Podmínky existence elektrického proudu

Pro začátek si odpovězme na otázku, co je elektrický proud. Jednoduchá stolní baterie sama o sobě nevytváří proud. A baterka ležící na stole nebude vytvářet proud přes své LED jen tak bez důvodu. Aby se objevil proud, musí někde něco téct, alespoň se dát do pohybu a k tomu se musí uzavřít obvod LED svítilny a baterie. Ne nadarmo byl za starých časů elektrický proud přirovnáván k pohybu určité nabité kapaliny.

Ve skutečnosti to nyní víme elektřina — toto je řízený pohyb nabitých částic a že bližší analogií skutečnosti by byl nabitý plyn — plyn nabitých částic pohybujících se působením elektrického pole. Ale nejdřív.

Elektrický proud je řízený pohyb nabitých částic

Elektrický proud je tedy pohyb nabitých částic, ale i chaotický pohyb nabitých částic je také pohyb, ale stále ne proud.Stejně tak molekuly tekutiny, které jsou neustále v tepelném pohybu, nevytvářejí proudy, protože celkový výtlak celého objemu tekutiny v klidu je přesně nulový.

Aby došlo k proudění tekutiny, musí nastat celkový pohyb, to znamená, že celkový pohyb molekul tekutiny musí být řízený. K usměrněnému pohybu celého objemu se tedy přičte chaotický pohyb molekul a dojde k proudění celého objemu kapaliny.

U elektrického proudu je situace podobná — řízený pohyb elektricky nabitých částic je elektrický proud. Rychlost tepelného pohybu nabitých částic, například v kovu, se měří ve stovkách metrů za sekundu, ale při směrovém pohybu, kdy je ve vodiči nastaven určitý proud, se rychlost obecného pohybu částic měří v díly a jednotky milimetrů za sekundu.

Pokud tedy kovovým drátem o průřezu 1 mm2 protéká stejnosměrný proud rovný 10 A, pak průměrná rychlost uspořádaného pohybu elektronů bude od 0,6 do 6 milimetrů za sekundu. To už bude zásah elektrickým proudem. A tento pomalý pohyb elektronů stačí na to, aby se drát, například z nichromu, dobře zahřál a poslechl Joule-Lenzův zákon.

Rychlost částic není rychlost šíření elektrického pole!

Všimněte si, že proud začíná v drátu téměř okamžitě v celém objemu, to znamená, že tento "pohyb" se šíří podél drátu rychlostí světla, ale samotný pohyb nabitých částic je 100 miliardkrát pomalejší. Můžete zvážit analogii trubky, kterou protéká kapalina.

Pohyb po potrubí dlouhém 10 metrů, například voda.Rychlost vody je pouze 1 metr za vteřinu, ale proudění se nešíří stejnou rychlostí, ale mnohem rychleji a rychlost šíření zde závisí na hustotě kapaliny a její elasticitě. Elektrické pole se tedy šíří po drátu rychlostí světla a částice se začnou pohybovat o 11 řádů pomaleji. Viz také: Rychlost elektrického proudu

1. Nabité částice jsou nezbytné pro existenci elektrického proudu

Elektrony v kovech a ve vakuu, ionty v roztocích elektrolytů — slouží jako nosiče náboje a zajišťují přítomnost proudu v různých látkách. V kovech jsou elektrony velmi pohyblivé, některé z nich se mohou volně pohybovat z atomu na atom, jako plyn vyplňující prostor mezi uzly krystalové mřížky.

V elektronkách elektrony opouštějí katodu během termionického záření a řítí se působením elektrického pole k anodě. V elektrolytech se molekuly rozpadají ve vodě na kladně a záporně nabité části a stávají se z nich volné ionty nosiče náboje v elektrolytech. To znamená, že všude tam, kde může existovat elektrický proud, existují volné nosiče náboje, které se mohou pohybovat elektrické pole… Toto je první podmínka pro existenci elektrického proudu — přítomnost volných nosičů náboje.

2. Druhou podmínkou existence elektrického proudu je, že na náboj musí působit vnější síly

Když se nyní podíváte na drát, řekněme, že je to měděný drát, můžete si položit otázku: co je potřeba k tomu, aby se v něm objevil elektrický proud? Jsou tam nabité částice, elektrony, jsou schopny se volně pohybovat.

Co je přiměje k pohybu? Je známo, že elektricky nabitá částice interaguje s elektrickým polem. Proto musí být v drátu vytvořeno elektrické pole, pak v každém bodě drátu vznikne potenciál, mezi konci drátu bude rozdíl potenciálů a elektrony se budou pohybovat ve směru pole — v ve směru od «-» k «+», tedy ve směru opačném k vektoru intenzity elektrického pole. Elektrické pole urychlí elektrony a zvýší jejich (kinetickou a magnetickou) energii.

V důsledku toho, pokud vezmeme v úvahu elektrické pole jednoduše aplikované externě na drát (umístili jsme drát do elektrického pole podél siločar), pak se elektrony nahromadí na jednom konci drátu a objeví se na něm záporný náboj. konec, a protože elektrony jsou přesunuty z druhého konce drátu, bude na něm kladný náboj.

V důsledku toho bude elektrické pole vodiče nabitého externě aplikovaným elektrickým polem v takovém směru, aby zeslabilo vnější elektrické pole jeho působením.

Proces přerozdělování nábojů bude pokračovat téměř okamžitě a po jeho dokončení se proud v drátu zastaví. Výsledné elektrické pole uvnitř vodiče bude nulové a síla na koncích bude mít stejnou velikost, ale opačný směr než elektrické pole aplikované externě.

Pokud je elektrické pole ve vodiči vytvořeno zdrojem stejnosměrného proudu, například baterií, pak se takový zdroj stane zdrojem vnějších sil pro vodič, tedy zdrojem, který vytvoří konstantní EMF ve vodiči. a zachovat potenciální rozdíl.Je zřejmé, že aby byl proud udržován vnějším zdrojem síly, musí být obvod uzavřen.