תנאים לקיומו של זרם חשמלי
ראשית, בואו נענה על השאלה מהו זרם חשמלי. סוללת שולחן פשוטה אינה מייצרת זרם בעצמה. ופנס ששוכב על שולחן לא יוצר זרם דרך נוריות הלד שלו סתם ככה בלי סיבה בכלל. כדי שיופיע זרם, משהו צריך לזרום לאנשהו, לפחות להתחיל לזוז, ולשם כך צריך להיסגר מעגל נוריות הפנס והסוללה. לא בכדי, בימים עברו השוו זרם חשמלי לתנועה של נוזל טעון מסוים.
למעשה, אנו יודעים זאת כעת חַשְׁמַל - זוהי התנועה המכוונת של חלקיקים טעונים, ושאנלוגי קרוב יותר למציאות יהיה גז טעון - גז של חלקיקים טעונים הנעים תחת פעולת שדה חשמלי. אבל דבר ראשון.
זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת של חלקיקים טעונים
אז, זרם חשמלי הוא תנועה של חלקיקים טעונים, אבל אפילו התנועה הכאוטית של חלקיקים טעונים היא גם תנועה, אבל עדיין לא זרם.באופן דומה, מולקולות נוזל שנמצאות בתנועה תרמית כל הזמן אינן יוצרות זרמים מכיוון שהתזוזה הכוללת של כל נפח הנוזל במנוחה היא אפס בדיוק.
כדי שזרימת הנוזל תתרחש, חייבת להתרחש תנועה כוללת, כלומר, התנועה הכוללת של מולקולות הנוזל חייבת להיות מכוונת. כך תתווסף התנועה הכאוטית של המולקולות לתנועה המכוונת של כל הנפח, ותתרחש זרימה של כל נפח הנוזל.
המצב דומה עם זרם חשמלי - התנועה המכוונת של חלקיקים טעונים חשמלית היא זרם חשמלי. מהירות התנועה התרמית של חלקיקים טעונים, למשל, במתכת, נמדדת במאות מטרים לשנייה, אך בתנועה כיוונית, כאשר נקבע זרם מסוים במוליך, מהירות התנועה הכללית של חלקיקים נמדדת ב. חלקים ויחידות של מילימטרים לשנייה.
אז, אם זרם ישר שווה ל-10 A זורם בחוט מתכת עם חתך של 1 מ"ר מ"ר, אז המהירות הממוצעת של התנועה הסדורה של אלקטרונים תהיה בין 0.6 ל-6 מילימטרים לשנייה. זה כבר יהיה מכת חשמל. והתנועה האיטית הזו של אלקטרונים מספיקה כדי שחוט, למשל, של nichrome, יתחמם היטב, יציית חוק ג'ול-לנץ.
מהירות החלקיקים אינה מהירות ההתפשטות של שדה חשמלי!
שימו לב שהזרם מתחיל בחוט כמעט מיידי לאורך כל הנפח, כלומר "תנועה" זו מתפשטת לאורך החוט במהירות האור, אך תנועת החלקיקים הטעונים עצמם איטית פי 100 מיליארד. אתה יכול לשקול את האנלוגיה של צינור עם נוזל זורם דרכו.
נעים לאורך צינור באורך 10 מטר, למשל מים.מהירות המים היא רק 1 מטר לשנייה, אבל הזרימה לא מתפשטת באותה מהירות, אלא הרבה יותר מהר, ומהירות ההתפשטות כאן תלויה בצפיפות הנוזל ובגמישותו. כך, השדה החשמלי מתפשט לאורך החוט במהירות האור, והחלקיקים מתחילים לנוע לאט יותר ב-11 סדרי גודל. ראה גם: מהירות זרם חשמלי
1. חלקיקים טעונים נחוצים לקיומו של זרם חשמלי
אלקטרונים במתכות ובוואקום, יונים בתמיסות אלקטרוליטים - משמשים כנשאי מטען ומבטיחים נוכחות של זרם בחומרים שונים. במתכות, אלקטרונים ניידים מאוד, חלקם יכולים לנוע בחופשיות מאטום לאטום, כמו גז הממלא את החלל בין הצמתים של סריג גביש.
בצינורות אלקטרונים, אלקטרונים עוזבים את הקתודה במהלך קרינה תרמיונית, ממהרים תחת פעולת שדה חשמלי אל האנודה. באלקטרוליטים, מולקולות מתפרקות במים לחלקים בעלי מטען חיובי ושלילי והופכות ליוני נושאי מטען חופשיים באלקטרוליטים, כלומר בכל מקום שבו יכול להתקיים זרם חשמלי, ישנם נושאי מטען חופשיים שיכולים לנוע שדה חשמלי... זהו התנאי הראשון לקיומו של זרם חשמלי - נוכחותם של נושאי מטען חופשיים.
2. התנאי השני לקיומו של זרם חשמלי הוא שכוחות חיצוניים חייבים לפעול על המטען
אם אתה מסתכל עכשיו על חוט, נניח שזה חוט נחושת, אז אתה יכול לשאול את עצמך: מה צריך כדי להתרחש בו זרם חשמלי? יש חלקיקים טעונים, אלקטרונים, הם מסוגלים לנוע בחופשיות.
מה יגרום להם לזוז? ידוע שחלקיק טעון חשמלי יוצר אינטראקציה עם שדה חשמלי. לכן, יש ליצור שדה חשמלי בחוט, ואז ייווצר פוטנציאל בכל נקודה של החוט, יהיה הפרש פוטנציאל בין קצוות החוט, והאלקטרונים ינועו לכיוון השדה - ב הכיוון מ- «-» ל- «+», כלומר בכיוון המנוגד לווקטור עוצמת השדה החשמלי. השדה החשמלי יאיץ את האלקטרונים, ויגדיל את האנרגיה (הקינטית והמגנטית) שלהם.
כתוצאה מכך, אם ניקח בחשבון שדה חשמלי פשוט המופעל חיצונית על החוט (הנחנו את החוט בשדה חשמלי לאורך קווי הכוח), אזי יצטברו אלקטרונים בקצה אחד של החוט ומטען שלילי יופיע בו. סוף, ומכיוון שהאלקטרונים מוזזים מהקצה השני של החוט, אז יהיה עליו מטען חיובי.
כתוצאה מכך, השדה החשמלי של מוליך הנטען על ידי שדה חשמלי המופעל חיצונית יהיה בכיוון שיחליש את השדה החשמלי החיצוני מפעולתו.
תהליך החלוקה מחדש של המטענים יימשך כמעט באופן מיידי ולאחר השלמתו ייפסק הזרם בחוט. השדה החשמלי שנוצר בתוך המוליך יהפוך לאפס, והכוח בקצוות יהיה שווה בגודלו אך הפוך בכיוון לשדה החשמלי המופעל מבחוץ.
אם השדה החשמלי במוליך נוצר על ידי מקור זרם ישר, למשל, סוללה, אז מקור כזה יהפוך למקור של כוחות חיצוניים עבור המוליך, כלומר מקור שייצור EMF קבוע במוליך. ולשמור על ההבדל הפוטנציאלי.ברור שכדי שהזרם יישמר על ידי מקור כוח חיצוני, המעגל חייב להיות סגור.