Điều kiện tồn tại dòng điện

Để bắt đầu, chúng ta hãy trả lời câu hỏi dòng điện là gì. Pin để bàn đơn giản không tự tạo ra dòng điện. Và một chiếc đèn pin nằm trên bàn sẽ không tạo ra dòng điện qua đèn LED của nó mà không có lý do gì cả. Để dòng điện xuất hiện, một thứ gì đó phải chạy ở đâu đó, ít nhất là bắt đầu chuyển động và để mạch đèn LED của đèn pin và pin phải đóng lại. Không phải vô cớ, ngày xưa dòng điện được so sánh với chuyển động của một chất lỏng tích điện nhất định.

Trên thực tế, bây giờ chúng ta biết điều này điện — đây là chuyển động có hướng của các hạt tích điện, và một chất tương tự gần với thực tế hơn sẽ là chất khí tích điện — chất khí gồm các hạt tích điện chuyển động dưới tác dụng của điện trường. Nhưng điều đầu tiên trước tiên.

Dòng điện là dòng chuyển động có hướng của các hạt mang điện

Vậy, dòng điện là chuyển động của các hạt mang điện, nhưng ngay cả chuyển động hỗn loạn của các hạt mang điện cũng là chuyển động, nhưng vẫn không phải là dòng điện.Tương tự như vậy, các phân tử chất lỏng luôn chuyển động nhiệt không tạo ra dòng điện vì tổng độ dịch chuyển của toàn bộ thể tích chất lỏng ở trạng thái nghỉ bằng không.

Để dòng chất lỏng xảy ra, chuyển động tổng thể phải xảy ra, nghĩa là chuyển động tổng thể của các phân tử chất lỏng phải có hướng. Do đó, chuyển động hỗn loạn của các phân tử sẽ được thêm vào chuyển động có hướng của toàn bộ thể tích, và một dòng chảy của toàn bộ thể tích chất lỏng sẽ xảy ra.

Tình huống tương tự với dòng điện - chuyển động có hướng của các hạt tích điện là dòng điện. Tốc độ chuyển động nhiệt của các hạt tích điện, ví dụ, trong kim loại, được đo bằng hàng trăm mét mỗi giây, nhưng trong chuyển động có hướng, khi một dòng điện nhất định được đặt trong dây dẫn, tốc độ chuyển động chung của các hạt được đo bằng phần và đơn vị milimét trên giây.

Vì vậy, nếu một dòng điện một chiều bằng 10 A chạy trong một dây kim loại có tiết diện 1 mét vuông Mm, thì tốc độ trung bình của chuyển động có trật tự của các electron sẽ là từ 0,6 đến 6 mm mỗi giây. Đây sẽ là một cú sốc điện. Và chuyển động chậm này của các electron là đủ để một sợi dây, chẳng hạn như nichrom, nóng lên tốt, tuân theo Định luật Joule-Lenz.

Vận tốc hạt không phải là vận tốc lan truyền của điện trường!

Lưu ý rằng dòng điện bắt đầu trong dây gần như tức thời trong toàn bộ thể tích, nghĩa là "chuyển động" này lan truyền dọc theo dây với tốc độ ánh sáng, nhưng bản thân chuyển động của các hạt tích điện chậm hơn 100 tỷ lần. Bạn có thể xem xét sự tương tự của một đường ống với chất lỏng chảy qua nó.

Di chuyển dọc theo một đường ống dài 10 mét, ví dụ như nước.Tốc độ của nước chỉ là 1 mét mỗi giây, nhưng dòng chảy không lan truyền với tốc độ tương tự mà nhanh hơn nhiều và tốc độ lan truyền ở đây phụ thuộc vào mật độ của chất lỏng và tính đàn hồi của nó. Do đó, điện trường truyền dọc theo dây dẫn với tốc độ ánh sáng, và các hạt bắt đầu chuyển động chậm hơn 11 bậc độ lớn. Xem thêm: Tốc độ dòng điện

1. Hạt mang điện cần thiết cho sự tồn tại của dòng điện

Các electron trong kim loại và trong chân không, các ion trong dung dịch điện phân - đóng vai trò là chất mang điện tích và đảm bảo sự có mặt của dòng điện trong các chất khác nhau. Trong kim loại, các electron rất linh động, một số có thể chuyển động tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, giống như chất khí lấp đầy khoảng trống giữa các nút của mạng tinh thể.

Trong các ống điện tử, các electron rời khỏi cực âm trong quá trình bức xạ nhiệt, lao tới cực dương dưới tác dụng của điện trường. Trong chất điện phân, các phân tử trong nước bị phân hủy thành các phần mang điện tích dương và âm và trở thành các ion mang điện tự do trong chất điện phân. Nghĩa là, ở đâu có dòng điện thì ở đó có các hạt tải điện tự do có thể di chuyển điện trường… Đây là điều kiện đầu tiên cho sự tồn tại của dòng điện — sự có mặt của các hạt tải điện tự do.

2. Điều kiện thứ hai để có dòng điện tồn tại là phải có ngoại lực tác dụng lên điện tích

Nếu bây giờ bạn nhìn vào một sợi dây, giả sử đó là một sợi dây đồng, thì bạn có thể tự hỏi: điều gì làm cho dòng điện xuất hiện trong đó? Có các hạt mang điện, các electron, chúng có khả năng chuyển động tự do.

Điều gì sẽ làm cho họ di chuyển? Một hạt tích điện được biết là tương tác với điện trường. Do đó, một điện trường phải được tạo ra trong dây dẫn, sau đó một điện thế sẽ phát sinh tại mỗi điểm của dây dẫn, sẽ có sự chênh lệch điện thế giữa các đầu của dây dẫn và các electron sẽ chuyển động theo hướng của trường — trong hướng từ «-» đến «+», tức là ngược hướng với vectơ cường độ điện trường. Điện trường sẽ tăng tốc các electron, làm tăng năng lượng (động năng và từ tính) của chúng.

Kết quả là, nếu chúng ta chỉ xem xét một điện trường đặt bên ngoài dây dẫn (chúng ta đặt dây dẫn trong một điện trường dọc theo các đường sức), thì các electron sẽ tích tụ ở một đầu của dây dẫn và một điện tích âm sẽ xuất hiện ở đầu đó. và vì các electron được di chuyển từ đầu kia của dây dẫn nên sẽ có một điện tích dương trên nó.

Kết quả là, điện trường của một dây dẫn được tích điện bởi điện trường đặt bên ngoài sẽ theo hướng làm yếu điện trường bên ngoài khỏi tác dụng của nó.

Quá trình phân phối lại điện tích sẽ tiếp tục gần như ngay lập tức và sau khi hoàn thành, dòng điện trong dây sẽ dừng lại. Điện trường thu được bên trong dây dẫn sẽ bằng không và lực ở hai đầu dây dẫn sẽ có độ lớn bằng nhau nhưng ngược hướng với điện trường đặt bên ngoài.

Nếu điện trường trong dây dẫn được tạo ra bởi nguồn điện một chiều, chẳng hạn như pin, thì nguồn đó sẽ trở thành nguồn ngoại lực cho dây dẫn, nghĩa là nguồn sẽ tạo ra EMF không đổi trong dây dẫn và duy trì sự khác biệt tiềm năng.Rõ ràng, để dòng điện được duy trì bởi một nguồn lực bên ngoài, mạch điện phải được đóng lại.