Elektrivoolu olemasolu tingimused
Alustuseks vastame küsimusele, mis on elektrivool. Lihtne lauaaku ei tekita iseenesest voolu. Ja laual lebav taskulamp ei tekita oma LED-ide kaudu voolu niisama ilma põhjuseta. Et vool tekiks, peab kuskil midagi voolama, vähemalt liikuma hakkama ja selleks peab taskulambi LED-ide ja aku ahel sulguma. Mitte asjata, vanasti võrreldi elektrivoolu teatud laetud vedeliku liikumisega.
Tegelikult teame seda nüüd elektrit — see on laetud osakeste suunatud liikumine ja et tegelikkusele lähem analoog oleks laetud gaas — laetud osakeste gaas, mis liigub elektrivälja toimel. Aga kõigepealt asjad kõigepealt.
Elektrivool on laetud osakeste suunatud liikumine
Niisiis, elektrivool on laetud osakeste liikumine, kuid isegi laetud osakeste kaootiline liikumine on samuti liikumine, kuid siiski mitte vool.Samamoodi ei tekita kogu aeg soojusliikumises olevad vedelikumolekulid voolusid, kuna kogu vedelikumahu summaarne nihe puhkeolekus on täpselt null.
Vedeliku voolu toimumiseks peab toimuma üldine liikumine, see tähendab, et vedeliku molekulide üldine liikumine peab muutuma suunatud. Seega lisandub kogu ruumala suunatud liikumisele molekulide kaootiline liikumine ja toimub kogu vedelikumahu vool.
Elektrivooluga on olukord sarnane — elektriliselt laetud osakeste suunatud liikumine on elektrivool. Laetud osakeste soojusliikumise kiirust mõõdetakse näiteks metallis sadades meetrites sekundis, kuid suunalisel liikumisel, kui juhis on seatud teatud vool, mõõdetakse osakeste üldise liikumise kiirust osad ja ühikud millimeetrites sekundis.
Niisiis, kui 1 ruutmillimeetrise ristlõikega metalljuhtmes voolab alalisvool 10 A, on elektronide korrapärase liikumise keskmine kiirus 0,6–6 millimeetrit sekundis. See on juba elektrišokk. Ja sellest elektronide aeglasest liikumisest piisab, et traat, näiteks nikroomist, saaks hästi soojeneda, järgides Joule-Lenzi seadus.
Osakeste kiirus ei ole elektrivälja levimiskiirus!
Pange tähele, et vool algab juhtmes peaaegu hetkega kogu ruumala ulatuses, see tähendab, et see "liikumine" levib mööda traati valguse kiirusel, kuid laetud osakeste endi liikumine on 100 miljardit korda aeglasem. Võite kaaluda analoogiat toruga, mille kaudu voolab vedelik.
Liikumine mööda 10 meetri pikkust toru, näiteks vett.Vee kiirus on vaid 1 meeter sekundis, kuid vool ei levi mitte sama kiirusega, vaid palju kiiremini ning leviku kiirus sõltub siin vedeliku tihedusest ja selle elastsusest. Seega levib elektriväli piki traati valguse kiirusega ning osakesed hakkavad liikuma 11 suurusjärku aeglasemalt. Vaata ka: Elektrivoolu kiirus
1. Laetud osakesed on vajalikud elektrivoolu olemasoluks
Elektronid metallides ja vaakumis, ioonid elektrolüütide lahustes — toimivad laengukandjatena ja tagavad voolu olemasolu erinevates ainetes. Metallides on elektronid väga liikuvad, mõned neist võivad vabalt liikuda aatomilt aatomile, nagu gaas, mis täidab kristallvõre sõlmede vahelist ruumi.
Elektrontorudes lahkuvad elektronid katoodilt termokiirguse ajal, tormades elektrivälja toimel anoodile. Elektrolüütides lagunevad molekulid vees positiivselt ja negatiivselt laetud osadeks ning vabanevad elektrolüütide laengukandjate ioonidest ehk kõikjal, kus saab eksisteerida elektrivool, on vabad laengukandjad, mis saavad liikuda. elektriväli… See on elektrivoolu olemasolu esimene tingimus — vabade laengukandjate olemasolu.
2. Elektrivoolu olemasolu teine tingimus on see, et laengule peavad mõjuma välised jõud
Kui nüüd vaadata juhet, oletame, et see on vasktraat, siis võid endalt küsida: mida on vaja, et selles tekiks elektrivool? Seal on laetud osakesed, elektronid, nad on võimelised vabalt liikuma.
Mis paneb nad liikuma? On teada, et elektriliselt laetud osake interakteerub elektriväljaga. Seetõttu tuleb juhtmes tekitada elektriväli, siis tekib juhtme igas punktis potentsiaal, juhtme otste vahel tekib potentsiaalide vahe ja elektronid liiguvad välja suunas — sisse suund «-» kuni «+», mis on elektrivälja tugevusvektorile vastupidises suunas. Elektriväli kiirendab elektrone, suurendades nende (kineetilist ja magnetilist) energiat.
Selle tulemusena, kui arvestada elektrivälja, mis on juhtmele lihtsalt väljastpoolt rakendatud (me asetasime traadi elektrivälja mööda jõujooni), siis kogunevad elektronid juhtme ühte otsa ja sinna tekib negatiivne laeng. ots ja kuna elektronid liigutatakse traadi teisest otsast, siis on sellel positiivne laeng.
Selle tulemusena on väliselt rakendatud elektriväljaga laetud juhi elektriväli sellises suunas, mis nõrgendab välist elektrivälja.
Laengute ümberjaotamise protsess jätkub peaaegu hetkega ja pärast selle lõppemist vool juhtmes peatub. Saadud elektriväli juhi sees muutub nulliks ja jõud otstes on suuruselt võrdne, kuid vastupidine väljastpoolt rakendatavale elektriväljale.
Kui juhi elektrivälja tekitab alalisvooluallikas, näiteks aku, muutub selline allikas juhi jaoks väliste jõudude allikaks, see tähendab allikaks, mis loob juhis pideva EMF-i. ja säilitada potentsiaalide erinevus.Ilmselgelt peab vooluahel olema suletud selleks, et voolu säiliks välise jõuallika abil.