Замовити дзвінок

+38 (050) 745-76-49

--Куди тече електричний струм

Куди тече електричний струм

Це фундаментальне явище, що лежить в основі безлічі технологій та процесів, які визначають наш повсякденний побут. Ми стикаємося з електрикою буквально всюди: у будинках та офісах, на вулиці, у транспорті та промисловості. Але як часто ми замислюємося про те, що насправді відбувається, коли ми вмикаємо лампу або заряджаємо телефон? Куди тече струм? Яким чином він передається по проводах і чому одні матеріали провідники, а інші ні?
Для початку важливо зрозуміти: він являє собою потік заряджених частинок — найчастіше це електрони, які рухаються під впливом електричного поля. Здійснюється за провідниками, будь то металеві дроти, графітові стрижні або навіть розчини з іонами. Проте саме собою поняття «течії» не таке інтуїтивне: адже негативно заряджені заряди, які переносять заряд, мають дуже невелику швидкість.

Розібравши базові принципи, варто глибше поринути у фізику: від того чому створюється електричне поле, до взаємодії зарядів, що рухаються, з атомами і молекулами всередині матеріалу. Розуміння того, куди тече струм, відкриває двері до більш складних концепцій: опір, індукція, ємність та багато інших явищ, які уможливлюють сучасне електричне обладнання.

Ми знаємо! ВАМ ТОЧНО буде цікаво дізнатися про те, Чому не б'є струмом птахів, що сидять на проводах

Історія виникнення електричного струму

История возникновения электрического тока

Історія відкриття і розуміння електрики сягає своїм корінням в давнину і включає в себе багато важливих відкриттів і експериментів:

Стародавні часи: Перші спостереження:

У VI столітті до н. філософ Фалес Мілетський зауважив, що при натиранні бурштину об шерсть той здатний притягувати дрібні об'єкти. Бурштин по-грецьки називався "електрон", звідки і походить сучасне слово "електрика".

XVII століття: Наукові дослідження:

Перші серйозні кроки у вивченні електричних явищ було зроблено XVII столітті. Англійський фізик Вільям Гільберт в 1600 опублікував працю "Про магніт" (De Magnete), в якому провів різницю між магнітними явищами і електричними силами. Він першим ввів термін "електрична сила", описавши багато електричних ефектів.

XVIII століття: Відкриття електрики та перших електричних машин:

Важливі кроки було зроблено кількома вченими. В 1729 Стефен Грей відкрив провідність - здатність деяких матеріалів передавати електрику, а інших - перешкоджати його руху. Цей експеримент заклав основу для розуміння провідників та ізоляторів.

Найзначнішим подією цього періоду стало відкриття Бенджаміном Франкліном. В 1752 Франклін провів знаменитий досвід, довівши, що блискавка - форма електрики.

Його дослідження призвели до створення громовідводу - першого пристрою для захисту будівель від ударів блискавок. Франклін також ввів термін "позитивний" та "негативний" заряд. Наприкінці XVIII століття італійський учений Алессандро Вольта винайшов так звану "вольтову батарею" у 1800 році

XIX століття: Розквіт теорій та технологій:

В 1820 датський фізик Ханс Крістіан Ерстед виявив зв'язок між електрикою і магнетизмом, призвевши до створення нової області фізики - електромагнетизму.
Найважливішим відкриттям на той час стало створення принципу електромагнітної індукції у 1831 році Майклом Фарадеєм. Він показав, що електрика може бути вироблена за рахунок руху магніту відносно дроту, ставши основою для створення генераторів.
Ще одним важливим досягненням ХІХ століття стало створення телеграфу. 1837 року Семюел Морзе винайшов першу працюючу телеграфну систему, вона дозволила передавати повідомлення на далекі відстані за допомогою електричних сигналів. Це відкриття вплинуло на зв'язок і технології того часу.
В 1879 Томас Едісон запатентував електричну лампочку ˗ це стало революційним винаходом, дозволивши ефективно використовувати електрику у повсякденному житті.

XX століття та сучасність: Розширення застосування:

У XX столітті дослідження вийшли на новий рівень завдяки розвитку теоретичної фізики та квантової механіки. У 1930-х роках вчені почали розуміти природу електрики на атомному рівні, що призвело до появи напівпровідників та транзисторів. Ці пристрої лягли в основу мікропроцесорів, дозволивши створити сучасні комп'ютери та мікроелектронні системи

Як взагалі працює електрика?

Щоб зрозуміти принцип роботи, давайте розглянемо основні принципи та процеси, що лежать у основі:

1. Що таке заряд?

Усі речовини складаються з атомів, які у свою чергу складаються з трьох основних частинок:

Протони (позитивний заряд),
Нейтрони (нейтральний заряд),
Електрони (негативний заряд): знаходяться на орбітах навколо ядра атома. Залежно від типу речовини та умов можуть вільно переміщатися від одного атома до іншого.

2. Електричний струм - впорядкований рух електронів у провіднику (наприклад, у металевому дроті). Він виникає, коли вільні електрони переміщаються від атома до атома в одному напрямку під дією зовнішньої сили. Ця зовнішня сила створюється електричним полем, що виникає через різниці потенціалів (наприклад, кінцях батареї чи генератора). Одним кінцем провідника є місце надлишка електронів (негативний полюс), а іншим - нестачею (позитивний полюс).

Цікаво буде довідатися! про те, який буває електричний опір людського тіла

3. Типи:

Постійний (DC) - негативний заряд рухається в одному напрямку, наприклад, батарейки.
Змінний (AC) - напрямок руху електронів постійно змінюється. У домашній електричній мережі, наприклад, використовується змінний, який змінює свій напрямок 50 або 60 разів на секунду (частота 50-60 Гц).

4. Ключові поняття елктрики:

Напруга (Вольти, В) - сила, що змушує негативні заряди рухатися. Можна уявити напругу як "тиск", який штовхає їх вздовж дроту.
Струм (Ампери, А) - кількість електронів, що протікають через провід за певний час.
Опір (Ом) – це властивість матеріалу, що перешкоджає протіканню струму. У провідниках опір низький, у діелектриках (наприклад, у склі чи пластиці) він високий, що перешкоджає руху заряджених частинок. Опір визначає, скільки енергії втрачається як тепла під час переміщення. Наприклад, метали гарні провідники (мають низький опір), а пластик та гума – погані провідники (мають високий опір).

5. Генерація

Електрика може бути створена у різний спосіб, але основна дія завжди зводиться до переміщення електронів:

Хімічна реакція: у батарейках хімічні реакції створюють надлишок електронів одному кінці і дефіцит іншому.
Електромагнітна індукція: в генераторах (наприклад, на електростанціях) магніт, що рухається поблизу провідника створює електричне поле, змушуючи негативні заряди пересуватися. Це принцип роботи більшості електростанцій.
Фотовольтаїчний ефект: сонячні панелі використовують світло для того, щоб вибивати негативні заряди з матеріалу, створюючи потік електрики.

6. Ланцюги та схеми

Для роботи потрібний замкнутий ланцюг, яким можуть рухатися електрони. Якщо ланцюг розімкнений (наприклад, вимикачем), струм не буде текти та пристрій (лампочка, двигун) не працюватиме.

Основні компоненти включають:

Джерело живлення (наприклад, батарея),
Провідники (дроти),
Навантаження (наприклад, лампочка),
Вимикачі або інші пристрої керування.

7. Робота електричних пристроїв

Будь-який пристрій перетворює енергію на інший вид енергії:
Лампочка перетворює електричну енергію на світло та тепло.
Мотор перетворює електрику на механічний рух.
Комп'ютери та електроніка перетворять електрику на сигнали для виконання обчислень та інших завдань.

8. Енергосистеми

Для передачі на великі відстані використовуються електричні мережі. Електростанції виробляють електрику, де потім передається лініями електропередач через трансформатори, що знижують або підвищують напругу для більш ефективної передачі

Які бувають носії зарядів?

Носії електричного заряду - частинки або квазічастинки, які беруть участь у передачі електрики. Залежно від середовища та фізичних умов, розрізняють декілька типів носіїв зарядів.

Тип носія заряду	Опис	Приклади
Електрони	Негативно заряджені частинки	У мідних проводах виникає за допомогою руху вільних електронів під впливом електричного поля
Іони	Атоми або молекули, які набули заряду за рахунок втрати або приєднання електронів. Вони можуть бути позитивно зарядженими (катіони) або негативно зарядженими (аніони)	В електролітах, таких як розчини солей або кислот
Протони	Позитивно заряджені частинки в атомних ядрах	У водневих паливних елементах протони відіграють у процесі генерації електрики

Як рухаються заряди в металах?

У металах електричні заряди рухаються завдяки наявності вільних електронів, вони можуть пересуватися між атомами.

Рух зарядів у металах відбувається так:

Кристалічна структура металів: атоми розташовані у вигляді кристалічних ґрат, де позитивні іони займають фіксовані позиції.
Вільні електрони: поводяться хаотично в металі під дією тепла навіть за відсутності зовнішнього електричного поля. Це відбувається у випадкових напрямках, і середня швидкість велика, але без впливу зовнішнього поля їхній чистий рух (сума всіх швидкостей) дорівнює нулю - струм не виникає.
Програма зовнішнього електричного поля: коли до металу прикладається напруга, створюється електричне поле. Це поле діє на вільні негативні заряди, змушуючи їх пересуватися у певному напрямку - протилежно напрямку поля.
Спрямований дрейф: при впливі електричного поля електрони починають дрейфувати в одному напрямку (на протилежний бік від поля), хоча все ще продовжують хаотичні зіткнення. Такий процес називається дрейфом. Середня швидкість дрейфу, називається дрейфовою швидкістю, відносно мала, хоча вони можуть рухатися з великими швидкостями між зіткненнями.
Електричний опір: у міру пересування вільні електрони стикаються з атомами кристалічних грат та іншими електронами, що викликає електричний опір. Ці зіткнення уповільнюють їх та призводять до розсіювання енергії у вигляді тепла. Це описується законом Джоуля-Ленца.

Як рухаються заряди в напівпровідниках?

У напівпровідниках рух зарядів відбувається інакше, ніж у металах. Він залежить від властивостей самого напівпровідника, його типу (n-тип або p-тип) та зовнішніх впливів: температура, електричне поле чи світло.

Мають ряд відмінностей:

Можуть рухатися через зону провідності, коли одержують достатньо енергії для подолання енергетичного бар'єру між валентною зоною та зоною провідності.
У n-типу напівпровідників основними носіями заряду є негативні заряди. Під дією електричного поля вони починають переміщатися від негативного до позитивного полюса (на противагу напрямку електричного поля).

Як рухаються заряди в газах і рідинах?

У газах носіями заряду є іони та електрони, що виникають при іонізації атомів або молекул під впливом енергії. Іонізація може відбуватися під впливом високих температур, електричних розрядів чи радіації. Наприклад, коли молекула стикається поглинає квант світла, електрон може бути вибитий з атома, залишаючи позитивний іон і вільний електрон.

Цікаво буде дізнатися! що потрібно мати у разі Блекауту

Коли до газу прикладається електричне поле, вільні електрони починають свій хід до анода, а катіони - до катода. Це називається дрейфом іонів та електронів в електричному полі. При прикладанні досить високої напруги (наприклад, у газорозрядних лампах або блискавках) іонізація газу посилюється, і кількість вільних зарядів різко зростає, що викликає розряд. У рідинах носіями зарядів також є іони, але їх рух більш однорідний. Заряджені частинки утворюються за допомогою дисоціації чи розчинення електролітів.

Рух іонів у рідині:

Коли до розчину електроліту прикладається електричне поле, іони починають пересуватися до протилежно заряджених електродів: позитивні іони (катіони) рухаються до негативного електрода (катода). Негативні іони (аніони) рухаються до аноду.
У рідинах, на відміну твердих тіл, іони рухаються через розчин через перенесення заряду внаслідок взаємодії. Цей процес носить дифузійний та дрейфовий характер: дрейф виникає під впливом зовнішнього електричного поля.
Електроліз: процес, при якому відбувається хімічне розкладання речовини. На електродах відбуваються окислювально-відновні реакції: на катоді відновлюються позитивні іони, одержуючи негативні заряди. На аноді відбувається окиснення негативних іонів, втрачаючи електрони.
Електричний струм - це основа роботи багатьох технологічних систем. Він тече провідниками, під впливом різниці потенціалів, від джерела енергії до споживача. Його рух залежить від властивостей матеріалу, в якому він тече, зовнішніх факторів, таких як температура та опір, а також від наявності замкнутого ланцюга. Підпорядковується фізичним законам, таким як закон Ома, та його визначають, наскільки ефективно енергія передається та використовується. Може переноситися і електронами в металах, і іонами в рідинах та газах. Він використовується для передачі енергії, керування пристроями та створення механічної роботи.

Таким чином, це універсальне явище, необхідне передачі енергії, виконання роботи та функціонування безлічі технічних систем.