หากมีตัวพาประจุไฟฟ้าฟรีในตัวกลางใดๆ (เช่น อิเล็กตรอนในโลหะ) พวกมันจะไม่นิ่ง แต่จะเคลื่อนที่แบบสุ่ม แต่คุณสามารถทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบในทิศทางที่กำหนดได้ การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุโดยตรงนี้เรียกว่ากระแสไฟฟ้า
เนื้อหา
วิธีสร้างกระแสไฟฟ้า
หากเราใช้ตัวนำสองตัวและตัวหนึ่งมีประจุเป็นลบ (เพิ่มอิเล็กตรอนเข้าไป) และอีกตัวหนึ่งมีประจุเป็นบวก (ดึงอิเล็กตรอนบางส่วนออกไป) สนามไฟฟ้าจะเกิดขึ้น หากคุณเชื่อมต่ออิเล็กโทรดทั้งสองเข้ากับตัวนำ สนามจะบังคับให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับเวกเตอร์สนามไฟฟ้า ตามทิศทางของเวกเตอร์แรงไฟฟ้า อนุภาคที่มีประจุลบจะเคลื่อนจากอิเล็กโทรดในบริเวณที่เกินกว่าอิเล็กโทรดไปยังอิเล็กโทรดที่ขาด
สำหรับการเกิดขึ้นของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ไม่จำเป็นต้องให้ประจุบวกกับอิเล็กโทรดที่สอง สิ่งสำคัญคือประจุลบของอันแรกจะสูงกว่า เป็นไปได้ที่จะชาร์จตัวนำทั้งสองในทางลบ แต่ตัวนำหนึ่งต้องมีประจุมากกว่าอีกตัวหนึ่ง ในกรณีนี้ มีคนพูดถึงความต่างศักย์ที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า
โดยการเปรียบเทียบกับน้ำ หากคุณเชื่อมต่อเรือสองลำที่บรรจุน้ำกับระดับต่างๆ กัน กระแสน้ำจะปรากฏขึ้น ความกดดันจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างในระดับ
เป็นที่น่าสนใจว่าการเคลื่อนที่แบบโกลาหลของอิเล็กตรอนภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าจะได้รับการเก็บรักษาไว้โดยทั่วไป แต่เวกเตอร์ทั่วไปของการเคลื่อนที่ของมวลของตัวพาประจุจะได้รับลักษณะกำกับ หากองค์ประกอบการเคลื่อนไหวที่ "วุ่นวาย" มีความเร็วหลายสิบหรือหลายร้อยกิโลเมตรต่อวินาที ส่วนประกอบทิศทางก็คือหลายมิลลิเมตรต่อนาที แต่ผลกระทบ (เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปตามความยาวของตัวนำ) แพร่กระจายด้วยความเร็วแสงจึงบอกว่ากระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 3 * 108 เมตร/วินาที
ในกรอบของการทดลองข้างต้น กระแสในตัวนำจะไม่คงอยู่นาน - จนกว่าอิเล็กตรอนส่วนเกินในตัวนำที่มีประจุลบจะหมด และจำนวนที่ขั้วทั้งสองจะไม่สมดุล เวลานี้มีขนาดเล็ก - เศษส่วนไม่มีนัยสำคัญของวินาที
การกลับไปที่อิเล็กโทรดที่มีประจุลบในตอนแรกและการสร้างประจุส่วนเกินบนตัวพานั้นไม่ได้ให้สนามไฟฟ้าเดียวกันกับที่ย้ายอิเล็กตรอนจากลบไปเป็นบวก ดังนั้นจึงต้องมีแรงภายนอกที่กระทำต่อความแรงของสนามไฟฟ้าและแซงหน้าสนามไฟฟ้าเช่นเดียวกับน้ำ จะต้องมีเครื่องสูบน้ำที่สูบน้ำกลับสู่ระดับบนเพื่อสร้างกระแสน้ำอย่างต่อเนื่อง
ทิศทางปัจจุบัน
ทิศทางจากบวกถึงลบถือเป็นทิศทางของกระแส กล่าวคือ ทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุบวกอยู่ตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าปรากฏการณ์ของกระแสไฟฟ้าถูกค้นพบเร็วกว่าที่ได้รับคำอธิบายเกี่ยวกับธรรมชาติของมันมากและเชื่อว่ากระแสไปในทิศทางนี้ เมื่อถึงเวลานั้น มีบทความและวรรณกรรมอื่น ๆ จำนวนมากในหัวข้อนี้สะสม แนวคิด คำจำกัดความและกฎหมายก็ปรากฏขึ้น เพื่อไม่ให้แก้ไขเนื้อหาที่ตีพิมพ์ไปแล้วเป็นจำนวนมาก เราเพียงแค่ใช้ทิศทางของกระแสกับการไหลของอิเล็กตรอน
ถ้ากระแสไหลตลอดเวลาในทิศทางเดียว (แม้ความแรงจะเปลี่ยน) เรียกว่า กระแสตรง. หากทิศทางของมันเปลี่ยนไป แสดงว่าเรากำลังพูดถึงกระแสสลับ ในทางปฏิบัติ ทิศทางจะเปลี่ยนไปตามกฏบางอย่าง เช่น ตามไซน์ หากทิศทางของกระแสไฟยังคงไม่เปลี่ยนแปลง แต่จะลดลงเป็นระยะเป็นศูนย์และเพิ่มขึ้นเป็นค่าสูงสุด แสดงว่าเรากำลังพูดถึงกระแสพัลซิ่ง (ในรูปทรงต่างๆ)
เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการรักษากระแสไฟฟ้าในวงจร
เงื่อนไขสามประการสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าในวงจรปิดได้รับมาข้างต้น พวกเขาต้องได้รับการพิจารณาในรายละเอียดเพิ่มเติม
ผู้ให้บริการชาร์จฟรี
เงื่อนไขที่จำเป็นประการแรกสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าคือการมีตัวพาประจุไฟฟ้าฟรี ค่าใช้จ่ายไม่มีอยู่แยกต่างหากจากผู้ให้บริการ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพิจารณาอนุภาคที่สามารถพกพาประจุได้
ในโลหะและสารอื่นๆ ที่มีค่าการนำไฟฟ้าใกล้เคียงกัน (กราไฟต์ ฯลฯ) สิ่งเหล่านี้คืออิเล็กตรอนอิสระ พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับนิวเคลียสอย่างอ่อน และสามารถทิ้งอะตอมไว้และเคลื่อนตัวไปในตัวนำได้โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง
อิเล็กตรอนอิสระยังทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุในเซมิคอนดักเตอร์ แต่ในบางกรณีก็พูดถึงค่าการนำไฟฟ้าแบบ "รู" ของของแข็งประเภทนี้ (ซึ่งต่างจาก "อิเล็กทรอนิกส์") แนวคิดนี้จำเป็นเพียงเพื่ออธิบายกระบวนการทางกายภาพ อันที่จริง กระแสในเซมิคอนดักเตอร์เป็นการเคลื่อนที่แบบเดียวกันของอิเล็กตรอน วัสดุที่อิเล็กตรอนไม่สามารถออกจากอะตอมได้คือ ไดอิเล็กทริก. ไม่มีกระแสในพวกเขา
ในของเหลว ประจุบวกและประจุลบจะมีประจุ หมายถึงของเหลว - อิเล็กโทรไลต์ เช่น น้ำที่ละลายเกลือ โดยตัวมันเอง น้ำมีความเป็นกลางทางไฟฟ้าพอสมควร แต่เมื่อสารที่เป็นของแข็งและของเหลวเข้าไป พวกมันจะละลายและแยกตัวออกจากกัน (สลายตัว) เพื่อสร้างไอออนบวกและลบ และในโลหะหลอมเหลว (เช่น ในปรอท) ตัวพาประจุจะเป็นอิเล็กตรอนตัวเดียวกัน
ก๊าซส่วนใหญ่เป็นไดอิเล็กทริก ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระในนั้น - ก๊าซประกอบด้วยอะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลาง แต่ถ้าก๊าซถูกแตกตัวเป็นไอออน พวกเขาพูดถึงสถานะที่สี่ของการรวมตัวของสสาร - พลาสมา กระแสไฟฟ้าสามารถไหลเข้าไปได้ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและไอออนโดยตรง
นอกจากนี้ กระแสสามารถไหลในสุญญากาศได้ (เช่น การกระทำของหลอดสุญญากาศเป็นไปตามหลักการนี้) สิ่งนี้จะต้องใช้อิเล็กตรอนหรือไอออน
สนามไฟฟ้า
แม้จะมีผู้ให้บริการฟรี แต่สื่อส่วนใหญ่มีความเป็นกลางทางไฟฟ้า สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าอนุภาคลบ (อิเล็กตรอน) และอนุภาคบวก (โปรตอน) ตั้งอยู่อย่างเท่าเทียมกัน และสนามของพวกมันจะชดเชยซึ่งกันและกัน สำหรับสนามที่จะเกิดขึ้น ประจุจะต้องกระจุกตัวอยู่ในบางพื้นที่ หากอิเล็กตรอนสะสมในบริเวณอิเล็กโทรดหนึ่ง (ขั้วลบ) ขั้วไฟฟ้าตรงข้าม (ขั้วบวก) จะขาดแคลน และสนามจะเกิดขึ้นซึ่งสร้างแรงที่กระทำต่อตัวพาประจุและบังคับให้เคลื่อนที่
บุคคลที่สามบังคับให้ดำเนินการค่าใช้จ่าย
และเงื่อนไขที่สาม - จะต้องมีแรงที่พาประจุไปในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางของสนามไฟฟ้าสถิต มิฉะนั้น ประจุภายในระบบปิดจะสมดุลอย่างรวดเร็ว แรงภายนอกนี้เรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า ที่มาของมันอาจแตกต่างกัน
ลักษณะทางเคมีไฟฟ้า
ในกรณีนี้ EMF เกิดขึ้นจากการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ปฏิกิริยาอาจย้อนกลับไม่ได้ ตัวอย่างคือเซลล์กัลวานิก ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ที่มีชื่อเสียง หลังจากรีเอเจนต์หมด EMF จะลดลงเหลือศูนย์และแบตเตอรี่ "นั่งลง"
ในกรณีอื่นๆ ปฏิกิริยาอาจย้อนกลับได้ ดังนั้น EMF ในแบตเตอรี่จึงเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า แต่เมื่อเสร็จสิ้น กระบวนการสามารถดำเนินการต่อได้ - ภายใต้อิทธิพลของกระแสไฟฟ้าภายนอก ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นในลำดับที่กลับกัน และแบตเตอรี่จะพร้อมที่จะจ่ายกระแสไฟอีกครั้ง
ธรรมชาติของเซลล์แสงอาทิตย์
ในกรณีนี้ EMF เกิดจากการกระทำของรังสีที่มองเห็นได้ รังสีอัลตราไวโอเลตหรืออินฟราเรดในกระบวนการในโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ แรงดังกล่าวเกิดขึ้นในโฟโตเซลล์ (“แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์”)ภายใต้การกระทำของแสง กระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นในวงจรภายนอก
ธรรมชาติเทอร์โมอิเล็กทริก
หากคุณใช้ตัวนำที่ไม่เหมือนกันสองตัว ให้บัดกรีพวกมันและให้ความร้อนที่ทางแยก จากนั้น EMF จะปรากฏขึ้นในวงจรเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางแยกที่ร้อน (ทางแยกของตัวนำ) และทางแยกเย็น - ปลายด้านตรงข้ามของตัวนำ ด้วยวิธีนี้ ไม่เพียงแต่จะสร้างกระแสได้เท่านั้นแต่ยัง วัดอุณหภูมิ โดยการวัดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้น
ธรรมชาติเพียโซอิเล็กทริก
เกิดขึ้นเมื่อของแข็งบางชนิดถูกบีบอัดหรือเสียรูป ไฟแช็คไฟฟ้าทำงานบนหลักการนี้
ธรรมชาติแม่เหล็กไฟฟ้า
วิธีที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตไฟฟ้าในเชิงอุตสาหกรรมคือการใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงหรือไฟฟ้ากระแสสลับ ในเครื่อง DC กระดองรูปเฟรมจะหมุนในสนามแม่เหล็กโดยข้ามเส้นแรง ในกรณีนี้ EMF จะเกิดขึ้นขึ้นอยู่กับความเร็วของการหมุนของโรเตอร์และฟลักซ์แม่เหล็ก ในทางปฏิบัติ สมอใช้จากการหมุนจำนวนมาก ทำให้เกิดเฟรมที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมจำนวนมาก EMF ที่เกิดขึ้นในพวกเขาเพิ่มขึ้น
ที่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ ใช้หลักการเดียวกัน แต่แม่เหล็ก (ไฟฟ้าหรือถาวร) หมุนภายในเฟรมคงที่ อันเป็นผลมาจากกระบวนการเดียวกันในสเตเตอร์ EMFซึ่งมีรูปร่างเป็นไซนัส ในระดับอุตสาหกรรม การผลิตไฟฟ้ากระแสสลับมักถูกใช้เกือบทุกครั้ง - ง่ายต่อการแปลงสำหรับการขนส่งและการใช้งานจริง
คุณสมบัติที่น่าสนใจของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าคือการย้อนกลับได้ประกอบด้วยความจริงที่ว่าถ้าแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับขั้วเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากแหล่งภายนอก โรเตอร์จะเริ่มหมุน ซึ่งหมายความว่าเครื่องไฟฟ้าสามารถเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือมอเตอร์ไฟฟ้าทั้งนี้ขึ้นอยู่กับรูปแบบการเชื่อมต่อ
นี่เป็นเพียงแนวคิดพื้นฐานของปรากฏการณ์เช่นกระแสไฟฟ้า อันที่จริง กระบวนการที่เกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนที่โดยตรงของอิเล็กตรอนนั้นซับซ้อนกว่ามาก เพื่อทำความเข้าใจพวกเขา จำเป็นต้องมีการศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับอิเล็กโทรไดนามิกส์
บทความที่คล้ายกัน:
