Chuyển động của dòng điện trong mạch điện. Chúng ta cùng nhau thiết kế các thiết bị điện: Hướng dòng điện. Dòng điện được sử dụng ở đâu?
Chúng ta đều biết rõ rằng điện là dòng chuyển động có hướng của các hạt tích điện do tác dụng của điện trường. Bất kỳ học sinh nào cũng sẽ nói với bạn điều này. Nhưng câu hỏi về hướng của dòng điện là gì và những hạt này đi đâu có thể khiến nhiều người bối rối.
Bản chất của câu hỏi
Như đã biết, trong chất dẫn điện, điện được mang bởi các electron, trong chất điện phân - cation và anion (hoặc đơn giản là ion), trong chất bán dẫn, các electron hoạt động với cái gọi là “lỗ trống”, trong chất khí - ion với electron. Độ dẫn điện của nó phụ thuộc vào sự hiện diện của các chất tự do trong một vật liệu cụ thể. Khi không có điện trường thì trong dây dẫn kim loại sẽ không có dòng điện chạy qua. Nhưng ngay khi nó xuất hiện ở hai phần của nó, tức là. căng thẳng sẽ xuất hiện, sự hỗn loạn trong chuyển động của các electron sẽ chấm dứt và trật tự sẽ đến: chúng sẽ bắt đầu đẩy lùi điểm trừ và di chuyển về phía điểm cộng. Có vẻ như đây là câu trả lời cho câu hỏi "Hướng của dòng điện là gì?" Nhưng nó không có ở đó. Chỉ cần tra từ điển bách khoa hoặc đơn giản là vào bất kỳ sách giáo khoa vật lý nào là đủ, bạn sẽ ngay lập tức nhận thấy một mâu thuẫn nào đó. Nó nói rằng cụm từ thông thường “hướng dòng điện” biểu thị sự chuyển động có hướng của các điện tích dương, nói cách khác: từ cộng sang trừ. Phải làm gì với tuyên bố này? Rốt cuộc, có một sự mâu thuẫn có thể nhìn thấy bằng mắt thường!
Sức mạnh của thói quen
Khi người ta học cách chế tạo mạch điện, họ vẫn chưa biết về sự tồn tại của điện tử. Hơn nữa, lúc đó họ không hề nghi ngờ rằng nó đang chuyển từ âm sang dương. Khi Ampere đề xuất vào nửa đầu thế kỷ 19 hướng dòng điện từ cộng sang trừ, mọi người đều coi đó là điều hiển nhiên và không ai phản đối quyết định này. Phải mất 70 năm người ta mới phát hiện ra rằng dòng điện trong kim loại xảy ra do sự chuyển động của các electron. Và khi họ nhận ra điều này (điều này xảy ra vào năm 1916), mọi người đã quá quen với sự lựa chọn của Ampere đến mức họ không còn bắt đầu thay đổi bất cứ điều gì nữa.
"Ý nghĩa vàng"
Trong chất điện phân, các hạt tích điện âm di chuyển về phía cực âm và các hạt tích điện dương di chuyển về phía cực dương. Điều tương tự cũng xảy ra trong chất khí. Nếu bạn nghĩ xem dòng điện sẽ theo hướng nào trong trường hợp này, bạn chỉ nghĩ đến một lựa chọn: chuyển động của các cực tính ngược nhau trong một mạch kín xảy ra với nhau. Nếu tuyên bố là cơ sở, thì nó sẽ loại bỏ mâu thuẫn hiện có. Điều này có thể gây ngạc nhiên, nhưng hơn 70 năm trước, các nhà khoa học đã nhận được bằng chứng tài liệu cho thấy các điện tích trái dấu trong một môi trường dẫn điện thực sự chuyển động hướng về nhau. Tuyên bố này sẽ đúng với bất kỳ dây dẫn nào, bất kể loại của nó: kim loại, khí, chất điện phân, chất bán dẫn. Dù vậy, chúng ta chỉ có thể hy vọng rằng theo thời gian, các nhà vật lý sẽ loại bỏ sự nhầm lẫn về thuật ngữ và chấp nhận một định nghĩa rõ ràng về hướng chuyển động của dòng điện. Tất nhiên, rất khó để thay đổi một thói quen, nhưng cuối cùng bạn cần phải đặt mọi thứ vào đúng vị trí của nó.
Chuyển động có hướng của các hạt mang điện trong điện trường.
Các hạt tích điện có thể là electron hoặc ion (nguyên tử tích điện).
Một nguyên tử bị mất một hoặc nhiều electron sẽ mang điện tích dương. - Anion (ion dương).
Một nguyên tử nhận thêm một hoặc nhiều electron sẽ mang điện tích âm. - Cation (ion âm).
Các ion được coi là các hạt tích điện di động trong chất lỏng và chất khí.
Trong kim loại, hạt mang điện là các electron tự do, giống như các hạt tích điện âm.
Trong chất bán dẫn, chúng ta xem xét sự chuyển động (chuyển động) của các electron mang điện tích âm từ nguyên tử này sang nguyên tử khác và kết quả là sự chuyển động giữa các nguyên tử của các chỗ trống tích điện dương - lỗ trống.
Phía sau hướng của dòng điện hướng chuyển động của điện tích dương được chấp nhận theo quy ước. Quy luật này đã được thiết lập từ rất lâu trước khi nghiên cứu về electron và vẫn đúng cho đến ngày nay. Cường độ điện trường cũng được xác định đối với điện tích thử nghiệm dương.
Đối với bất kỳ khoản phí duy nhất q trong điện trường có cường độ E lực lượng hành động F = qE, làm di chuyển điện tích theo hướng vectơ của lực này.
Hình vẽ cho thấy vectơ lực F - = -qE, tác dụng lên điện tích âm -q, hướng theo hướng ngược lại với vectơ cường độ trường, là tích của vectơ E về giá trị âm. Do đó, các electron tích điện âm, là hạt mang điện trong dây dẫn kim loại, thực sự có hướng chuyển động ngược với vectơ cường độ trường và hướng được chấp nhận rộng rãi của dòng điện.
Số tiền phí Q= 1 Coulomb chuyển động qua tiết diện dây dẫn theo thời gian t= 1 giây, được xác định theo giá trị hiện tại TÔI= 1 Ampe từ tỷ lệ:
Tôi = Q/t.
Tỉ lệ hiện tại TÔI= 1 Ampe của dây dẫn trên tiết diện của nó S= 1 m 2 sẽ xác định được mật độ dòng điện j= 1 A/m2:
Công việc MỘT= 1 Joule chi phí vận chuyển Q= 1 Coulomb từ điểm 1 đến điểm 2 sẽ xác định giá trị của điện áp bạn= 1 Volt là hiệu điện thế φ 1 và φ 2 giữa các điểm này từ phép tính:
bạn = Trả lời/Hỏi = φ 1 - φ 2
Dòng điện có thể là dòng điện một chiều hoặc xoay chiều.
Dòng điện một chiều là dòng điện có hướng và cường độ không thay đổi theo thời gian.
Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và cường độ thay đổi theo thời gian.
Trở lại năm 1826, nhà vật lý người Đức Georg Ohm đã phát hiện ra một định luật quan trọng của điện, định luật này xác định mối quan hệ định lượng giữa dòng điện và tính chất của dây dẫn, đặc trưng cho khả năng chịu được dòng điện của chúng.
Những tính chất này sau đó bắt đầu được gọi là điện trở, ký hiệu bằng chữ cái R và được đo bằng Ohms để vinh danh người phát hiện ra.
Định luật Ohm theo cách giải thích hiện đại sử dụng tỷ lệ U/R cổ điển xác định lượng dòng điện trong dây dẫn dựa trên điện áp bạnở hai đầu của dây dẫn này và điện trở của nó R:
Dòng điện trong dây dẫn
Chất dẫn điện chứa các hạt mang điện tự do, dưới tác dụng của điện trường sẽ di chuyển và tạo ra dòng điện.
Trong dây dẫn kim loại, hạt mang điện là các electron tự do.
Khi nhiệt độ tăng lên, chuyển động nhiệt hỗn loạn của các nguyên tử cản trở chuyển động định hướng của các electron và điện trở của dây dẫn tăng lên.
Khi làm mát và nhiệt độ tiến tới độ không tuyệt đối, khi chuyển động nhiệt dừng lại, điện trở của kim loại có xu hướng bằng không.
Dòng điện trong chất lỏng (chất điện phân) tồn tại dưới dạng chuyển động có hướng của các nguyên tử tích điện (ion), được hình thành trong quá trình phân ly điện phân.
Các ion di chuyển về phía các điện cực trái dấu và bị trung hòa, lắng xuống chúng. - Điện phân.
Anion là ion dương. Chúng di chuyển đến điện cực âm - cực âm.
Cation là ion âm. Chúng di chuyển đến điện cực dương - cực dương.
Định luật điện phân Faraday xác định khối lượng của chất thoát ra trên các điện cực.
Khi đun nóng, điện trở của chất điện phân giảm do số lượng phân tử bị phân hủy thành ion tăng lên.
Dòng điện trong chất khí - plasma. Điện tích được mang bởi các ion dương hoặc âm và các electron tự do, được hình thành dưới tác động của bức xạ.
Có một dòng điện trong chân không dưới dạng dòng electron chạy từ cực âm sang cực dương. Được sử dụng trong các thiết bị chùm tia điện tử - đèn.
Dòng điện trong chất bán dẫn
Chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất điện môi về điện trở suất của chúng.
Sự khác biệt đáng kể giữa chất bán dẫn và kim loại có thể được coi là sự phụ thuộc của điện trở suất của chúng vào nhiệt độ.
Khi nhiệt độ giảm, điện trở của kim loại giảm, trong khi đối với chất bán dẫn thì ngược lại, điện trở lại tăng.
Khi nhiệt độ tiến tới độ không tuyệt đối, kim loại có xu hướng trở thành chất siêu dẫn và chất bán dẫn - chất cách điện.
Thực tế là ở độ không tuyệt đối, các electron trong chất bán dẫn sẽ bận rộn tạo ra liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử của mạng tinh thể và lý tưởng nhất là sẽ không có electron tự do.
Khi nhiệt độ tăng lên, một số electron hóa trị có thể nhận đủ năng lượng để phá vỡ liên kết cộng hóa trị và các electron tự do sẽ xuất hiện trong tinh thể, và các chỗ trống được hình thành tại các vị trí bị đứt, được gọi là lỗ trống.
Chỗ trống có thể bị chiếm giữ bởi một electron hóa trị từ cặp lân cận và lỗ trống sẽ di chuyển đến một vị trí mới trong tinh thể.
Khi một electron tự do gặp lỗ trống, liên kết điện tử giữa các nguyên tử của chất bán dẫn được phục hồi và quá trình ngược lại xảy ra - tái hợp.
Các cặp lỗ electron có thể xuất hiện và kết hợp lại khi chất bán dẫn được chiếu sáng do năng lượng của bức xạ điện từ.
Khi không có điện trường, các electron và lỗ trống tham gia chuyển động nhiệt hỗn loạn.
Không chỉ các electron tự do thu được mà còn cả các lỗ trống, được coi là các hạt tích điện dương, tham gia vào điện trường theo chuyển động có trật tự. Hiện hành TÔI trong chất bán dẫn nó bao gồm electron TRONG và lỗ Ip dòng chảy
Chất bán dẫn bao gồm các nguyên tố hóa học như germanium, silicon, selen, Tellurium, asen, v.v. Chất bán dẫn phổ biến nhất trong tự nhiên là silicon.
Ý kiến và đề xuất được chấp nhận và chào đón!
Hãy kết nối một đèn LED với pin AA và nếu đúng cực, nó sẽ sáng lên. Dòng điện sẽ được thiết lập theo hướng nào? Ngày nay, mọi người đều biết điều đó từ cộng đến trừ. Và bên trong pin, do đó, từ âm sang dương - dòng điện trong mạch điện kín này không đổi.
Hướng của dòng điện trong mạch thường được coi là hướng chuyển động của các hạt tích điện dương, nhưng trong kim loại, các electron chuyển động và như chúng ta biết, chúng mang điện tích âm. Điều này có nghĩa là trên thực tế khái niệm “hướng dòng điện” chỉ là một quy ước. Hãy tìm ra nó tại sao trong khi các electron chạy trong mạch từ âm sang dương, mọi người xung quanh đều nói rằng dòng điện chạy từ dương sang âm. Tại sao lại vô lý như vậy?
Câu trả lời nằm ở lịch sử phát triển của ngành kỹ thuật điện. Khi Franklin phát triển lý thuyết về điện, ông coi chuyển động của nó tương tự như chuyển động của chất lỏng dường như chảy từ cơ thể này sang cơ thể khác. Nơi nào có nhiều chất lỏng điện hơn, từ đó nó chảy theo hướng có ít chất lỏng điện hơn.
Đó là lý do tại sao Franklin gọi các vật thể dư thừa chất lỏng điện (có điều kiện!) là vật thể nhiễm điện dương, và vật thể thiếu chất lỏng điện - vật thể nhiễm điện âm. Đây là nơi nảy sinh ý tưởng chuyển động. Điện tích dương chảy, như thể thông qua một hệ thống mạch thông tin, từ vật thể tích điện này sang vật thể tích điện khác.
Sau đó, nhà nghiên cứu người Pháp Charles Dufay, trong các thí nghiệm của mình, đã chứng minh rằng không chỉ các vật bị cọ xát mà cả các vật bị cọ xát cũng nhiễm điện, và khi tiếp xúc, điện tích của cả hai vật đều bị trung hòa. Hóa ra thực tế có hai loại điện tích riêng biệt, khi tương tác với nhau sẽ trung hòa lẫn nhau. Lý thuyết về hai dòng điện này được phát triển bởi Robert Simmer cùng thời với Franklin, người đã bị thuyết phục rằng có điều gì đó không hoàn toàn đúng trong lý thuyết của Franklin.
Nhà vật lý người Scotland Robert Simmer mang hai đôi tất: một đôi bằng len cách nhiệt và một đôi bằng lụa thứ hai ở trên. Khi anh ta cởi cả hai chiếc tất ra khỏi chân cùng một lúc, rồi kéo chiếc tất này ra khỏi chiếc tất kia, anh ta quan sát thấy hình ảnh sau: chiếc tất len và chiếc tất lụa phồng lên, tạo thành hình chân của anh ta và đột ngột dính vào nhau. Đồng thời, những chiếc tất làm từ cùng một chất liệu như len và lụa sẽ đẩy nhau.
Nếu Simmer cầm hai chiếc tất lụa trong một tay và hai chiếc tất len trong tay kia, thì khi anh ta đưa hai tay lại gần nhau, lực đẩy của những chiếc tất cùng chất liệu và lực hút của những chiếc tất có chất liệu khác nhau đã dẫn đến một tương tác thú vị giữa chúng: không giống nhau. những chiếc tất dường như va vào nhau và quấn lại thành một quả bóng.
Những quan sát về hoạt động của những chiếc tất của chính mình đã khiến Robert Simmer kết luận rằng mỗi cơ thể không chỉ có một mà là hai chất lỏng điện - dương và âm, được chứa trong cơ thể với số lượng bằng nhau. Khi cọ xát hai vật thể, một trong số chúng có thể truyền từ vật này sang vật khác, sau đó ở một vật sẽ dư một chất lỏng và ở vật kia sẽ thiếu chất lỏng. Cả hai vật sẽ bị nhiễm điện có điện tích trái dấu.
Tuy nhiên, hiện tượng tĩnh điện có thể được giải thích thành công bằng cách sử dụng cả giả thuyết Franklin và giả thuyết hai điện tích của Simmer. Những lý thuyết này đã cạnh tranh với nhau trong một thời gian. Khi Alessandro Volta tạo ra cột volta của mình vào năm 1779, sau đó quá trình điện phân được nghiên cứu, các nhà khoa học đã đi đến kết luận rõ ràng rằng thực sự có hai dòng hạt mang điện trái ngược nhau chuyển động trong dung dịch và chất lỏng - dương và âm. Lý thuyết nhị nguyên về dòng điện, mặc dù không phải ai cũng hiểu, nhưng đã chiến thắng.
Cuối cùng, vào năm 1820, phát biểu trước Viện Hàn lâm Khoa học Paris, Ampere đề xuất chọn một trong các hướng chuyển động của điện tích làm hướng chính của dòng điện. Thật thuận tiện cho anh ta khi làm điều này vì Ampere đang nghiên cứu sự tương tác của các dòng điện với nhau và dòng điện với nam châm. Và để mỗi khi nhắn tin, bạn không đề cập đến việc hai dòng điện tích trái dấu sẽ chuyển động theo hai hướng dọc theo một dây dẫn.
Ampe đề nghị chỉ cần lấy hướng chuyển động của điện dương làm hướng của dòng điện và luôn nói về hướng của dòng điện, nghĩa là chuyển động của điện tích dương. Kể từ đó, quan điểm về chiều dòng điện do Ampere đề xuất đã được chấp nhận ở khắp mọi nơi và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.
Khi Maxwell phát triển lý thuyết điện từ và quyết định áp dụng quy tắc vít phải để thuận tiện cho việc xác định hướng của vectơ cảm ứng từ, ông cũng bám sát quan điểm này: chiều của dòng điện là chiều chuyển động của nguồn điện dương.
Ngược lại, Faraday lưu ý rằng hướng của dòng điện là có điều kiện; nó chỉ đơn giản là một phương tiện thuận tiện để các nhà khoa học xác định hướng của dòng điện một cách rõ ràng. Lenz, khi giới thiệu Quy tắc Lenz của mình (xem - ), cũng sử dụng thuật ngữ “hướng dòng điện”, nghĩa là sự chuyển động của điện dương. Nó chỉ là thuận tiện.
Và ngay cả sau khi Thomson phát hiện ra electron vào năm 1897, quy ước về chiều của dòng điện vẫn được giữ nguyên. Ngay cả khi chỉ có các electron thực sự chuyển động trong một dây dẫn hoặc trong chân không thì hướng ngược lại vẫn được coi là hướng của dòng điện - từ cộng sang trừ.
Hơn một thế kỷ sau khi phát hiện ra electron, bất chấp những ý tưởng của Faraday về ion, ngay cả với sự ra đời của ống chân không và bóng bán dẫn, mặc dù những khó khăn đã xuất hiện trong các mô tả, tình trạng thông thường vẫn tồn tại. Sẽ thuận tiện hơn khi vận hành với dòng điện, điều hướng từ trường của chúng và điều này dường như không gây ra bất kỳ khó khăn thực sự nào cho bất kỳ ai.
Dòng điện có thể được biểu diễn dưới dạng chuyển động có hướng của các hạt tích điện, theo truyền thống được coi là hạt mang điện tích âm hoặc electron. Tuyên bố này đúng với các dây dẫn rắn, trong đó sự hiện diện liên tục của các hạt tích điện tự do được coi là chuẩn mực. Đối với môi trường lỏng và khí, các chất mang như vậy là các ion tích điện dương, qua đó chất được chuyển giao.
Thực thể vật lý
Để hiểu rõ dòng điện chạy như thế nào, trước tiên bạn cần làm quen với các hiện tượng vật lý cơ bản dẫn đến sự hình thành dòng chảy có trật tự. Theo lý thuyết nguyên tử-phân tử, tất cả các vật thể tự nhiên (bất kể trạng thái kết tụ của chúng) đều bao gồm các phân tử và nguyên tử, trong đó bao gồm các electron tích điện âm.
Để làm rõ nguyên lý hình thành dòng hạt tích điện, cách thuận tiện nhất là hình dung cấu tạo của các vật thể như sau:
- Các nguyên tử tạo nên phân tử thường được biểu diễn dưới dạng hạt nhân nằm ở trung tâm và các electron quay xung quanh nó với tốc độ ánh sáng;
- Do sự phân cực khác nhau của hai thành phần này, sự kết hợp của chúng trong điều kiện bình thường có điện tích bằng không;
Thông tin thêm. Trong nguyên tử của bất kỳ nguyên tố hóa học nào, số lượng electron quay theo quỹ đạo bằng tổng điện tích của hạt nhân, đảm bảo tính trung hòa điện của chúng.
- Trong nguyên tử của một số chất, lớp vỏ ngoài chứa một số lượng lớn electron, các electron này cũng cách xa hạt nhân một khoảng cách đáng kể theo tiêu chuẩn nguyên tử;
- Tại một số thời điểm nhất định, một số trong số chúng tách ra khỏi quỹ đạo của mình và bắt đầu tự do “đi lang thang” giữa các nguyên tử, bị thu hút bởi các hạt nhân lân cận hoặc bị các electron của chúng đẩy lùi.
Kết quả của các quá trình này, các điện tích tự do xuất hiện trong các vật kim loại, khi đặt các điện thế (điện áp) trái dấu, chúng bắt đầu chuyển động có trật tự.
Chuyển động có hướng của các hạt mang điện tự do trong chất rắn (dây dẫn) được gọi là dòng điện.
Trong các chất có hàm lượng electron tự do thấp, chuyển động này hoàn toàn không thể xảy ra (điện môi) hoặc bị giới hạn ở một giá trị nhỏ. Những vật liệu không đủ bão hòa với chất mang điện được gọi là chất bán dẫn.
Các loại dòng điện
Dòng điện tử có trong vật liệu dẫn điện luôn có thể chuyển động theo một hướng hoặc liên tục thay đổi hướng. Trong trường hợp đầu tiên, chúng tạo thành dòng điện xoay chiều và trong trường hợp thứ hai là dòng điện một chiều.
Dòng điện xoay chiều được hình thành dưới tác động của các điện áp có độ lớn và dấu khác nhau đặt vào các đầu của dây dẫn và hiệu điện thế có cùng cực tính được sử dụng để thu được tín hiệu dòng điện không đổi.
Ghi chú! Dòng điện thay đổi chạy qua hệ thống dây điện của bất kỳ căn hộ nào và một ví dụ về loại thứ hai là chuyển động một chiều của các electron trong bộ tích điện hoặc pin.
Về mặt lịch sử, trong mạch có dòng chảy không đổi, hướng của nó thường được coi là chuyển động từ điểm “cộng” của nguồn điện sang điểm “trừ” của nó. Mặc dù trên thực tế, các hạt mang điện âm di chuyển theo hướng hoàn toàn ngược lại (từ “trừ” sang “cộng”). Nhưng hướng có điều kiện được chấp nhận trước đó đã ăn sâu vào tâm trí mọi người đến mức nó không được thay đổi, coi giá trị của tham số này là hoàn toàn có điều kiện.
Để hiểu dòng điện xoay chiều chạy ở đâu, bạn nên bắt đầu trực tiếp từ định nghĩa của chúng. Trong tình huống này, dưới tác động của điện thế xoay chiều (điện áp), chúng thay đổi hướng theo một chu kỳ nhất định.
Quan trọng! Trong mạng gia đình ở Nga, điện áp xoay chiều có tần số 50 Hertz. Dòng điện chạy qua dây dẫn điện cũng thay đổi chiều với tần số thích hợp.
Trong các mạng điện nước ngoài (đặc biệt là ở Hoa Kỳ và Nhật Bản), tần số này là 60 Hertz, giúp tăng hiệu suất một chút đồng thời làm tăng tổn thất trên đường dây cung cấp.
Chuyển động hai chiều của điện tích
Trong hầu hết các kim loại, đồng thời với dòng điện tử, người ta quan sát thấy chuyển động ngược lại của các hạt có dấu hiệu trái dấu, được hình thành bởi các nguyên tử tích điện dương. Chuyển động của chúng trùng với định nghĩa đã được thiết lập trong lịch sử (từ “cộng” đến “trừ”), do đó, nếu muốn, chuyển động của các thành phần vật chất này có thể được coi là hướng thực sự.
Chúng ta hãy bổ sung thêm những gì đã nói rằng trong chất lỏng và chất khí, các hạt nguyên tử có điện tích khác nhau (các ion và electron đã được đề cập) cũng chuyển động theo hướng ngược nhau. Phương pháp hình thành dòng hạt trong chuỗi này được gọi là điện phân, được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất công nghiệp khác nhau.
Để kết luận, chúng tôi lưu ý rằng, trái ngược với quan điểm lý thuyết, trong thực tế, hướng chuyển động của electron được chọn theo quy ước trong một mạch điện cụ thể có tầm quan trọng cơ bản. Bất kỳ chuỗi nguyên tố phóng xạ nào có trong nó ban đầu được tính toán cho một cực nhất định của điện áp được cung cấp và do đó, theo một hướng nhất định của tín hiệu dòng điện được tạo ra.
Băng hình
Trong sách vật lý có một định nghĩa:
ĐIỆN- đây là chuyển động có trật tự (có hướng) của các hạt tích điện dưới tác dụng của điện trường. Các hạt có thể là: electron, proton, ion, lỗ trống.
Trong sách giáo khoa học thuậtđịnh nghĩa được mô tả như sau:
ĐIỆN là tốc độ thay đổi của điện tích theo thời gian.
- Điện tích của electron là âm.
- proton- các hạt mang điện tích dương;
- neutron- với điện tích trung tính.
SỨC MẠNH HIỆN TẠI là số lượng hạt tích điện (electron, proton, ion, lỗ trống) chạy qua tiết diện của dây dẫn.
Tất cả các chất vật lý, bao gồm cả kim loại, đều bao gồm các phân tử bao gồm các nguyên tử, lần lượt bao gồm các hạt nhân và các electron quay xung quanh chúng. Trong các phản ứng hóa học, các electron truyền từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, do đó nguyên tử của chất này thiếu electron và nguyên tử của chất khác thừa electron. Điều này có nghĩa là các chất có điện tích trái dấu. Nếu chúng tiếp xúc với nhau, các electron sẽ có xu hướng di chuyển từ chất này sang chất khác. Chính sự chuyển động này của các electron ĐIỆN. Một dòng điện sẽ chạy cho đến khi điện tích của hai chất bằng nhau. Electron rời đi được thay thế bằng electron khác. Ở đâu? Từ nguyên tử lân cận đến nó - từ nguyên tử lân cận của nó, đến mức cực đoan, đến mức cực đoan - từ cực âm của nguồn hiện tại (ví dụ: pin). Từ đầu kia của dây dẫn, các electron đi về cực dương của nguồn dòng điện. Khi tất cả các electron ở cực âm biến mất, dòng điện sẽ dừng (pin đã hết).
là đặc tính của điện trường và biểu thị hiệu điện thế giữa hai điểm bên trong điện trường.
Có vẻ như nó không rõ ràng. Nhạc trưởng- trong trường hợp đơn giản nhất, đây là dây làm bằng kim loại (đồng và nhôm thường được sử dụng nhiều hơn). Khối lượng của electron là 9,10938215(45)×10 -31 kg. Nếu một electron có khối lượng thì điều này có nghĩa nó là vật chất. Nhưng dây dẫn được làm bằng kim loại và kim loại là chất rắn, vậy làm thế nào để một số electron chạy qua nó?
Số lượng electron trong một chất bằng số lượng proton chỉ đảm bảo tính trung hòa của nó, còn bản thân nguyên tố hóa học được xác định bởi số lượng proton và neutron dựa trên định luật tuần hoàn Mendeleev. Nếu, thuần túy về mặt lý thuyết, nếu chúng ta trừ tất cả các electron của nó khỏi khối lượng của bất kỳ nguyên tố hóa học nào, thì trên thực tế, nó sẽ không đạt tới khối lượng của nguyên tố hóa học gần nhất. Sự chênh lệch giữa khối lượng của electron và hạt nhân quá lớn (khối lượng của chỉ proton thứ 1 lớn hơn khối lượng của electron khoảng 1836 lần). Việc giảm hoặc tăng số lượng electron chỉ dẫn đến sự thay đổi tổng điện tích của nguyên tử. Số lượng electron trong một nguyên tử luôn thay đổi. Chúng hoặc rời khỏi nó do chuyển động nhiệt, hoặc quay trở lại do mất năng lượng.
Nếu các electron chuyển động theo một hướng thì có nghĩa là chúng “rời khỏi” nguyên tử của mình và khối lượng nguyên tử không bị mất đi và do đó thành phần hóa học của chất dẫn điện sẽ thay đổi? KHÔNG. Một nguyên tố hóa học được xác định không phải bởi khối lượng nguyên tử mà bởi số lượng PROTON trong hạt nhân nguyên tử, và không có gì khác. Trong trường hợp này, sự hiện diện hay vắng mặt của electron hoặc neutron trong nguyên tử không thành vấn đề. Hãy cộng - trừ electron - ta được ion; cộng - trừ neutron - ta được đồng vị. Trong trường hợp này, nguyên tố hóa học sẽ giữ nguyên.
Với proton thì lại là một câu chuyện khác: một proton là hydro, hai proton là helium, ba proton là lithium, v.v. (xem bảng tuần hoàn). Vì vậy, cho dù dòng điện chạy qua dây dẫn có bao nhiêu đi chăng nữa thì thành phần hóa học của nó cũng không thay đổi.
Chất điện giải là một vấn đề khác. Đây là nơi THAY ĐỔI THÀNH PHẦN HÓA HỌC. Các nguyên tố điện giải được giải phóng khỏi dung dịch dưới tác dụng của dòng điện. Khi mọi người được thả ra, dòng điện sẽ dừng lại. Điều này là do hạt mang điện trong chất điện phân là các ion.
Có nguyên tố hóa học không có electron:
1. Hydro vũ trụ nguyên tử.
2. Khí ở các tầng trên của bầu khí quyển Trái đất và các hành tinh khác có bầu khí quyển.
2. Tất cả các chất đều ở trạng thái huyết tương.
3. Trong máy gia tốc, máy va chạm.
Khi tiếp xúc với dòng điện, hóa chất (chất dẫn điện) có thể “tán xạ”. Ví dụ, một cầu chì. Các electron chuyển động đẩy các nguyên tử ra xa nhau dọc theo đường đi của chúng; nếu dòng điện mạnh, mạng tinh thể của dây dẫn bị phá hủy và dây dẫn nóng chảy.
Hãy xem xét hoạt động của các thiết bị chân không điện.
Hãy để tôi nhắc bạn rằng trong quá trình tác dụng của dòng điện trong một vật dẫn thông thường, một electron rời khỏi vị trí của nó, để lại một “lỗ trống” ở đó, sau đó lỗ này được lấp đầy bằng một electron từ một nguyên tử khác, từ đó một lỗ trống cũng được hình thành. , sau đó được lấp đầy bởi một electron khác. Toàn bộ quá trình chuyển động của electron xảy ra theo một hướng và chuyển động của các “lỗ trống” xảy ra theo hướng ngược lại. Nghĩa là, cái lỗ chỉ là một hiện tượng tạm thời; dù sao thì nó cũng sẽ lấp đầy. Việc lấp đầy là cần thiết để duy trì trạng thái cân bằng điện tích trong nguyên tử.
Bây giờ chúng ta hãy xem hoạt động của một thiết bị chân không điện. Ví dụ: hãy lấy diode đơn giản nhất - kenotron. Các electron trong diode dưới tác dụng của dòng điện được phát ra từ cực âm về phía cực dương. Cực âm được phủ một lớp oxit kim loại đặc biệt, tạo điều kiện cho các electron thoát ra khỏi cực âm vào chân không (công năng thấp). Không có dự trữ electron trong màng mỏng này. Để đảm bảo giải phóng các electron, cực âm được làm nóng mạnh bằng dây tóc. Theo thời gian, màng nóng bay hơi, đọng lại trên thành bình và độ phát xạ của cực âm giảm. Và một thiết bị chân không điện tử như vậy chỉ đơn giản là bị vứt đi. Và nếu thiết bị đắt tiền, nó sẽ được khôi phục. Để khôi phục nó, bình được tháo ra, thay cực âm bằng một cái mới, sau đó bình được niêm phong lại.
Các electron trong dây dẫn di chuyển “mang theo” dòng điện và cực âm được bổ sung các electron từ dây dẫn nối với cực âm. Các electron rời khỏi cực âm được thay thế bằng các electron từ nguồn hiện tại.
Khái niệm “tốc độ chuyển động của dòng điện” không tồn tại. Ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (300.000 km/s), một điện trường truyền qua dây dẫn, dưới tác dụng của nó, tất cả các electron bắt đầu chuyển động với tốc độ thấp, xấp xỉ bằng 0,007 mm/s, không phải quên cũng lao đi hỗn loạn trong chuyển động nhiệt.
Bây giờ chúng ta hãy hiểu các đặc điểm chính của hiện tại
Hãy tưởng tượng bức tranh: Bạn có một hộp bìa cứng tiêu chuẩn gồm 12 chai nước uống mạnh. Và bạn đang cố gắng đặt một cái chai khác vào đó. Giả sử bạn đã thành công nhưng chiếc hộp hầu như không đứng vững được. Bạn đặt một cái khác vào đó thì đột nhiên hộp bị vỡ và chai lọ rơi ra ngoài.
Một hộp chai có thể được so sánh với một mặt cắt ngang của dây dẫn:
Hộp càng rộng (dây càng dày) thì số lượng chai (ĐIỆN LỰC) có thể chứa (cung cấp) càng lớn.
Bạn có thể đặt từ một đến 12 chai vào một hộp (trong dây dẫn) - nó sẽ không bị rơi ra (dây dẫn sẽ không cháy), nhưng nó không thể chứa số lượng chai lớn hơn (cường độ dòng điện cao hơn) (biểu thị điện trở).
Nếu chúng ta đặt một hộp khác lên trên hộp, thì trên một đơn vị diện tích (tiết diện dây dẫn), chúng ta sẽ đặt không phải 12 mà là 24 chai, một chai khác ở trên cùng - 36 chai. Một trong các hộp (một tầng) có thể được lấy làm đơn vị tương tự như ĐIỆN ÁP của dòng điện.
Hộp càng rộng (ít điện trở) thì càng có thể cung cấp nhiều chai (HIỆN TẠI).
Bằng cách tăng chiều cao của các hộp (điện áp), chúng ta có thể tăng tổng số chai (POWER) mà không làm hỏng các hộp (dây dẫn).
Sử dụng sự tương tự của chúng tôi, chúng tôi đã nhận được:
Tổng số chai là POWER
Số lượng chai trong một hộp (lớp) là CÔNG SUẤT HIỆN TẠI
Số hộp có chiều cao (tầng) là ĐIỆN ÁP
Chiều rộng của hộp (công suất) chính là TRỞ LẠI của phần mạch điện
Thông qua sự tương tự ở trên, chúng tôi đã đi đến “ LUẬT OMA“, còn được gọi là Định luật Ohm cho một phần của mạch điện. Hãy biểu diễn nó dưới dạng một công thức:
Ở đâu TÔI - cường độ hiện tại, bạn R - sức chống cự.
Nói một cách đơn giản, nó có vẻ như thế này: Dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp và tỷ lệ nghịch với điện trở.
Ngoài ra, chúng tôi đã đến " LUẬT WATT". Chúng ta cũng hãy mô tả nó dưới dạng một công thức:
Ở đâu TÔI - cường độ hiện tại, bạn - điện áp (chênh lệch điện thế), R - quyền lực.
Nói một cách đơn giản, nó có vẻ như thế này: Công suất bằng tích của dòng điện và điện áp.
Cường độ dòng điệnđo bằng dụng cụ gọi là Ampe kế. Như bạn đã đoán, lượng dòng điện (lượng điện tích được truyền) được đo bằng ampe. Để tăng phạm vi của đơn vị ký hiệu thay đổi, có nhiều tiền tố như micro - microampere (µA), dặm - milliampere (mA). Các bảng điều khiển khác không được sử dụng trong sử dụng hàng ngày. Ví dụ: Người ta nói và viết “mười nghìn ampe”, nhưng họ không bao giờ nói hoặc viết 10 kiloampe. Những ý nghĩa như vậy không có thật trong cuộc sống hàng ngày. Điều tương tự cũng có thể nói về nanoamp. Thông thường họ nói và viết 1×10 -9 Ampe.
Điện áp(điện thế) được đo bằng một thiết bị gọi là Vôn kế, như bạn đoán, điện áp, tức là hiệu điện thế làm cho dòng điện chạy qua, được đo bằng Vôn (V). Cũng giống như đối với dòng điện, để tăng phạm vi ký hiệu, có nhiều tiền tố: (micro - microvolt (μV), dặm - millivolt (mV), kilo - kilovolt (kV), mega - megavolt (MV). Điện áp còn được gọi là EMF - sức điện động.
Điện trởđược đo bằng một thiết bị gọi là Ohmmeter, như bạn đoán, đơn vị của điện trở là Ohm (Ohm). Cũng giống như đối với dòng điện và điện áp, có nhiều tiền tố: kilo - kiloohm (kOhm), mega - megaohm (MOhm). Những ý nghĩa khác không có thật trong đời sống hằng ngày.
Trước đó, bạn đã biết rằng điện trở của dây dẫn phụ thuộc trực tiếp vào đường kính của dây dẫn. Về vấn đề này, chúng ta có thể nói thêm rằng nếu đặt một dòng điện lớn vào một dây dẫn mỏng, nó sẽ không thể đi qua, đó là lý do tại sao nó sẽ nóng lên rất nhiều và cuối cùng có thể tan chảy. Hoạt động của cầu chì dựa trên nguyên tắc này.
Các nguyên tử của bất kỳ chất nào đều nằm cách nhau một khoảng. Trong kim loại, khoảng cách giữa các nguyên tử nhỏ đến mức vỏ electron gần như chạm vào nhau. Điều này cho phép các electron di chuyển tự do từ hạt nhân này sang hạt nhân khác, tạo ra dòng điện, đó là lý do tại sao kim loại, cũng như một số chất khác, là CHẤT DẪN điện. Ngược lại, các chất khác có các nguyên tử có khoảng cách rất xa, các electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân, không thể chuyển động tự do. Những chất như vậy không phải là chất dẫn điện và thường được gọi là ĐIỆN LỰC, trong đó nổi tiếng nhất là cao su. Đây là câu trả lời cho câu hỏi tại sao dây điện được làm bằng kim loại.
Sự hiện diện của dòng điện được biểu thị bằng các hành động hoặc hiện tượng sau đây đi kèm với nó:
;1. Dây dẫn mà dòng điện chạy qua có thể trở nên nóng;
2. Dòng điện có thể làm thay đổi thành phần hoá học của vật dẫn điện;
3. Dòng điện tác dụng một lực lên các dòng điện lân cận và các vật thể bị nhiễm từ.
Khi các electron tách ra khỏi hạt nhân, một lượng năng lượng nhất định được giải phóng, làm nóng dây dẫn. Công suất “làm nóng” của dòng điện thường được gọi là công suất tiêu tán và được đo bằng watt. Đơn vị tương tự được sử dụng để đo năng lượng cơ học được chuyển đổi từ năng lượng điện.
Các mối nguy hiểm về điện và các đặc tính nguy hiểm khác của điện và các biện pháp phòng ngừa an toàn
Dòng điện làm nóng dây dẫn mà nó chạy qua. Đó là lý do tại sao:
1. Nếu mạng điện gia đình bị quá tải, lớp cách điện sẽ dần bị cháy và vỡ vụn. Có khả năng xảy ra đoản mạch, rất nguy hiểm.
2. Dòng điện chạy qua dây dẫn và các thiết bị gia dụng gặp điện trở nên “chọn” đường đi có điện trở nhỏ nhất.
3. Nếu xảy ra đoản mạch thì dòng điện tăng mạnh. Điều này giải phóng một lượng nhiệt lớn có thể làm nóng chảy kim loại.
4. Đoản mạch cũng có thể xảy ra do độ ẩm. Nếu xảy ra hỏa hoạn do chập điện thì trong trường hợp các thiết bị điện tiếp xúc với hơi ẩm thì người thiệt hại đầu tiên là người thiệt hại.
5. Điện giật rất nguy hiểm và có thể gây tử vong. Khi dòng điện chạy qua cơ thể con người, điện trở của mô giảm mạnh. Các quá trình làm nóng mô, phá hủy tế bào và chết các đầu dây thần kinh xảy ra trong cơ thể.
Cách tự bảo vệ mình khỏi bị điện giật
Để bảo vệ bản thân khỏi tiếp xúc với dòng điện, hãy sử dụng các phương tiện bảo vệ chống điện giật: đeo găng tay cao su, sử dụng thảm cao su, thanh phóng điện, thiết bị nối đất cho thiết bị và nơi làm việc. Công tắc tự động có chức năng bảo vệ nhiệt và bảo vệ dòng điện cũng là phương tiện bảo vệ chống điện giật tốt, có thể cứu sống con người. Khi không chắc chắn có nguy cơ bị điện giật hay không, khi thực hiện các thao tác đơn giản trên bảng điện hoặc các bộ phận thiết bị, tôi thường làm việc bằng một tay và đút tay kia vào túi quần. Điều này giúp loại bỏ khả năng bị điện giật dọc theo đường truyền tay trong trường hợp vô tình tiếp xúc với thân tấm chắn hoặc các vật thể nối đất lớn khác.
Để dập tắt đám cháy xảy ra trên thiết bị điện, chỉ sử dụng bình chữa cháy bằng bột hoặc carbon dioxide. Bình chữa cháy dạng bột thì tốt hơn, tuy nhiên sau khi phủ bụi từ bình chữa cháy lên thiết bị thì không phải lúc nào cũng có thể phục hồi được thiết bị này.
