Se houver portadores de carga livre em qualquer meio (por exemplo, elétrons em um metal), eles não estão em repouso, mas se movem aleatoriamente. Mas você pode fazer os elétrons se moverem de forma ordenada em uma determinada direção. Esse movimento direcionado de partículas carregadas é chamado de corrente elétrica.
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Como a corrente elétrica é gerada
Se pegarmos dois condutores, e um deles estiver carregado negativamente (adicionando elétrons a ele), e o outro estiver carregado positivamente (retirando alguns elétrons dele), um campo elétrico surgirá. Se você conectar os dois eletrodos com um condutor, o campo forçará os elétrons a se moverem na direção oposta do vetor campo elétrico, de acordo com a direção do vetor força elétrica. Partículas carregadas negativamente se moverão do eletrodo onde estão em excesso para o eletrodo onde estão deficientes.
Para a ocorrência de movimento de elétrons, não é necessário transmitir uma carga positiva ao segundo eletrodo. O principal é que a carga negativa do primeiro é maior. É até possível carregar ambos os condutores negativamente, mas um condutor deve ter uma carga maior que o outro. Neste caso, fala-se de uma diferença de potencial que causa uma corrente elétrica.
Por analogia com a água, se você conectar dois vasos cheios de água em diferentes níveis, um fluxo de água aparecerá. Sua pressão dependerá da diferença de níveis.
É interessante que o movimento caótico dos elétrons sob a ação de um campo elétrico seja geralmente preservado, mas o vetor geral de movimento da massa dos portadores de carga adquire um caráter direcionado. Se o componente "caótico" do movimento tem uma velocidade de várias dezenas ou mesmo centenas de quilômetros por segundo, o componente direcional é de vários milímetros por minuto. Mas o impacto (quando os elétrons se movem ao longo do comprimento do condutor) se propaga na velocidade da luz, então eles dizem que a corrente elétrica se move a uma velocidade de 3 * 108 m/s.
Na estrutura do experimento acima, a corrente no condutor não existirá por muito tempo - até que o excesso de elétrons no condutor carregado negativamente se esgote e seu número em ambos os pólos não seja equilibrado. Este tempo é pequeno - frações insignificantes de segundo.
Voltar ao eletrodo inicialmente carregado negativamente e criar um excesso de carga nos transportadores não fornece o mesmo campo elétrico que moveu os elétrons de menos para mais. Portanto, deve haver uma força externa agindo contra a força do campo elétrico e superando-a.Semelhante à água, deve haver uma bomba que bombeie a água de volta ao nível superior para criar um fluxo contínuo de água.
Direção atual
A direção de mais para menos é tomada como a direção da corrente, ou seja, a direção do movimento das partículas carregadas positivamente é oposta ao movimento dos elétrons. Isso se deve ao fato de que o próprio fenômeno da corrente elétrica foi descoberto muito antes de receber uma explicação de sua natureza, e acreditava-se que a corrente seguia nessa direção. Naquela época, um grande número de artigos e outras literaturas sobre esse tema se acumularam, surgiram conceitos, definições e leis. Para não revisar uma enorme quantidade de material já publicado, simplesmente tomamos a direção da corrente contra o fluxo de elétrons.
Se a corrente flui o tempo todo em uma direção (mesmo mudando de intensidade), ela é chamada corrente direta. Se sua direção mudar, estamos falando de corrente alternada. Na aplicação prática, a direção muda de acordo com alguma lei, por exemplo, de acordo com uma senoidal. Se a direção do fluxo de corrente permanece inalterada, mas periodicamente cai para zero e aumenta para um valor máximo, estamos falando de uma corrente pulsada (de várias formas).
Condições necessárias para manter a corrente elétrica no circuito
Três condições para a existência de uma corrente elétrica em um circuito fechado são derivadas acima. Eles precisam ser considerados com mais detalhes.
Portadores de carga gratuita
A primeira condição necessária para a existência de uma corrente elétrica é a presença de portadores de carga livres. As cargas não existem separadamente de seus portadores, portanto, é necessário considerar as partículas que podem carregar uma carga.
Em metais e outras substâncias com um tipo semelhante de condutividade (grafite, etc.), estes são elétrons livres. Eles interagem fracamente com o núcleo e podem deixar o átomo e se mover relativamente sem impedimentos dentro do condutor.
Os elétrons livres também servem como portadores de carga em semicondutores, mas em alguns casos eles falam de condutividade de "buraco" dessa classe de sólidos (em oposição a "eletrônicos"). Este conceito é necessário apenas para descrever processos físicos, de fato, a corrente nos semicondutores é o mesmo movimento dos elétrons. Materiais em que os elétrons não podem deixar o átomo são dielétricos. Não há corrente neles.
Em líquidos, íons positivos e negativos carregam carga. Isso se refere a líquidos - eletrólitos. Por exemplo, a água na qual o sal é dissolvido. Por si só, a água é eletricamente bastante neutra, mas quando substâncias sólidas e líquidas entram nela, elas se dissolvem e se dissociam (decompõem-se) para formar íons positivos e negativos. E em metais fundidos (por exemplo, em mercúrio), os portadores de carga são os mesmos elétrons.
Os gases são principalmente dielétricos. Não há elétrons livres neles - os gases consistem em átomos e moléculas neutros. Mas se o gás é ionizado, eles falam do quarto estado de agregação da matéria - plasma. Uma corrente elétrica também pode fluir nele, ocorre durante o movimento direcionado de elétrons e íons.
Além disso, a corrente pode fluir no vácuo (a ação de, por exemplo, tubos de vácuo é baseada neste princípio). Isso exigirá elétrons ou íons.
Campo elétrico
Apesar da presença de portadores de carga livres, a maioria dos meios são eletricamente neutros. Isso é explicado pelo fato de que as partículas negativas (elétrons) e positivas (prótons) estão localizadas uniformemente e seus campos se compensam. Para que um campo surja, as cargas devem estar concentradas em alguma área. Se os elétrons se acumularem na região de um eletrodo (negativo), haverá uma escassez deles no eletrodo oposto (positivo), e surgirá um campo que cria uma força atuando nos portadores de carga e os forçando a se mover.
Força de terceiros para carregar encargos
E a terceira condição - deve haver uma força que carregue cargas na direção oposta à direção do campo eletrostático, caso contrário, as cargas dentro do sistema fechado se equilibrarão rapidamente. Essa força estranha é chamada de força eletromotriz. Sua origem pode ser diferente.
Natureza eletroquímica
Neste caso, a EMF surge como resultado da ocorrência de reações eletroquímicas. As reações podem ser irreversíveis. Um exemplo é uma célula galvânica - uma bateria bem conhecida. Depois que os reagentes se esgotam, o EMF cai para zero e a bateria "se senta".
Em outros casos, as reações podem ser reversíveis. Assim, em uma bateria, EMF também ocorre como resultado de reações eletroquímicas. Mas após a conclusão, o processo pode ser retomado - sob a influência de uma corrente elétrica externa, as reações ocorrerão na ordem inversa e a bateria estará novamente pronta para fornecer corrente.
natureza fotovoltaica
Neste caso, o EMF é causado pela ação da radiação visível, ultravioleta ou infravermelha nos processos em estruturas semicondutoras. Tais forças surgem nas fotocélulas (“baterias solares”).Sob a ação da luz, uma corrente elétrica é gerada no circuito externo.
natureza termoelétrica
Se você pegar dois condutores diferentes, soldá-los e aquecer a junção, um EMF aparecerá no circuito devido à diferença de temperatura entre a junção quente (a junção dos condutores) e a junção fria - as extremidades opostas dos condutores. Desta forma, é possível não só gerar corrente, mas também medir a temperatura medindo a fem emergente.
Natureza piezoelétrica
Ocorre quando certos sólidos são comprimidos ou deformados. Um isqueiro elétrico funciona neste princípio.
Natureza eletromagnética
A maneira mais comum de gerar eletricidade industrialmente é com um gerador DC ou AC. Em uma máquina DC, uma armadura em forma de quadro gira em um campo magnético, cruzando suas linhas de força. Neste caso, surge um EMF, dependendo da velocidade de rotação do rotor e do fluxo magnético. Na prática, uma âncora é usada a partir de um grande número de voltas, formando uma pluralidade de quadros conectados em série. EMF que surgem neles se somam.
NO alternador o mesmo princípio se aplica, mas um ímã (elétrico ou permanente) gira dentro do quadro fixo. Como resultado dos mesmos processos no estator, EMF, que tem formato senoidal. Em escala industrial, a geração AC é quase sempre usada - é mais fácil convertê-la para transporte e uso prático.
Uma propriedade interessante de um gerador é a reversibilidade.Consiste no fato de que, se a tensão for aplicada aos terminais do gerador de uma fonte externa, seu rotor começará a girar. Isso significa que, dependendo do esquema de conexão, a máquina elétrica pode ser um gerador ou um motor elétrico.
Estes são apenas os conceitos básicos de um fenômeno como a corrente elétrica. De fato, os processos que ocorrem durante o movimento direcionado dos elétrons são muito mais complicados. Para compreendê-los, é necessário um estudo mais profundo da eletrodinâmica.
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