حركة التيار في الدائرة الكهربائية. نقوم بتصميم المعدات الكهربائية معًا: اتجاه التيار الكهربائي. أين يستخدم التيار الكهربائي؟
نعلم جميعًا جيدًا أن الكهرباء هي تدفق موجه للجسيمات المشحونة الناتجة عن عمل المجال الكهربائي. سيخبرك أي تلميذ بهذا. لكن السؤال عن اتجاه التيار وأين تذهب هذه الجزيئات بالذات يمكن أن يربك الكثيرين.
جوهر السؤال
كما هو معروف، في الموصل يتم نقل الكهرباء بواسطة الإلكترونات، في الإلكتروليتات - الكاتيونات والأنيونات (أو ببساطة الأيونات)، في أشباه الموصلات تعمل الإلكترونات مع ما يسمى "الثقوب"، في الغازات - الأيونات مع الإلكترونات. وتعتمد موصليتها الكهربائية على وجود جزيئات حرة في مادة معينة. في حالة عدم وجود مجال كهربائي، لن يمر تيار في موصل معدني. ولكن بمجرد ظهوره في قسمين من أقسامه، أي: سيظهر التوتر، وسوف تتوقف الفوضى في حركة الإلكترونات وسيبدأ النظام: سيبدأون في الصد من الطرح والتحرك نحو الزائد. يبدو أن هذا هو الجواب على السؤال "ما هو اتجاه التيار؟" ولكن لم يكن هناك. يكفي أن ننظر إلى القاموس الموسوعي أو ببساطة في أي كتاب مدرسي عن الفيزياء، وسوف يصبح تناقض معين ملحوظا على الفور. تقول أن العبارة التقليدية "اتجاه التيار" تشير إلى الحركة الاتجاهية للشحنات الموجبة، بمعنى آخر: من الموجب إلى الناقص. ماذا تفعل مع هذا البيان؟ ففي النهاية هناك تناقض يرى بالعين المجردة!
قوة العادة
عندما تعلم الناس صنع دائرة، لم يكونوا على علم بوجود الإلكترون. علاوة على ذلك، لم يشكوا في ذلك الوقت في أنها تتحرك من ناقص إلى زائد. عندما اقترح أمبير في النصف الأول من القرن التاسع عشر اتجاه التيار من الموجب إلى الناقص، اعتبره الجميع أمرا مفروغا منه ولم يعترض أحد على هذا القرار. استغرق الأمر 70 عامًا حتى اكتشف الناس أن التيار في المعادن يحدث بسبب حركة الإلكترونات. وعندما أدركوا ذلك (حدث هذا في عام 1916)، كان الجميع معتادين على الاختيار الذي أدلى به أمبير، لدرجة أنهم لم يعودوا يغيرون أي شيء.
"المعنى الذهبي"
في الإلكتروليتات، تتحرك الجزيئات السالبة الشحنة نحو الكاثود، بينما تتحرك الجزيئات الموجبة نحو القطب الموجب. ويحدث نفس الشيء في الغازات. إذا فكرت في الاتجاه الذي سيكون فيه التيار في هذه الحالة، فلن يتبادر إلى ذهنك سوى خيار واحد: حركة الأقطاب المعاكسة في دائرة مغلقة تحدث تجاه بعضها البعض. فإذا كان البيان هو الأساس فإنه يزيل التناقض الموجود حاليا. قد يكون هذا مفاجئًا، لكن منذ أكثر من 70 عامًا، تلقى العلماء أدلة موثقة على أن الشحنات الكهربائية ذات الإشارة المعاكسة في وسط موصل تتحرك بالفعل تجاه بعضها البعض. سيكون هذا البيان صحيحًا بالنسبة لأي موصل، بغض النظر عن نوعه: المعدن، الغاز، المنحل بالكهرباء، أشباه الموصلات. مهما كان الأمر، لا يسعنا إلا أن نأمل أن يتمكن الفيزيائيون بمرور الوقت من إزالة الارتباك في المصطلحات وقبول تعريف لا لبس فيه لاتجاه الحركة الحالية. من الصعب بالطبع تغيير العادة، لكن عليك أخيرًا وضع كل شيء في مكانه.
الحركة الموجهة للجسيمات المشحونة في مجال كهربائي.
يمكن أن تكون الجسيمات المشحونة إلكترونات أو أيونات (ذرات مشحونة).
الذرة التي فقدت إلكترونًا أو أكثر تكتسب شحنة موجبة. - أنيون (أيون إيجابي).
الذرة التي اكتسبت إلكترونًا واحدًا أو أكثر تكتسب شحنة سالبة. - كاتيون (أيون سالب).
تعتبر الأيونات جسيمات مشحونة متحركة في السوائل والغازات.
في المعادن، تكون حاملات الشحنة عبارة عن إلكترونات حرة، مثل الجسيمات سالبة الشحنة.
في أشباه الموصلات، نعتبر حركة (حركة) الإلكترونات سالبة الشحنة من ذرة إلى أخرى، ونتيجة لذلك، الحركة بين ذرات الشواغر المشحونة إيجابيا الناتجة - الثقوب.
خلف اتجاه التيار الكهربائييتم قبول اتجاه حركة الشحنات الموجبة بشكل تقليدي. تم إنشاء هذه القاعدة قبل فترة طويلة من دراسة الإلكترون ولا تزال صحيحة حتى يومنا هذا. يتم تحديد شدة المجال الكهربائي أيضًا لشحنة اختبار موجبة.
لأي تهمة واحدة سفي مجال كهربائي شديد الشدة هأعمال القوة F = التيسير الكميالذي يحرك الشحنة في اتجاه ناقل هذه القوة.
يوضح الشكل أن ناقل القوة F - = -QE، يتصرف على تهمة سلبية -س، يتم توجيهه في الاتجاه المعاكس لمتجه شدة المجال، باعتباره حاصل ضرب المتجه هإلى قيمة سلبية. وبالتالي، فإن الإلكترونات سالبة الشحنة، والتي تعتبر حاملات للشحنة في الموصلات المعدنية، لها في الواقع اتجاه حركة معاكس لمتجه شدة المجال والاتجاه المقبول عمومًا للتيار الكهربائي.
مستوى الشحن س= 1 كولوم تحرك عبر المقطع العرضي للموصل في الزمن ر= 1 ثانية، تحددها القيمة الحالية أنا= 1 أمبير من النسبة:
أنا = س / ر.
النسبة الحالية أنا= 1 أمبير موصل لمساحة مقطعه س= 1 م2 ستحدد كثافة التيار ي= 1 أ/م2:
وظيفة أ= 1 جول ينفق على نقل الشحنة س= 1 كولوم من النقطة 1 إلى النقطة 2 سيحدد قيمة الجهد الكهربائي ش= 1 فولت، كفرق الجهد φ 1 و φ 2 بين هذه النقاط من الحساب :
ش = أ/س = φ 1 - φ 2
يمكن أن يكون التيار الكهربائي مباشرًا أو متناوبًا.
التيار المباشر هو تيار كهربائي لا يتغير اتجاهه وحجمه بمرور الوقت.
التيار المتناوب هو تيار كهربائي يتغير مقداره واتجاهه بمرور الوقت.
في عام 1826، اكتشف الفيزيائي الألماني جورج أوم قانونًا مهمًا للكهرباء، والذي يحدد العلاقة الكمية بين التيار الكهربائي وخصائص الموصل، التي تميز قدرتها على تحمل التيار الكهربائي.
أصبحت هذه الخصائص فيما بعد تسمى المقاومة الكهربائية، والتي يشار إليها بالحرف روتقاس بالأوم تكريما للمكتشف.
يحدد قانون أوم في تفسيره الحديث باستخدام نسبة U/R الكلاسيكية مقدار التيار الكهربائي في الموصل على أساس الجهد شفي نهايات هذا الموصل ومقاومته ر:
التيار الكهربائي في الموصلات
تحتوي الموصلات على ناقلات شحن مجانية، والتي تتحرك تحت تأثير المجال الكهربائي وتولد تيارًا كهربائيًا.
في الموصلات المعدنية، تكون حاملات الشحنة إلكترونات حرة.
مع ارتفاع درجة الحرارة، تتداخل الحركة الحرارية الفوضوية للذرات مع الحركة الاتجاهية للإلكترونات وتزداد مقاومة الموصل.
عند التبريد ودرجة الحرارة تقترب من الصفر المطلق، وعندما تتوقف الحركة الحرارية، تميل مقاومة المعدن إلى الصفر.
يوجد التيار الكهربائي في السوائل (الشوارد) كحركة موجهة للذرات المشحونة (الأيونات)، والتي تتشكل في عملية التفكك الكهربائي.
تتحرك الأيونات نحو الأقطاب الكهربائية المقابلة للعلامة ويتم تحييدها، وتستقر عليها. - التحليل الكهربائي.
الأنيونات هي أيونات إيجابية. ينتقلون إلى القطب السالب - الكاثود.
الكاتيونات هي أيونات سالبة. ينتقلون إلى القطب الموجب - الأنود.
تحدد قوانين فاراداي للتحليل الكهربائي كتلة المادة المنبعثة من الأقطاب الكهربائية.
عند تسخينه، تنخفض مقاومة المنحل بالكهرباء بسبب زيادة عدد الجزيئات المتحللة إلى أيونات.
التيار الكهربائي في الغازات – البلازما. يتم حمل الشحنة الكهربائية بواسطة الأيونات الموجبة أو السالبة والإلكترونات الحرة التي تتشكل تحت تأثير الإشعاع.
يوجد تيار كهربائي في الفراغ على شكل تدفق للإلكترونات من الكاثود إلى القطب الموجب. يستخدم في أجهزة الشعاع الإلكتروني – المصابيح .
التيار الكهربائي في أشباه الموصلات
تحتل أشباه الموصلات موقعًا متوسطًا بين الموصلات والعوازل من حيث مقاومتها.
يمكن اعتبار الفرق الكبير بين أشباه الموصلات والمعادن هو اعتماد مقاومتها على درجة الحرارة.
مع انخفاض درجة الحرارة، تنخفض مقاومة المعادن، بينما في أشباه الموصلات، على العكس من ذلك، تزداد.
مع اقتراب درجة الحرارة من الصفر المطلق، تميل المعادن إلى أن تصبح موصلات فائقة، وأشباه الموصلات - عوازل.
والحقيقة هي أنه عند الصفر المطلق، ستكون الإلكترونات في أشباه الموصلات مشغولة بإنشاء روابط تساهمية بين ذرات الشبكة البلورية، ومن الناحية المثالية، لن تكون هناك إلكترونات حرة.
ومع ارتفاع درجة الحرارة، يمكن لبعض إلكترونات التكافؤ أن تتلقى طاقة كافية لكسر الروابط التساهمية وستظهر الإلكترونات الحرة في البلورة، وتتكون أماكن شاغرة في مواقع الكسر والتي تسمى الثقوب.
يمكن أن يشغل المكان الشاغر إلكترون تكافؤ من زوج مجاور وسوف ينتقل الثقب إلى مكان جديد في البلورة.
عندما يلتقي إلكترون حر بثقب، تتم استعادة الرابطة الإلكترونية بين ذرات شبه الموصل وتحدث العملية العكسية - إعادة التركيب.
يمكن أن تظهر أزواج ثقب الإلكترون وتتحد مرة أخرى عند إضاءة شبه موصل بسبب طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي.
وفي غياب المجال الكهربائي، تشارك الإلكترونات والثقوب في حركة حرارية فوضوية.
ليس فقط الإلكترونات الحرة الناتجة، ولكن أيضًا الثقوب، التي تعتبر جسيمات موجبة الشحنة، تشارك في المجال الكهربائي في حركة منتظمة. حاضِر أنافي أشباه الموصلات يتكون من الإلكترون فيوالفتحة الملكية الفكريةالتيارات
تشمل أشباه الموصلات عناصر كيميائية مثل الجرمانيوم والسيليكون والسيلينيوم والتيلوريوم والزرنيخ وما إلى ذلك. وأكثر أشباه الموصلات شيوعًا في الطبيعة هو السيليكون.
يتم قبول التعليقات والاقتراحات ومرحبا بكم!
لنقم بتوصيل مؤشر LED بالبطارية AA، وإذا كانت القطبية صحيحة، فسوف يضيء. في أي اتجاه سيتم إنشاء التيار؟ في الوقت الحاضر، الجميع يعرف ذلك من الزائد إلى الناقص. وداخل البطارية، من ناقص إلى زائد - التيار في هذه الدائرة الكهربائية المغلقة ثابت.
عادة ما يعتبر اتجاه التيار في الدائرة هو اتجاه حركة الجزيئات المشحونة إيجابيا، ولكن في المعادن هي الإلكترونات التي تتحرك، وهي، كما نعلم، مشحونة سلبا. وهذا يعني أن مفهوم "اتجاه التيار" هو في الواقع تقليد. دعونا معرفة ذلك لماذا، بينما تتدفق الإلكترونات عبر الدائرة من سالب إلى موجب، يقول الجميع من حولنا إن التيار يتدفق من موجب إلى سالب. لماذا هذه السخافة؟
الجواب يكمن في تاريخ تشكيل الهندسة الكهربائية. عندما طور فرانكلين نظريته في الكهرباء، اعتبر أن حركتها تشبه حركة السائل الذي يبدو وكأنه يتدفق من جسم إلى آخر. عندما يكون هناك المزيد من السوائل الكهربائية، فإنه يتدفق من هناك في الاتجاه الذي يوجد فيه كمية أقل.
لهذا السبب أطلق فرانكلين على الأجسام التي بها فائض من السوائل الكهربائية (بشروط!) كهربة إيجابية، والأجسام التي تفتقر إلى السوائل الكهربائية - كهربية سالبة. ومن هنا جاءت فكرة الحركة. تتدفق الشحنة الموجبة، كما لو كانت عبر نظام من الأوعية المتصلة، من جسم مشحون إلى آخر.
في وقت لاحق، أثبت الباحث الفرنسي تشارلز دوفاي في تجاربه أنه ليس فقط الأجسام المفركة مشحونة، ولكن أيضًا الأجسام المفركة، وعند الاتصال يتم تحييد شحنات كلا الجسمين. اتضح أن هناك في الواقع نوعين منفصلين من الشحنات الكهربائية، والتي، عند التفاعل مع بعضها البعض، تحيد بعضها البعض. تم تطوير نظرية اثنين من الكهرباء من قبل روبرت سيمر المعاصر لفرانكلين، الذي أصبح مقتنعا بأن شيئا ما لم يكن صحيحا تماما في نظرية فرانكلين.
ارتدى الفيزيائي الاسكتلندي روبرت سيمر زوجين من الجوارب: زوجًا صوفيًا معزولًا وزوجًا ثانيًا من الحرير في الأعلى. وعندما خلع الجوربين من ساقه دفعة واحدة، ثم أخرج جوربًا واحدًا من الآخر، لاحظ الصورة التالية: الجوارب الصوفية والحريرية تنتفخ، وتأخذ شكل ساقه وتلتصق ببعضها البعض فجأة. وفي الوقت نفسه، فإن الجوارب المصنوعة من نفس المادة، مثل الصوف والحرير، تتنافر.
إذا كان سيمر يحمل جوربين من الحرير في يد وجوربين من الصوف في اليد الأخرى، فعندما جمع يديه معًا، أدى تنافر الجوارب من نفس المادة وانجذاب الجوارب من مواد مختلفة إلى تفاعل مثير للاهتمام بينهما: متباين يبدو أن الجوارب تنقض على بعضها البعض وتتشابك في كرة.
أدت ملاحظات سلوك جواربه إلى استنتاج روبرت سيمر أن كل جسم لا يحتوي على سائل كهربائي واحد، بل اثنين من السوائل الكهربائية - الإيجابية والسلبية، والتي توجد في الجسم بكميات متساوية. عند فرك جسدين، يمكن لأحدهما أن ينتقل من جسم إلى آخر، ثم يكون في أحد الجسمين فائض من أحد السوائل، وفي الآخر - نقصه. سوف يصبح كلا الجسمين مكهربين بالكهرباء ذات الإشارة المعاكسة.
ومع ذلك، يمكن تفسير الظواهر الكهروستاتيكية بنجاح باستخدام فرضية فرانكلين وفرضية سيمر للكهرباء الثنائية. وتنافست هذه النظريات مع بعضها البعض لبعض الوقت. عندما قام أليساندرو فولتا في عام 1779 بإنشاء عموده الفلطائي، وبعد ذلك تم التحقيق في التحليل الكهربائي، توصل العلماء إلى نتيجة لا لبس فيها مفادها أن هناك بالفعل تدفقين متعاكسين من حاملات الشحنة التي تتحرك في المحاليل والسوائل - إيجابية وسلبية. وعلى الرغم من عدم فهم الجميع للنظرية الثنائية للتيار الكهربائي، إلا أنها انتصرت.
أخيرًا، في عام 1820، في معرض حديثه أمام أكاديمية باريس للعلوم، اقترح أمبير اختيار أحد اتجاهات حركة الشحنة باعتباره الاتجاه الرئيسي للتيار. كان من المناسب له أن يفعل ذلك، حيث كان أمبير يدرس تفاعلات التيارات مع بعضها البعض والتيارات مع المغناطيس. ولذا، في كل مرة أثناء الرسالة، لا تذكر أن تدفقين من الشحنات المعاكسة يتحركان في اتجاهين على طول موصل واحد.
واقترح أمبير ببساطة اتخاذ اتجاه حركة الكهرباء الموجبة باعتباره اتجاه التيار، ودائما ما يتحدث عن اتجاه التيار، أي حركة الشحنة الموجبة. منذ ذلك الحين، أصبح الموقف الذي اقترحه أمبير بشأن اتجاه التيار مقبولًا في كل مكان وما زال مستخدمًا حتى يومنا هذا.
عندما طور ماكسويل نظريته في الكهرومغناطيسية، وقرر تطبيق قاعدة اللولب الأيمن لسهولة تحديد اتجاه ناقل الحث المغناطيسي، التزم أيضًا بهذا الموقف: اتجاه التيار هو اتجاه حركة التيار. شحنة موجبة.
وأشار فاراداي بدوره إلى أن اتجاه التيار مشروط، وهو ببساطة وسيلة مريحة للعلماء لتحديد اتجاه التيار بشكل لا لبس فيه. كما استخدم لينز، عند تقديمه لقاعدة لينز (انظر - )، مصطلح "اتجاه التيار"، والذي يعني حركة الكهرباء الموجبة. إنها مريحة فقط.
وحتى بعد أن اكتشف طومسون الإلكترون في عام 1897، ظل الاتجاه السائد للتيار قائمًا. حتى لو كانت الإلكترونات فقط هي التي تتحرك فعليًا في موصل أو في الفراغ، فإن الاتجاه المعاكس لا يزال يُنظر إليه على أنه اتجاه التيار - من الموجب إلى الناقص.
بعد مرور أكثر من قرن على اكتشاف الإلكترون، وعلى الرغم من أفكار فاراداي حول الأيونات، وحتى مع ظهور الأنابيب المفرغة والترانزستورات، ورغم ظهور الصعوبات في الأوصاف، إلا أن الوضع المعتاد لا يزال قائما. إنه أكثر ملاءمة للعمل مع التيارات، والتنقل في مجالاتها المغناطيسية، ويبدو أن هذا لا يسبب أي صعوبات حقيقية لأي شخص.
يمكن تمثيل التيار الكهربائي على أنه الحركة الموجهة للجسيمات المشحونة، والتي تعتبر تقليديًا حاملات شحنة سالبة أو إلكترونات. هذا البيان صحيح بالنسبة للموصلات الصلبة، حيث يعتبر الوجود المستمر للجسيمات المشحونة الحرة هو القاعدة. بالنسبة للوسائط السائلة والغازية، تكون هذه الناقلات عبارة عن أيونات موجبة الشحنة يتم من خلالها نقل المادة.
كيان مادي
لفهم كيفية تدفق التيار بوضوح، عليك أولاً أن تتعرف على الظواهر الفيزيائية الأساسية التي تؤدي إلى تكوين تدفق منظم. وفقا للنظرية الذرية الجزيئية، فإن جميع الأجسام الطبيعية (بغض النظر عن حالة تجمعها) تتكون من جزيئات وذرات، والتي تشمل إلكترونات سالبة الشحنة.
لتوضيح مبادئ تكوين تدفق الجزيئات المشحونة، فمن الأكثر ملاءمة أن نتخيل تكوين الأجسام المادية على النحو التالي:
- يتم تمثيل الذرات التي تتكون منها الجزيئات بشكل تقليدي كنواة تقع في المركز وتدور حولها إلكترونات بسرعة الضوء؛
- ونظرًا لاختلاف قطبية هذين المكونين، فإن شحنتهما مجتمعة في الظروف العادية تكون صفرًا؛
معلومات إضافية.وفي ذرات أي عنصر كيميائي، فإن عدد الإلكترونات التي تدور في مداراتها يساوي الشحنة الكلية للنواة، مما يضمن حيادها الكهربائي.
- وفي ذرات بعض المواد تحتوي الأغلفة الخارجية على عدد كبير من الإلكترونات، وهي أيضًا بعيدة عن النواة على مسافات كبيرة بالمعايير الذرية؛
- وفي لحظات زمنية معينة، ينفصل بعضها عن مداراتها وتبدأ في "التجول" بحرية بين الذرات، حيث تنجذب إلى النوى المجاورة أو تتنافر مع إلكتروناتها.
ونتيجة لهذه العمليات تظهر شحنات حرة في الأجسام المعدنية، والتي عند تطبيق جهود كهربائية (فولتية) ذات إشارة معاكسة، تبدأ في التحرك بطريقة منتظمة.
تسمى الحركة الموجهة لحاملات الشحنة الحرة في المواد الصلبة (الموصلات) بالتيار الكهربائي.
في المواد ذات المحتوى المنخفض من الإلكترونات الحرة، تكون هذه الحركة إما مستحيلة تماما (العوازل) أو تقتصر على قيمة صغيرة. وتسمى هذه المواد، التي لا تكون مشبعة بشكل كاف بالحاملات الكهربائية، بأشباه الموصلات.
أنواع التيارات
يمكن لتدفقات الإلكترون الموجودة في المواد الموصلة أن تتحرك دائمًا في اتجاه واحد أو تغير اتجاهها باستمرار. في الحالة الأولى، فإنها تشكل تيارات متناوبة، وفي الثانية، تيارات مباشرة.
تتشكل التيارات المتناوبة تحت تأثير الفولتية المتفاوتة في الحجم والإشارة المطبقة على نهايات الموصل، ويستخدم فرق الجهد بنفس القطبية للحصول على إشارة تيار ثابتة.
ملحوظة!تتدفق تيارات متغيرة عبر الأسلاك الكهربائية لأي شقة، ومثال على النوع الثاني هو حركة الإلكترونات أحادية الاتجاه في المركمات أو البطاريات.
تاريخياً، في دائرة التدفق المستمر، عادة ما يعتبر اتجاهها هو الحركة من "زائد" مصدر الطاقة إلى "ناقص". على الرغم من أن حاملات الشحنة السالبة تتحرك في الواقع في الاتجاه المعاكس تمامًا (من "ناقص" إلى "زائد"). لكن الاتجاه الشرطي المقبول سابقًا كان راسخًا في أذهان الناس لدرجة أنه ترك دون تغيير، معتبرا أن قيمة هذا المعلم مشروطة تمامًا.
من أجل فهم أين تتدفق التيارات المتناوبة، يجب أن تبدأ مباشرة من تعريفها. في هذه الحالة، تحت تأثير الجهد المتناوب (الجهد)، فإنها تغير اتجاهها مع دورية معينة.
مهم!في الشبكات المنزلية الروسية، يبلغ تردد الجهد المتردد 50 هرتز. كما يغير التيار المتدفق عبر الأسلاك الكهربائية اتجاهه بالتردد المناسب.
في الشبكات الكهربائية الأجنبية (في الولايات المتحدة الأمريكية واليابان، على وجه الخصوص)، يبلغ هذا التردد 60 هرتز، مما يزيد من الكفاءة قليلاً بينما يزيد في نفس الوقت من الخسائر في خطوط الإمداد.
حركة الشحنات في اتجاهين
في معظم المعادن، في وقت واحد مع تدفق الإلكترونات، هناك حركة عكسية للجزيئات ذات الإشارة المعاكسة، التي تشكلتها ذرات مشحونة بشكل إيجابي. وتتزامن حركتها مع التعريف الثابت تاريخيا (من "زائد" إلى "سالب")، بحيث يمكن، إذا رغبت في ذلك، أن تؤخذ حركة مكونات المادة هذه على أنها الاتجاه الحقيقي.
دعونا نضيف إلى ما قيل أنه في السوائل والغازات، تتحرك الجسيمات الذرية ذات الشحنات المختلفة (الأيونات والإلكترونات المذكورة سابقًا) أيضًا في اتجاهين متعاكسين. تسمى هذه الطريقة لتشكيل تدفق الجزيئات في السلسلة التحليل الكهربائي، والذي يستخدم على نطاق واسع في مختلف فروع الإنتاج الصناعي.
في الختام، نلاحظ أنه، على عكس وجهة النظر النظرية، فإن الاتجاه المختار تقليديًا لحركة الإلكترون في دائرة كهربائية معينة له أهمية أساسية. يتم حساب أي سلسلة من العناصر الراديوية المضمنة فيها مبدئيًا لقطبية معينة من الجهد الموفر، وبالتالي لاتجاه معين للإشارة الحالية المولدة.
فيديو
في كتاب الفيزياءهناك تعريف:
كهرباء- هذه هي الحركة المنظمة (الموجهة) للجزيئات المشحونة تحت تأثير المجال الكهربائي. يمكن أن تكون الجسيمات: الإلكترونات والبروتونات والأيونات والثقوب.
في الكتب الأكاديميةيتم وصف التعريف على النحو التالي:
كهرباءهو معدل تغير الشحنة الكهربائية مع مرور الزمن.
- شحنة الإلكترون سلبية.
- البروتونات- الجسيمات ذات الشحنة الموجبة؛
- النيوترونات- بشحنة محايدة.
القوة الحاليةهو عدد الجسيمات المشحونة (الإلكترونات والبروتونات والأيونات والثقوب) التي تتدفق عبر المقطع العرضي للموصل.
تتكون جميع المواد الفيزيائية، بما في ذلك المعادن، من جزيئات تتكون من ذرات، والتي بدورها تتكون من نوى وإلكترونات تدور حولها. أثناء التفاعلات الكيميائية، تنتقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى، وبالتالي فإن ذرات مادة ما تفتقر إلى الإلكترونات، وتكون ذرات مادة أخرى بها فائض منها. وهذا يعني أن المواد لها شحنات معاكسة. إذا تلامست، تميل الإلكترونات إلى الانتقال من مادة إلى أخرى. هذه هي حركة الإلكترونات كهرباء. تيار يتدفق حتى تتساوى شحنات المادتين. يتم استبدال الإلكترون الراحل بآخر. أين؟ من الذرة المجاورة إليها - من جارتها، إلى أقصى الحدود، إلى أقصى الحدود - من القطب السالب للمصدر الحالي (على سبيل المثال، البطارية). ومن الطرف الآخر للموصل، تذهب الإلكترونات إلى القطب الموجب للمصدر الحالي. عندما تختفي جميع الإلكترونات الموجودة على القطب السالب، سيتوقف التيار (البطارية فارغة).
هي خاصية للمجال الكهربائي وتمثل فرق الجهد بين نقطتين داخل المجال الكهربائي.
يبدو أن الأمر غير واضح. موصل- في أبسط الحالات، هذا سلك مصنوع من المعدن (يتم استخدام النحاس والألمنيوم في أغلب الأحيان). كتلة الإلكترون هي 9.10938215(45)×10 -31 كجم. إذا كان للإلكترون كتلة، فهذا يعني أنه مادة. لكن الموصل مصنوع من المعدن، والمعدن صلب، فكيف تتدفق خلاله بعض الإلكترونات؟
إن عدد الإلكترونات في المادة الذي يساوي عدد البروتونات يضمن حيادها فقط، ويتم تحديد العنصر الكيميائي نفسه بعدد البروتونات والنيوترونات بناءً على قانون مندليف الدوري. إذا قمنا، من الناحية النظرية البحتة، بطرح جميع إلكتروناتها من كتلة أي عنصر كيميائي، فإنها لن تقترب عمليا من كتلة أقرب عنصر كيميائي. الفرق بين كتلتي الإلكترون والنواة كبير جدًا (كتلة البروتون الأول فقط أكبر بحوالي 1836 مرة من كتلة الإلكترون). إن النقصان أو الزيادة في عدد الإلكترونات يجب أن يؤدي فقط إلى تغير في الشحنة الكلية للذرة. عدد الإلكترونات في الذرة الفردية متغير دائمًا. إما أن يتركوها بسبب الحركة الحرارية، أو يعودون، بعد أن فقدوا الطاقة.
إذا تحركت الإلكترونات في اتجاه ما، فهذا يعني أنها "تترك" ذرتها، ولن تضيع الكتلة الذرية، ونتيجة لذلك، سيتغير التركيب الكيميائي للموصل؟ لا. لا يتم تحديد العنصر الكيميائي بالكتلة الذرية، بل بعدد البروتونات الموجودة في نواة الذرة، ولا شيء آخر. وفي هذه الحالة، لا يهم وجود أو عدم وجود الإلكترونات أو النيوترونات في الذرة. لنجمع - نطرح الإلكترونات - نحصل على أيون؛ نضيف - نطرح النيوترونات - نحصل على نظير. وفي هذه الحالة سيبقى العنصر الكيميائي كما هو.
أما بالنسبة للبروتونات، فالأمر مختلف: بروتون واحد هو الهيدروجين، بروتونان هما الهيليوم، وثلاثة بروتونات هي الليثيوم، وما إلى ذلك (انظر الجدول الدوري). ولذلك، بغض النظر عن مقدار التيار الذي تمر به عبر الموصل، فإن تركيبه الكيميائي لن يتغير.
الشوارد الكهربائية هي مسألة أخرى. هذا هو المكان الذي يتغير فيه التركيب الكيميائي. يتم إطلاق عناصر الإلكتروليت من المحلول تحت تأثير التيار. عندما يتم إطلاق سراح الجميع، سيتوقف التيار. وذلك لأن حاملات الشحنة في الإلكتروليتات هي أيونات.
هناك عناصر كيميائية بدون إلكترونات:
1. الهيدروجين الكوني الذري.
2. الغازات الموجودة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض والكواكب الأخرى ذات الغلاف الجوي.
2. جميع المواد في حالة البلازما.
3. في المسرعات والمصادمات.
عند تعرضها للتيار الكهربائي، يمكن أن "تنتشر" المواد الكيميائية (الموصلات). على سبيل المثال، الصمامات. تدفع الإلكترونات المتحركة الذرات بعيدًا عن بعضها البعض على طول مسارها؛ إذا كان التيار قويًا، يتم تدمير الشبكة البلورية للموصل ويذوب الموصل.
دعونا نفكر في تشغيل أجهزة الفراغ الكهربائية.
اسمحوا لي أن أذكرك أنه أثناء عمل تيار كهربائي في موصل عادي، يغادر الإلكترون مكانه، ويترك "ثقبًا" هناك، والذي يمتلئ بعد ذلك بإلكترون من ذرة أخرى، حيث تتشكل بدورها فجوة أيضًا ، والذي يتم ملؤه لاحقًا بإلكترون آخر. تتم عملية حركة الإلكترون برمتها في اتجاه واحد، وتحدث حركة "الثقوب" في الاتجاه المعاكس. أي أن الثقب ظاهرة مؤقتة، فهو يمتلئ على أية حال. التعبئة ضرورية للحفاظ على توازن الشحنة في الذرة.
الآن دعونا نلقي نظرة على تشغيل جهاز فراغ كهربائي. على سبيل المثال، لنأخذ أبسط صمام ثنائي - الكينوترون. تنبعث الإلكترونات الموجودة في الصمام الثنائي أثناء عمل التيار الكهربائي من الكاثود باتجاه الأنود. الكاثود مطلي بأكاسيد معدنية خاصة، مما يسهل هروب الإلكترونات من الكاثود إلى الفراغ (وظيفة الشغل المنخفضة). لا يوجد احتياطي من الإلكترونات في هذا الغشاء الرقيق. لضمان إطلاق الإلكترونات، يتم تسخين الكاثود بقوة بخيط. مع مرور الوقت، يتبخر الفيلم الساخن، ويستقر على جدران القارورة، وتقل انبعاثية الكاثود. ويتم ببساطة التخلص من جهاز التفريغ الإلكتروني هذا. وإذا كان الجهاز باهظ الثمن، يتم استعادته. لاستعادته، يتم فك القارورة، ويتم استبدال الكاثود بأخرى جديدة، وبعد ذلك يتم إغلاق القارورة مرة أخرى.
تتحرك الإلكترونات الموجودة في الموصل "تحمل" التيار الكهربائي، ويتم تجديد الكاثود بإلكترونات من الموصل المتصل بالكاثود. يتم استبدال الإلكترونات التي تترك الكاثود بإلكترونات من المصدر الحالي.
مفهوم "سرعة حركة التيار الكهربائي" غير موجود. وبسرعة قريبة من سرعة الضوء (300000 كم/ث)، ينتشر مجال كهربائي عبر الموصل، وتحت تأثيره تبدأ جميع الإلكترونات في التحرك بسرعة منخفضة، وهي تساوي تقريبًا 0.007 مم/ث، وليس متناسين أيضًا الاندفاع بشكل فوضوي في الحركة الحرارية.
دعونا الآن نفهم الخصائص الرئيسية للتيار
دعونا نتخيل الصورة: لديك صندوق من الورق المقوى القياسي يحتوي على 12 زجاجة من المشروبات القوية. وأنت تحاول وضع زجاجة أخرى هناك. لنفترض أنك نجحت، لكن الصندوق بالكاد صمد. تضع واحدًا آخر هناك، وفجأة ينكسر الصندوق وتسقط الزجاجات.
يمكن مقارنة صندوق الزجاجات بمقطع عرضي للموصل:
كلما كان الصندوق أوسع (السلك أكثر سمكًا)، زاد عدد الزجاجات (الطاقة الحالية) التي يمكنه استيعابها (توفيرها).
يمكنك وضع من زجاجة واحدة إلى 12 زجاجة في صندوق (في موصل) - لن ينهار (لن يحترق الموصل)، لكنه لا يمكنه استيعاب عدد أكبر من الزجاجات (قوة تيار أعلى) (يمثل المقاومة).
إذا وضعنا صندوقًا آخر فوق الصندوق، فسنضع على وحدة واحدة من المساحة (المقطع العرضي للموصل) ليس 12، بل 24 زجاجة، وواحدة أخرى في الأعلى - 36 زجاجة. ويمكن أخذ أحد الصناديق (طابق واحد) كوحدة مماثلة لجهد التيار الكهربائي.
كلما كان الصندوق أوسع (أقل مقاومة)، زاد عدد الزجاجات (الحالية) التي يمكنه توفيرها.
من خلال زيادة ارتفاع الصناديق (الجهد)، يمكننا زيادة العدد الإجمالي للزجاجات (الطاقة) دون تدمير الصناديق (الموصل).
باستخدام القياس لدينا حصلنا على:
العدد الإجمالي للزجاجات هو الطاقة
عدد الزجاجات في صندوق واحد (طبقة) هو الطاقة الحالية
عدد الصناديق في الارتفاع (الطوابق) هو VOLTAGE
عرض الصندوق (السعة) هو مقاومة قسم الدائرة الكهربائية
ومن خلال التشبيهات السابقة توصلنا إلى " قانون أوما"، والذي يسمى أيضًا قانون أوم لقسم من الدائرة. دعنا نمثلها كصيغة:
أين أنا - القوة الحالية، ش ر - مقاومة.
بعبارات بسيطة، يبدو الأمر كالتالي: التيار يتناسب طرديا مع الجهد ويتناسب عكسيا مع المقاومة.
وبالإضافة إلى ذلك، وصلنا إلى " قانون وات". لنصورها أيضًا في شكل صيغة:
أين أنا - القوة الحالية، ش - الجهد (فرق الجهد)، ر - قوة.
بعبارات بسيطة، يبدو الأمر كالتالي: الطاقة تساوي منتج التيار والجهد.
قوة التيار الكهربائيتقاس بأداة تسمى الأميتر. كما خمنت، يتم قياس كمية التيار الكهربائي (كمية الشحنة المنقولة) بالأمبير. لزيادة نطاق تسميات وحدة التغيير، هناك بادئات تعددية مثل ميكرو - ميكرو أمبير (μA)، ميل - ملي أمبير (mA). لا يتم استخدام وحدات التحكم الأخرى في الاستخدام اليومي. على سبيل المثال: يقولون ويكتبون "عشرة آلاف أمبير"، لكنهم لا يقولون أو يكتبون أبدًا 10 كيلو أمبير. مثل هذه المعاني ليست حقيقية في الحياة اليومية. ويمكن قول الشيء نفسه عن النانومبس. عادة يقولون ويكتبون 1×10 -9 أمبير.
الجهد الكهربائي(الجهد الكهربائي) يقاس بجهاز يسمى الفولتميتر، كما خمنت، الجهد، أي فرق الجهد الذي يسبب سريان التيار، يقاس بالفولت (V). كما هو الحال بالنسبة للتيار، لزيادة نطاق التسميات هناك بادئات متعددة: (ميكرو - ميكروفولت (μV)، ميل - ميلي فولت (mV)، كيلو - كيلو فولت (kV)، ميجا - ميجا فولت (MV). ويسمى الجهد أيضًا EMF - القوة الدافعة الكهربائية.
المقاومة الكهربائيةتقاس بجهاز يسمى الأومتر، كما خمنت، وحدة المقاومة هي أوم (أوم). كما هو الحال بالنسبة للتيار والجهد، هناك بادئات تعددية: كيلو - كيلو أوم (kOhm)، ميجا - ميجا أوم (MOhm). المعاني الأخرى ليست حقيقية في الحياة اليومية.
لقد تعلمت سابقًا أن مقاومة الموصل تعتمد بشكل مباشر على قطر الموصل. ويمكننا أن نضيف إلى ذلك أنه إذا تم تطبيق تيار كهربائي كبير على موصل رفيع، فلن يتمكن من تمريره، ولهذا السبب سوف يسخن كثيرًا، وفي النهاية، قد يذوب. يعتمد تشغيل الصمامات على هذا المبدأ.
تقع ذرات أي مادة على مسافة معينة من بعضها البعض. في المعادن، تكون المسافات بين الذرات صغيرة جدًا بحيث تتلامس أغلفة الإلكترونات عمليًا. وهذا يسمح للإلكترونات بالتجول بحرية من نواة إلى نواة، مما يخلق تيارًا كهربائيًا، ولهذا السبب تكون المعادن، بالإضافة إلى بعض المواد الأخرى، موصلة للكهرباء. وعلى العكس من ذلك، تحتوي المواد الأخرى على ذرات متباعدة على نطاق واسع، وإلكترونات مرتبطة بإحكام بالنواة، ولا يمكنها التحرك بحرية. مثل هذه المواد ليست موصلة للكهرباء وتسمى عادة بالعازلات، وأشهرها المطاط. هذا هو الجواب على السؤال لماذا الأسلاك الكهربائية مصنوعة من المعدن.
يتم الإشارة إلى وجود تيار كهربائي من خلال الإجراءات أو الظواهر التالية المصاحبة له:
;1. الموصل الذي من خلاله يمكن أن تصبح التدفقات الحالية ساخنة؛
2. يمكن للتيار الكهربائي أن يغير التركيب الكيميائي للموصل؛
3. يؤثر التيار بقوة على التيارات المجاورة والأجسام الممغنطة.
عندما يتم فصل الإلكترونات عن النواة، يتم إطلاق كمية معينة من الطاقة، مما يؤدي إلى تسخين الموصل. عادة ما تسمى قدرة "التسخين" للتيار بتبديد الطاقة ويتم قياسها بالواط. وتستخدم نفس الوحدة لقياس الطاقة الميكانيكية المحولة من الطاقة الكهربائية.
المخاطر الكهربائية وغيرها من الخصائص الخطرة للكهرباء واحتياطات السلامة
يقوم التيار الكهربائي بتسخين الموصل الذي يتدفق من خلاله. لهذا السبب:
1. إذا كانت الشبكة الكهربائية المنزلية محملة بشكل زائد، فإن العزل يتفحم وينهار تدريجياً. هناك احتمالية لحدوث ماس كهربائي، وهو أمر خطير للغاية.
2. يواجه التيار الكهربائي الذي يمر عبر الأسلاك والأجهزة المنزلية مقاومة، لذلك "يختار" المسار الأقل مقاومة.
3. في حالة حدوث ماس كهربائي، يزيد التيار بشكل حاد. يؤدي ذلك إلى توليد كمية كبيرة من الحرارة التي يمكنها إذابة المعدن.
4. يمكن أن تحدث دائرة كهربائية قصيرة أيضًا بسبب الرطوبة. إذا حدث حريق في حالة ماس كهربائي، ففي حالة تعرض الأجهزة الكهربائية للرطوبة، فإن الشخص هو الذي يعاني أولاً.
5. الصدمة الكهربائية خطيرة للغاية ويمكن أن تكون قاتلة. عندما يتدفق التيار الكهربائي عبر جسم الإنسان، تنخفض مقاومة الأنسجة بشكل حاد. تحدث عمليات تسخين الأنسجة وتدمير الخلايا وموت النهايات العصبية في الجسم.
كيف تحمي نفسك من الصدمات الكهربائية
لحماية نفسك من التعرض للتيار الكهربائي، استخدم وسائل الحماية من الصدمات الكهربائية: العمل بالقفازات المطاطية، واستخدام السجادة المطاطية، وقضبان التفريغ، وأجهزة التأريض للمعدات، وأماكن العمل. تعد المفاتيح الأوتوماتيكية ذات الحماية الحرارية والحماية الحالية أيضًا وسيلة جيدة للحماية من الصدمات الكهربائية التي يمكن أن تنقذ حياة الإنسان. عندما لا أكون متأكدا من عدم وجود خطر التعرض لصدمة كهربائية، فعند القيام بعمليات بسيطة في اللوحات الكهربائية أو وحدات المعدات، عادة ما أعمل بيد واحدة وأضع اليد الأخرى في جيبي. وهذا يلغي احتمال حدوث صدمة كهربائية على طول مسار اليد في حالة التلامس العرضي مع جسم الدرع أو أي أشياء أخرى ضخمة مؤرضة.
لإطفاء الحريق الذي يحدث في المعدات الكهربائية، يتم استخدام طفايات الحريق البودرة أو ثاني أكسيد الكربون فقط. تعد طفايات الحريق أفضل، ولكن بعد تغطية المعدات بالغبار من طفاية الحريق، ليس من الممكن دائمًا استعادة هذه المعدات.
