Якщо в якомусь середовищі є вільні носії заряду (наприклад, електрони в металі), то вони не спокоїться, а хаотично рухаються. Але можна змусити електрони рухатись упорядковано у заданому напрямку. Такий спрямований рух заряджених частинок називається електричним струмом.
Як виникає електричний струм
Якщо взяти два провідники, і один із них зарядити негативно (додати йому електронів), а інший зарядити позитивно (відібравши в нього частину електронів), виникне електричне поле. Якщо об'єднати обидва електроди провідником, поле змусить рухатися електрони в напрямку, протилежному напрямку вектора напруженості електричного поля, відповідно до напрямку вектора електричної сили. Негативно заряджені частинки будуть рухатися від електрода, де вони в надлишку, до електрода, де вони в нестачі.
Для виникнення руху електронів не обов'язково повідомляти другий електрод позитивний заряд. Головне, щоб негативний заряд першого був вищим. Можна навіть зарядити обидва провідники негативно, але один провідник повинен мати заряд більше за інший. У цьому випадку говорять про різницю потенціалів, що викликає електричний струм.
За аналогією з водою – якщо з'єднати дві судини, заповнені водою до різних рівнів, виникне потік води. Його натиск залежатиме від різниці рівнів.
Цікаво, що хаотичний рух електронів під дією електричного поля в цілому зберігається, але загальний вектор руху маси носіїв заряду набуває спрямованого характеру. Якщо «хаотична» складова руху має швидкість кілька десятків або навіть сотень кілометрів за секунду, то спрямована складова – кілька міліметрів за хвилину. Але вплив (коли електрони по довжині провідника починають рухатися) поширюється зі швидкістю світла, тому кажуть, що електричний струм рухається зі швидкістю 3*108 м/сек.
В рамках наведеного вище експерименту струм у провіднику буде існувати недовго - доти, поки в негативно зарядженому провіднику не закінчаться надлишкові електрони, і їх кількість на обох полюсах не врівноважується. Цей час невеликий – нікчемні частки секунди.
Перейти назад до спочатку негативно зарядженого електрода і створити надмірний заряд носіям не дає те саме електричне поле, яке рухало електрони від мінуса до плюсу. Тому має бути стороння сила, що діє проти сили електричного поля і перевищує його. За аналогією з водою, має бути насос, що закачує воду назад на верхній рівень для створення безперервного потоку води.
Напрямок струму
За напрямок струму прийнято напрямок від плюса до мінуса, тобто напрямок руху позитивно заряджених частинок – протилежний руху електронів. Пов'язано це з тим, що саме явище електричного струму було відкрито набагато раніше, ніж отримано пояснення його природи, і вважалося, що струм йде саме в цей бік. На той час накопичилася велика кількість статей та іншої літератури на цю тему, з'явилися поняття, визначення та закони. Щоб не переглядати величезну кількість вже опублікованого матеріалу, просто прийняли напрямок струму проти потоку електронів.
Якщо струм протікає весь час одному напрямку (навіть змінюючись за силою), він називається постійним струмом. Якщо його напрямок змінюється, то йдеться про змінний струм. У практичному застосуванні напрямок змінюється за яким-небудь законом, наприклад, за синусоїдальним. Якщо напрям протікання струму залишається незмінним, але періодично спадає до нуля і зростає до максимального значення, йдеться про імпульсному струмі (різної форми).
Необхідні умови підтримки електричного струму в ланцюзі
Вільні носії зарядів
Перше необхідне умова існування електричного струму – наявність вільних носіїв зарядів. Заряди не існують окремо від їх носіїв, тому слід розглядати частинки, які можуть переносити заряд.
У металах та інших речовинах з подібним типом провідності (графіт тощо) такими є вільні електрони. Вони слабо взаємодіють із ядром, і можуть залишати атом і щодо безперешкодно переміщатися всередині провідника.
Також вільні електрони є носіями заряду в напівпровідниках, але в деяких випадках говорять про «дірочну» провідність цього класу твердих речовин (на противагу «електронній»). Це поняття потрібно тільки для опису фізичних процесів, фактично струм у напівпровідниках є все те ж рух електронів. Матеріали, у яких електрони що неспроможні залишати атом, є діелектриками. Вони струм не виникає.
У рідинах заряд переносять позитивні та негативні іони. Тут маються на увазі рідини – електроліти. Наприклад, вода, в якій розчинена сіль. Сама по собі вода електрично досить нейтральна, але при попаданні в неї тверді та рідкі речовини розчиняються та дисоціюють (розпадаються) з утворенням позитивних та негативних іонів. А в розплавлених металах (наприклад, у ртуті) носіями зарядів є електрони.
Гази переважно є діелектриками. Вільних електронів у них немає – гази складаються з нейтральних атомів та молекул. Але якщо газ іонізований, говорять про четвертий агрегатний стан речовини – плазму. У ній теж може текти електричний струм, він виникає при спрямованому русі електронів та іонів.
Також струм може текти і у вакуумі (на цьому принципі ґрунтується дія, наприклад, електронних ламп). Для цього знадобляться електрони чи іони.
Електричне поле
Незважаючи на наявність носіїв вільних зарядів, більшість середовищ електрично нейтральні. Це тим, що негативні (електрони) і позитивні (протони) частинки розташовані рівномірно, та його поля компенсують одне одного. Щоб виникло поле, заряди повинні зосередитись у якійсь області. Якщо електрони накопичилися в області одного (негативного) електрода, то на протилежному (позитивному) буде їхній недолік, і виникне поле, що створює силу, що діє на носії зарядів і змушує їх рухатися.
Стороння сила для перенесення зарядів
І третя умова - повинна існувати сила, яка переносить заряди в напрямку, протилежному напрямку електростатичного поля, інакше заряди всередині замкнутої системи швидко врівноважуються. Ця стороння сила називається електрорушійною силою. Її походження може бути різним.
Електрохімічна природа
У цьому випадку ЕРС виникає внаслідок перебігу електрохімічних реакцій. Реакції можуть бути незворотними. Прикладом є гальванічний елемент - всім відома батарейка. Після вичерпання реагентів ЕРС знижується до нуля, і батарейка «сідає».
В інших випадках реакції можуть бути оборотними. Так, в акумуляторі ЕРС також виникає внаслідок електрохімічних реакцій. Але після завершення процес можна відновити - під дією зовнішнього електричного струму реакції пройдуть у зворотному порядку, і акумулятор знову буде готовий віддавати струм.
Фотоелектрична природа
У цьому випадку ЕРС викликається впливом видимого, ультрафіолетового чи інфрачервоного випромінювання на процеси напівпровідникових структурах. Такі сили з'являються у фотоелементах («сонячних батареях»). Під впливом світла у зовнішній ланцюга виникає електричний струм.
Термоелектрична природа
Якщо взяти два різнорідні провідники, спаяти їх і місце з'єднання нагрівати, то в ланцюзі виникне ЕРС за рахунок різниці температур між гарячим спаєм (місця з'єднання провідників) і холодним спаєм – протилежними кінцями провідників. Таким способом можна не тільки виробляти струм, але і вимірювати температуру за допомогою вимірювання ЕРС, що виникає.
П'єзоелектрична природа
Виникає при стисканні або деформації деяких твердих речовин. На цьому принципі працює електрична запальничка.
Електромагнітна природа
Найпоширеніший спосіб промислового отримання електрики – за допомогою генератора постійного чи змінного струму. У машині постійного струму якір як рамки обертається в магнітному полі, перетинаючи його силові лінії. При цьому виникає ЕРС, яка залежить від швидкості обертання ротора та магнітного потоку. Насправді застосовується якір з великої кількості витків, що утворюють безліч послідовно з'єднаних рамок. ЕРС, що в них виникають, складаються.
У генераторі змінного струму застосовується той самий принцип, але всередині нерухомої рамки обертається магніт (електричний чи постійний). В результаті тих же процесів у статорі виникає ЕРС, що має синусоїдальну форму. У промисловому масштабі майже завжди застосовується вироблення змінного струму – його простіше перетворювати на транспортування та практичного застосування.
Цікава властивість генератора – оборотність. Воно полягає в тому, що якщо на висновки генератора подати напругу від стороннього джерела, його ротор почне обертатися. Це означає, що в залежності від схеми підключення електрична машина може бути або генератором, або електромотором.
Це лише основні поняття такого явища як електричний струм. Насправді процеси, що відбуваються при спрямованому русі електронів набагато складніше. Для їхнього розуміння буде потрібно глибше вивчення електродинаміки.
СХОЖІ СТАТТІ:
- Що таке потенціал та різниця потенціалів між двома точками
- Що таке сила Лоренца, які величини та напрямки цієї сили
- Що таке діелектрична проникність