شروط وجود التيار الكهربائي

لنبدأ بالإجابة على سؤال ما هو التيار الكهربائي. بطارية سطح الطاولة البسيطة لا تولد تيارًا من تلقاء نفسها. ومصباح يدوي مستلق على طاولة لن يخلق تيارًا من خلال مصابيح LED الخاصة به تمامًا مثل ذلك بدون سبب على الإطلاق. لكي يظهر التيار ، يجب أن يتدفق شيء ما في مكان ما ، على الأقل البدء في الحركة ، ولهذا يجب إغلاق دائرة مصابيح LED المصباح والبطارية. ليس من أجل لا شيء ، في الأيام الخوالي كان التيار الكهربي يُقارن بحركة سائل مشحون معين.

في الواقع ، نحن نعرف هذا الآن كهرباء - هذه هي الحركة الموجهة للجسيمات المشحونة ، وأن التناظرية الأقرب للواقع هي غاز مشحون - غاز من الجسيمات المشحونة تتحرك تحت تأثير مجال كهربائي. لكن أول الأشياء أولاً.

التيار الكهربائي هو الحركة الموجهة للجسيمات المشحونة

إذن ، التيار الكهربائي هو حركة الجسيمات المشحونة ، ولكن حتى الحركة الفوضوية للجسيمات المشحونة هي أيضًا حركة ، لكنها لا تزال غير تيار.وبالمثل ، فإن جزيئات السوائل التي تكون في حركة حرارية طوال الوقت لا تخلق تيارات لأن الإزاحة الكلية للحجم الكامل للسائل في حالة السكون تساوي صفرًا تمامًا.

لكي يحدث تدفق السوائل ، يجب أن تحدث الحركة الكلية ، أي يجب توجيه الحركة الكلية لجزيئات السائل. وبالتالي ، ستتم إضافة الحركة الفوضوية للجزيئات إلى الحركة الموجهة للحجم بأكمله ، وسيحدث تدفق لكامل حجم السائل.

الوضع مشابه للتيار الكهربائي - الحركة الموجهة للجسيمات المشحونة كهربائيًا هي تيار كهربائي. تقاس سرعة الحركة الحرارية للجسيمات المشحونة ، على سبيل المثال ، في المعدن ، بمئات الأمتار في الثانية ، ولكن في الحركة الاتجاهية ، عندما يتم ضبط تيار معين في الموصل ، يتم قياس سرعة الحركة العامة للجسيمات بـ أجزاء ووحدات مليمترات في الثانية.

لذلك ، إذا كان تيار مباشر يساوي 10 أ يتدفق في سلك معدني بمقطع عرضي 1 ملم مربع ، فإن متوسط ​​سرعة الحركة المطلوبة للإلكترونات سيكون من 0.6 إلى 6 ملليمترات في الثانية. ستكون هذه بالفعل صدمة كهربائية. وهذه الحركة البطيئة للإلكترونات كافية لسلك ، على سبيل المثال ، من نيتشروم ، لكي يسخن جيدًا ، ويطيع قانون جول لينز.

سرعة الجسيمات ليست سرعة انتشار مجال كهربائي!

لاحظ أن التيار يبدأ في السلك بشكل فوري تقريبًا في جميع أنحاء الحجم بأكمله ، أي أن هذه "الحركة" تنتشر على طول السلك بسرعة الضوء ، لكن حركة الجسيمات المشحونة نفسها أبطأ 100 مليار مرة. يمكنك النظر في تشبيه الأنبوب بالسائل الذي يتدفق من خلاله.

تتحرك على طول أنبوب بطول 10 أمتار مثل الماء.تبلغ سرعة الماء مترًا واحدًا فقط في الثانية ، لكن التدفق لا ينتشر بنفس السرعة ، بل أسرع كثيرًا ، وسرعة الانتشار هنا تعتمد على كثافة السائل ومرونته. وهكذا ، ينتشر المجال الكهربائي على طول السلك بسرعة الضوء ، وتبدأ الجسيمات في التحرك بشكل أبطأ 11 مرتبة. أنظر أيضا: سرعة التيار الكهربائي

1. الجسيمات المشحونة ضرورية لوجود التيار الكهربائي

تعمل الإلكترونات في المعادن وفي الفراغ والأيونات في محاليل الإلكتروليت كحاملات شحنة وتضمن وجود التيار في المواد المختلفة. في المعادن ، تكون الإلكترونات شديدة الحركة ، فبعضها يمكن أن يتحرك بحرية من ذرة إلى ذرة ، مثل الغاز الذي يملأ الفراغ بين العقد في الشبكة البلورية.

في أنابيب الإلكترون ، تترك الإلكترونات القطب السالب أثناء الإشعاع الحراري ، وتندفع تحت تأثير المجال الكهربائي إلى القطب الموجب. في الإلكتروليت ، تتفكك الجزيئات في الماء إلى أجزاء موجبة وسالبة الشحنة وتصبح خالية من أيونات حاملة في الإلكتروليتات. أي حيثما يوجد تيار كهربائي ، توجد ناقلات شحن مجانية يمكنها التحرك الحقل الكهربائي… هذا هو الشرط الأول لوجود التيار الكهربائي - وجود ناقلات شحن مجانية.

2. الشرط الثاني لوجود تيار كهربائي هو أن القوى الخارجية يجب أن تعمل على الشحنة

إذا نظرت الآن إلى سلك ، فلنفترض أنه سلك نحاسي ، فيمكنك أن تسأل نفسك: ما الذي يتطلبه حدوث تيار كهربائي فيه؟ هناك جسيمات مشحونة ، إلكترونات ، يمكنها التحرك بحرية.

ما الذي سيجعلهم يتحركون؟ من المعروف أن الجسيم المشحون كهربائيًا يتفاعل مع مجال كهربائي. لذلك ، يجب إنشاء مجال كهربائي في السلك ، ثم ستنشأ جهد عند كل نقطة من السلك ، وسيكون هناك فرق جهد بين طرفي السلك ، وستتحرك الإلكترونات في اتجاه المجال - في الاتجاه من «-» إلى «+» ، أي في اتجاه معاكس لمتجه شدة المجال الكهربائي. يعمل المجال الكهربائي على تسريع الإلكترونات وزيادة طاقتها (الحركية والمغناطيسية).

نتيجة لذلك ، إذا اعتبرنا مجالًا كهربائيًا مطبقًا خارجيًا ببساطة على السلك (وضعنا السلك في مجال كهربائي على طول خطوط القوة) ، فسوف تتراكم الإلكترونات في أحد طرفي السلك وستظهر شحنة سالبة عند ذلك النهاية ، وبما أن الإلكترونات تتحرك من الطرف الآخر للسلك ، فستكون هناك شحنة موجبة عليها.

نتيجة لذلك ، سيكون المجال الكهربائي للموصل المشحون بواسطة مجال كهربائي مطبق خارجيًا في اتجاه يضعف المجال الكهربائي الخارجي من عمله.

ستستمر عملية إعادة توزيع الرسوم بشكل شبه فوري وبعد اكتمالها سيتوقف التيار في السلك. سيصبح المجال الكهربائي الناتج داخل الموصل صفراً ، وستكون القوة في النهايات متساوية في الحجم ولكنها معاكسة في الاتجاه للحقل الكهربائي المطبق خارجيًا.

إذا تم إنشاء المجال الكهربائي في الموصل بواسطة مصدر تيار مباشر ، على سبيل المثال ، بطارية ، فسيصبح هذا المصدر مصدرًا للقوى الخارجية للموصل ، أي المصدر الذي سيخلق EMF ثابتًا في الموصل والحفاظ على فرق الجهد.من الواضح ، من أجل الحفاظ على التيار بواسطة مصدر قوة خارجي ، يجب إغلاق الدائرة.