S'il y a des porteurs de charge libres dans n'importe quel milieu (par exemple, des électrons dans un métal), alors ils ne sont pas au repos, mais se déplacent de manière aléatoire. Mais vous pouvez faire en sorte que les électrons se déplacent de manière ordonnée dans une direction donnée. Ce mouvement dirigé de particules chargées est appelé courant électrique.
Contenu
Comment le courant électrique est généré
Si nous prenons deux conducteurs et que l'un d'eux est chargé négativement (y ajoutant des électrons) et l'autre est chargé positivement (en retirant certains électrons), un champ électrique apparaîtra. Si vous connectez les deux électrodes avec un conducteur, le champ forcera les électrons à se déplacer dans la direction opposée du vecteur de champ électrique, conformément à la direction du vecteur de force électrique. Les particules chargées négativement se déplaceront de l'électrode où elles sont en excès vers l'électrode où elles sont déficientes.
Pour l'apparition d'un mouvement d'électrons, il n'est pas nécessaire de conférer une charge positive à la seconde électrode. L'essentiel est que la charge négative du premier soit plus élevée. Il est même possible de charger les deux conducteurs négativement, mais un conducteur doit avoir une charge supérieure à l'autre. Dans ce cas, on parle d'une différence de potentiel qui provoque un courant électrique.
Par analogie avec l'eau, si vous connectez deux récipients remplis d'eau à des niveaux différents, un jet d'eau apparaîtra. Sa pression dépendra de la différence de niveaux.
Il est intéressant de noter que le mouvement chaotique des électrons sous l'action d'un champ électrique est généralement préservé, mais le vecteur général de mouvement de la masse des porteurs de charge acquiert un caractère dirigé. Si la composante "chaotique" du mouvement a une vitesse de plusieurs dizaines voire centaines de kilomètres par seconde, alors la composante directionnelle est de plusieurs millimètres par minute. Mais l'impact (lorsque les électrons se déplacent le long du conducteur) se propage à la vitesse de la lumière, ils disent donc que le courant électrique se déplace à une vitesse de 3 * 108 m/sec.
Dans le cadre de l'expérience ci-dessus, le courant dans le conducteur n'existera pas longtemps - jusqu'à ce que les électrons en excès dans le conducteur chargé négativement soient épuisés et que leur nombre aux deux pôles ne soit pas équilibré. Ce temps est petit - des fractions de seconde insignifiantes.
Revenir à l'électrode initialement chargée négativement et créer une charge excessive sur les porteurs ne donne pas le même champ électrique qui a déplacé les électrons du moins vers le plus. Par conséquent, il doit y avoir une force externe agissant contre la force du champ électrique et la dépassant.Semblable à l'eau, il doit y avoir une pompe qui pompe l'eau vers le niveau supérieur pour créer un flux d'eau continu.
Direction actuelle
La direction de plus à moins est considérée comme la direction du courant, c'est-à-dire que la direction du mouvement des particules chargées positivement est opposée au mouvement des électrons. Cela est dû au fait que le phénomène même du courant électrique a été découvert bien avant qu'une explication de sa nature ne soit reçue, et on croyait que le courant allait dans cette direction. À cette époque, un grand nombre d'articles et d'autres documents sur ce sujet s'étaient accumulés, des concepts, des définitions et des lois étaient apparus. Afin de ne pas réviser une quantité énorme de matériel déjà publié, nous avons simplement pris le sens du courant à contre-courant des électrons.
Si le courant circule tout le temps dans une direction (même en changeant d'intensité), on l'appelle courant continu. Si sa direction change, on parle alors de courant alternatif. En pratique, la direction change selon une loi, par exemple selon une loi sinusoïdale. Si la direction du flux de courant reste inchangée, mais qu'elle tombe périodiquement à zéro et augmente jusqu'à une valeur maximale, nous parlons alors d'un courant pulsé (de différentes formes).
Conditions nécessaires pour maintenir le courant électrique dans le circuit
Trois conditions d'existence d'un courant électrique dans un circuit fermé sont dérivées ci-dessus. Ils doivent être examinés plus en détail.
Porteurs de charge gratuits
La première condition nécessaire à l'existence d'un courant électrique est la présence de porteurs de charge libres. Les charges n'existent pas séparément de leurs porteurs, il est donc nécessaire de considérer les particules qui peuvent porter une charge.
Dans les métaux et autres substances ayant un type de conductivité similaire (graphite, etc.), ce sont des électrons libres. Ils interagissent faiblement avec le noyau et peuvent quitter l'atome et se déplacer relativement librement à l'intérieur du conducteur.
Les électrons libres servent également de porteurs de charge dans les semi-conducteurs, mais dans certains cas, ils parlent de conductivité "trou" de cette classe de solides (par opposition à "électronique"). Ce concept n'est nécessaire que pour décrire les processus physiques, en fait, le courant dans les semi-conducteurs est le même mouvement d'électrons. Les matériaux dans lesquels les électrons ne peuvent pas quitter l'atome sont diélectriques. Il n'y a pas de courant en eux.
Dans les liquides, les ions positifs et négatifs portent une charge. Cela fait référence aux liquides - électrolytes. Par exemple, l'eau dans laquelle le sel est dissous. En soi, l'eau est électriquement assez neutre, mais lorsque des substances solides et liquides y pénètrent, elles se dissolvent et se dissocient (se décomposent) pour former des ions positifs et négatifs. Et dans les métaux en fusion (par exemple, dans le mercure), les porteurs de charge sont les mêmes électrons.
Les gaz sont principalement des diélectriques. Il n'y a pas d'électrons libres en eux - les gaz sont constitués d'atomes et de molécules neutres. Mais si le gaz est ionisé, ils parlent du quatrième état d'agrégation de la matière - le plasma. Un courant électrique peut également y circuler, il se produit lors du mouvement dirigé des électrons et des ions.
De plus, le courant peut circuler dans le vide (l'action, par exemple, des tubes à vide est basée sur ce principe). Cela nécessitera des électrons ou des ions.
Champ électrique
Malgré la présence de porteurs de charge libres, la plupart des supports sont électriquement neutres. Cela s'explique par le fait que les particules négatives (électrons) et positives (protons) sont situées de manière égale et que leurs champs se compensent. Pour qu'un champ surgisse, les charges doivent être concentrées dans une certaine zone. Si des électrons se sont accumulés dans la région d'une électrode (négative), il y en aura une pénurie sur l'électrode opposée (positive) et un champ apparaîtra qui créera une force agissant sur les porteurs de charge et les forçant à se déplacer.
Force d'un tiers à porter des charges
Et la troisième condition - il doit y avoir une force qui transporte les charges dans la direction opposée à la direction du champ électrostatique, sinon les charges à l'intérieur du système fermé s'équilibreront rapidement. Cette force étrangère est appelée force électromotrice. Son origine peut être différente.
Nature électrochimique
Dans ce cas, l'EMF résulte de l'apparition de réactions électrochimiques. Les réactions peuvent être irréversibles. Un exemple est une cellule galvanique - une batterie bien connue. Une fois les réactifs épuisés, l'EMF tombe à zéro et la batterie "s'assied".
Dans d'autres cas, les réactions peuvent être réversibles. Ainsi, dans une batterie, les CEM se produisent également à la suite de réactions électrochimiques. Mais une fois terminé, le processus peut être repris - sous l'influence d'un courant électrique externe, les réactions se dérouleront dans l'ordre inverse et la batterie sera à nouveau prête à fournir du courant.
caractère photovoltaïque
Dans ce cas, l'EMF est causée par l'action du rayonnement visible, ultraviolet ou infrarouge sur les processus dans les structures semi-conductrices. De telles forces surviennent dans les cellules photoélectriques ("batteries solaires").Sous l'action de la lumière, un courant électrique est généré dans le circuit extérieur.
nature thermoélectrique
Si vous prenez deux conducteurs différents, que vous les soudez et que vous chauffez la jonction, une force électromotrice apparaîtra dans le circuit en raison de la différence de température entre la jonction chaude (la jonction des conducteurs) et la jonction froide - les extrémités opposées des conducteurs. De cette façon, il est possible non seulement de générer du courant, mais aussi mesurer la température en mesurant la fem émergente.
Nature piézoélectrique
Se produit lorsque certains solides sont comprimés ou déformés. Un briquet électrique fonctionne sur ce principe.
Nature électromagnétique
Le moyen le plus courant de produire de l'électricité de manière industrielle est d'utiliser un générateur CC ou CA. Dans une machine à courant continu, une armature en forme de cadre tourne dans un champ magnétique, croisant ses lignes de force. Dans ce cas, une FEM apparaît, en fonction de la vitesse de rotation du rotor et du flux magnétique. En pratique, une ancre est utilisée à partir d'un grand nombre de spires, formant une pluralité de cadres connectés en série. Les champs électromagnétiques qui en découlent s'additionnent.
À alternateur le même principe s'applique, mais un aimant (électrique ou permanent) tourne à l'intérieur du bâti fixe. À la suite des mêmes processus dans le stator, CEM, qui a une forme sinusoïdale. À l'échelle industrielle, la génération de courant alternatif est presque toujours utilisée - il est plus facile de la convertir pour le transport et l'utilisation pratique.
Une propriété intéressante d'un générateur est la réversibilité.Cela consiste dans le fait que si une tension est appliquée aux bornes du générateur à partir d'une source externe, son rotor commencera à tourner. Cela signifie que, selon le schéma de connexion, la machine électrique peut être soit un générateur, soit un moteur électrique.
Ce ne sont là que les concepts de base d'un phénomène tel que le courant électrique. En fait, les processus qui se produisent lors du mouvement dirigé des électrons sont beaucoup plus compliqués. Pour les comprendre, une étude plus approfondie de l'électrodynamique est nécessaire.
Articles similaires :
