ein elektrischer Strom fließen, der bei der gerichteten Bewegung von Elektronen und Ionen entsteht.
Auch im Vakuum kann Strom fließen (auf diesem Prinzip beruht beispielsweise die Wirkungsweise von Vakuumröhren). Dazu werden Elektronen oder Ionen benötigt.
Elektrisches Feld
Trotz des Vorhandenseins freier Ladungsträger sind die meisten Medien elektrisch neutral. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass negative (Elektronen) und positive (Protonen) Teilchen gleichmäßig angeordnet sind und sich ihre Felder gegenseitig kompensieren. Damit ein Feld entsteht, müssen die Ladungen in einem Bereich konzentriert werden. Wenn sich im Bereich einer (negativen) Elektrode Elektronen angesammelt haben, kommt es an der gegenüberliegenden (positiven) Elektrode zu einem Mangel an ihnen, und es entsteht ein Feld, das eine Kraft erzeugt, die auf Ladungsträger wirkt und sie zur Bewegung zwingt.
Dritte zwingen, Gebühren zu tragen
Und die dritte Bedingung – es muss eine Kraft geben, die Ladungen in die Richtung trägt, die der Richtung des elektrostatischen Felds entgegengesetzt ist, sonst gleichen sich die Ladungen innerhalb des geschlossenen Systems schnell aus. Diese äußere Kraft wird als elektromotorische Kraft bezeichnet. Ihre Herkunft kann unterschiedlich sein.
Elektrochemische Natur
In diesem Fall entsteht die EMF durch das Auftreten elektrochemischer Reaktionen. Reaktionen können irreversibel sein. Ein Beispiel ist eine galvanische Zelle – eine bekannte Batterie. Nachdem die Reagenzien erschöpft sind, fällt die EMF auf Null und die Batterie "setzt sich".
In anderen Fällen können Reaktionen reversibel sein. In einer Batterie treten EMF also auch als Ergebnis elektrochemischer Reaktionen auf. Nach Abschluss kann der Vorgang jedoch fortgesetzt werden - unter dem Einfluss eines externen elektrischen Stroms finden die Reaktionen in umgekehrter Reihenfolge statt und die Batterie ist wieder bereit, Strom zu liefern.
photovoltaischer Natur
Die EMF wird dabei durch die Einwirkung von sichtbarer, ultravioletter oder infraroter Strahlung auf Prozesse in Halbleiterstrukturen verursacht. Solche Kräfte treten in Fotozellen („Solarbatterien“) auf.Unter Lichteinwirkung wird im äußeren Stromkreis ein elektrischer Strom erzeugt.
thermoelektrische Natur
Wenn Sie zwei unterschiedliche Leiter nehmen, verlöten und die Verbindungsstelle erwärmen, tritt im Stromkreis aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen der heißen Verbindungsstelle (der Verbindungsstelle der Leiter) und der kalten Verbindungsstelle - den gegenüberliegenden Enden der Leiter - eine EMF auf. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur Strom zu erzeugen, sondern auch die Temperatur messen durch Messen der entstehenden EMK.
Piezoelektrische Natur
Tritt auf, wenn bestimmte Volumenkörper komprimiert oder verformt werden. Ein elektrisches Feuerzeug funktioniert nach diesem Prinzip.
Elektromagnetische Natur
Die gebräuchlichste Art, Strom industriell zu erzeugen, ist mit einem Gleichstrom- oder Wechselstromgenerator. In einer Gleichstrommaschine dreht sich ein rahmenförmiger Anker in einem Magnetfeld und kreuzt dabei seine Kraftlinien. Dabei entsteht abhängig von der Drehzahl des Rotors und dem magnetischen Fluss eine EMK. In der Praxis wird ein Anker aus einer großen Anzahl von Windungen verwendet, die mehrere in Reihe geschaltete Rahmen bilden. In ihnen entstehende EMF addieren sich.
BEI Generator Das gleiche Prinzip gilt, aber ein Magnet (elektrisch oder permanent) dreht sich innerhalb des festen Rahmens. Durch die gleichen Prozesse im Stator EMF, die eine Sinusform hat. Im industriellen Maßstab wird fast immer Wechselstromerzeugung verwendet - es ist einfacher, sie für den Transport und die praktische Verwendung umzuwandeln.
Eine interessante Eigenschaft eines Generators ist die Reversibilität.Es besteht darin, dass sich der Rotor zu drehen beginnt, wenn von einer externen Quelle Spannung an die Generatorklemmen angelegt wird. Das bedeutet, dass die elektrische Maschine je nach Anschlussschema entweder ein Generator oder ein Elektromotor sein kann.
Dies sind nur die Grundkonzepte eines solchen Phänomens wie elektrischer Strom. Tatsächlich sind die Prozesse, die während der gerichteten Bewegung von Elektronen ablaufen, viel komplizierter. Um sie zu verstehen, ist ein tieferes Studium der Elektrodynamik erforderlich.
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