Qu'est-ce que le courant électrique et quelles sont les conditions de son existence
Définition
Un courant électrique est le mouvement directionnel des porteurs de charge - c'est la formulation standard d'un manuel de physique. À leur tour, certaines particules d'une substance sont appelées porteurs de charge. Ils peuvent être:
- Les électrons sont des porteurs de charge négatifs.
- Les ions sont des porteurs de charge positifs.
Mais d'où viennent les porteurs de frais? Pour répondre à cette question, vous devez rappeler les connaissances de base sur la structure de la matière. Tout ce qui nous entoure est de la matière, elle est constituée de molécules, de ses plus petites particules. Les molécules sont constituées d'atomes. Un atome est constitué d'un noyau autour duquel les électrons se déplacent sur des orbites données. Les molécules se déplacent également de manière aléatoire. Le mouvement et la structure de chacune de ces particules dépendent de la substance elle-même et de l'influence de l'environnement sur elle, comme la température, la tension, etc.
Un ion est un atome dans lequel le rapport des électrons aux protons a changé. Si l'atome est initialement neutre, les ions sont à leur tour divisés en:
- Les anions sont l'ion positif d'un atome qui a perdu des électrons.
- Les cations sont un atome avec des électrons "supplémentaires" attachés à l'atome.
Unité actuelle - Amp, selon La loi d'Ohm Il est calculé par la formule:
I = U / R,
où U est la tension, [V] et R est la résistance, [Ohm].
Ou est directement proportionnelle au montant de la charge transférée par unité de temps:
I = Q / t,
où Q est la charge, [C], t est le temps, [s].
Conditions d'existence du courant électrique
Quel est le courant électrique, nous avons compris, parlons maintenant de la façon d'assurer son flux. Pour que le courant électrique circule, deux conditions doivent être remplies:
- La présence de transporteurs gratuits.
- Champ électrique.
La première condition de l'existence et du flux d'électricité dépend de la substance dans laquelle le courant circule (ou ne circule pas), ainsi que de son état. La deuxième condition est également remplie: pour l'existence d'un champ électrique, la présence de potentiels différents est nécessaire, entre laquelle il existe un milieu dans lequel les porteurs de charges vont circuler.
Rappel:Tension, EMF est la différence de potentiel. Il s'ensuit que pour remplir les conditions d'existence du courant - la présence d'un champ électrique et d'un courant électrique, une tension est nécessaire. Il peut s'agir des plaques d'un condensateur chargé, d'une cellule galvanique, d'une FEM apparaissant sous l'influence d'un champ magnétique (générateur).
Comment cela se produit, nous avons compris, parlons où il est dirigé.Le courant, principalement dans notre usage habituel, se déplace dans les conducteurs (câblage électrique dans un appartement, ampoules à incandescence) ou dans les semi-conducteurs (LED, processeur de votre smartphone et autres appareils électroniques), moins souvent dans les gaz (lampes fluorescentes).
Donc, dans la plupart des cas, les principaux porteurs de charge sont des électrons, ils passent du moins (le point à potentiel négatif) au plus (le point à potentiel positif, vous en apprendrez plus à ce sujet ci-dessous).
Mais un fait intéressant est que la direction du courant était considérée comme le mouvement de charges positives - de plus en moins. Bien qu'en fait, tout se passe dans l'autre sens. Le fait est que la décision sur la direction du courant a été prise avant d'étudier sa nature, ainsi qu'avant qu'elle ne soit déterminée par ce que le courant coule et existe.
Courant électrique dans différents environnements
Nous avons déjà mentionné que dans différents environnements, le courant électrique peut différer dans le type de porteurs de charge. Les médias peuvent être divisés par la nature de la conductivité (en diminuant la conductivité):
- Conducteur (métaux).
- Semi-conducteur (silicium, germanium, arséniure de galium, etc.).
- Diélectrique (vide, air, eau distillée).
Dans les métaux
Dans les métaux, il existe des porteurs de charge gratuits, ils sont parfois appelés «gaz électriques». D'où viennent les transporteurs gratuits? Le fait est que le métal, comme toute substance, est constitué d'atomes. Les atomes, d'une manière ou d'une autre, bougent ou oscillent. Plus la température du métal est élevée, plus ce mouvement est fort. Dans le même temps, les atomes eux-mêmes sous forme générale restent à leur place, formant en fait la structure métallique.
Dans les coquilles d'électrons d'un atome, il y a généralement plusieurs électrons dans lesquels la liaison avec le noyau est plutôt faible. Sous l'influence des températures, des réactions chimiques et de l'interaction des impuretés, qui sont de toute façon dans le métal, les électrons se détachent de leurs atomes, des ions chargés positivement se forment. Les électrons détachés sont appelés libres et se déplacent de manière aléatoire.
S'ils sont affectés par un champ électrique, par exemple, si vous connectez une batterie à un morceau de métal, le mouvement aléatoire des électrons sera ordonné. Les électrons du point auquel le potentiel négatif est connecté (la cathode d'une cellule galvanique, par exemple) commenceront à se déplacer vers le point avec un potentiel positif.
Dans les semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont des matériaux dans lesquels, à l'état normal, il n'y a pas de porteurs de charge gratuits. Ils se trouvent dans la zone dite interdite. Mais si des forces externes, telles qu'un champ électrique, de la chaleur, divers rayonnements (lumière, rayonnement, etc.) sont appliquées, elles franchissent la zone interdite et passent dans la zone libre ou zone de conduction. Les électrons se détachent de leurs atomes et deviennent libres, formant des ions - porteurs de charge positifs.
Les porteurs positifs dans les semi-conducteurs sont appelés trous.
Si vous transférez simplement de l'énergie à un semi-conducteur, par exemple le chauffez, le mouvement chaotique des porteurs de charge commencera. Mais si nous parlons d'éléments semi-conducteurs, comme une diode ou un transistor, alors aux extrémités opposées du cristal (une couche métallisée est déposée sur eux et les conclusions sont soudées), un champ électromagnétique apparaîtra, mais cela ne s'applique pas au sujet de l'article d'aujourd'hui.
Si vous attachez la source emf au semi-conducteur, les porteurs de charge iront également dans la bande de conduction, et leur mouvement directionnel commencera - les trous iront sur le côté avec un potentiel électrique inférieur et les électrons - sur le côté avec un plus grand.
Sous vide et gaz
Le vide est un milieu avec une absence complète (cas idéal) de gaz ou sa quantité minimisée (en réalité). Puisqu'il n'y a aucune substance dans le vide, il n'y a aucun endroit où prendre les porteurs de charge. Cependant, la circulation du courant dans le vide a jeté les bases de l'électronique et de toute une ère d'éléments électroniques - les tubes à vide électriques.Ils ont été utilisés dans la première moitié du siècle dernier et, dans les années 50, ils ont progressivement cédé la place aux transistors (selon le domaine spécifique de l'électronique).
Supposons que nous ayons un navire à partir duquel tout le gaz est pompé, c'est-à-dire il a un vide complet. Deux électrodes sont placées dans le vaisseau, appelons-les anode et cathode. Si nous connectons le potentiel négatif de la source emf à la cathode et le potentiel positif à l'anode, rien ne se passera et le courant ne circulera pas. Mais si nous commençons à chauffer la cathode, le courant commencera à circuler. Ce processus est appelé émission thermo-ionique - l'émission d'électrons à partir d'une surface chauffée d'un électron.
La figure montre le processus de circulation du courant dans une lampe à vide. Dans les tubes à vide, la cathode est chauffée par un filament à proximité dans le riz (H), comme dans une ampoule.
De plus, si vous changez la polarité de l'alimentation - appliquez un moins à l'anode et appliquez un plus à la cathode - le courant ne circulera pas. Cela prouvera que le courant dans le vide circule en raison du mouvement des électrons de la CATHODE à l'ANODE.
Un gaz, comme toute substance, se compose de molécules et d'atomes, ce qui signifie que si le gaz est sous l'influence d'un champ électrique, alors à une certaine force (tension d'ionisation) les électrons se détachent de l'atome, puis les deux conditions pour le flux de courant électrique sont remplies - le champ et médias libres.
Comme déjà mentionné, ce processus est appelé ionisation. Il peut se produire non seulement à partir de la tension appliquée, mais également pendant le chauffage au gaz, le rayonnement X, sous l'influence du rayonnement ultraviolet et d'autres choses.
Le courant circulera dans l'air même si un brûleur est installé entre les électrodes.
La circulation du courant dans les gaz inertes s'accompagne d'une luminescence gazeuse, ce phénomène est activement utilisé dans les lampes fluorescentes. Le flux de courant électrique dans un milieu gazeux est appelé décharge de gaz.
Dans fluide
Supposons que nous ayons un récipient avec de l'eau dans lequel deux électrodes sont placées, auxquelles une source d'alimentation est connectée. Si l'eau est distillée, c'est-à-dire pure et ne contient pas d'impuretés, alors c'est un diélectrique. Mais si nous ajoutons un peu de sel, d'acide sulfurique ou de toute autre substance à l'eau, un électrolyte se formera et un courant commencera à le traverser.
Un électrolyte est une substance qui conduit un courant électrique en raison de la dissociation en ions.
Si du sulfate de cuivre est ajouté à l'eau, une couche de cuivre se déposera sur l'une des électrodes (cathode) - c'est ce qu'on appelle l'électrolyse, ce qui prouve que le courant électrique dans le liquide est dû au mouvement des ions - porteurs de charge positifs et négatifs.
L'électrolyse est un processus physico-chimique qui implique la séparation des composants qui composent un électrolyte sur les électrodes.
Ainsi, placage de cuivre, dorure et revêtement avec d'autres métaux.
Conclusion
Pour résumer, pour le flux de courant électrique, nous avons besoin de porteurs de charge gratuits:
- les électrons dans les conducteurs (métaux) et le vide;
- électrons et trous dans les semi-conducteurs;
- ions (anions et cations) dans les liquides et les gaz.
Pour que le mouvement de ces porteurs soit ordonné, un champ électrique est nécessaire. En termes simples - appliquez une tension aux extrémités du corps ou installez deux électrodes dans un milieu où un courant électrique est censé circuler.
Il convient également de noter que le courant affecte d'une certaine manière la substance, il existe trois types d'exposition:
- thermique;
- chimique;
- physique.
En fin de compte, nous vous recommandons de regarder une vidéo utile dans laquelle les conditions d'existence et de circulation du courant électrique sont examinées plus en détail:
Utile sur le sujet:
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