Syarat adanya arus listrik

Untuk memulainya, mari kita jawab pertanyaan tentang apa itu arus listrik. Baterai meja sederhana tidak menghasilkan arus dengan sendirinya. Dan senter yang tergeletak di atas meja tidak akan menghasilkan arus melalui LED-nya begitu saja tanpa alasan sama sekali. Agar arus muncul, sesuatu harus mengalir di suatu tempat, setidaknya mulai bergerak, dan untuk itu sirkuit LED senter dan baterai harus ditutup. Bukan tanpa alasan, di masa lalu arus listrik diibaratkan dengan pergerakan cairan bermuatan tertentu.

Faktanya, kita sekarang tahu ini listrik — ini adalah gerakan terarah dari partikel bermuatan, dan analogi yang lebih dekat dengan kenyataan adalah gas bermuatan — gas dari partikel bermuatan yang bergerak di bawah aksi medan listrik. Tapi hal pertama yang pertama.

Arus listrik adalah gerakan terarah dari partikel bermuatan

Jadi, arus listrik adalah pergerakan partikel bermuatan, tetapi bahkan pergerakan partikel bermuatan yang kacau juga merupakan pergerakan, tetapi tetap bukan arus.Demikian pula, molekul fluida yang bergerak termal sepanjang waktu tidak menghasilkan arus karena perpindahan total seluruh volume fluida diam adalah nol.

Agar aliran fluida dapat terjadi, gerak keseluruhan harus terjadi, yaitu gerak keseluruhan molekul-molekul fluida harus diarahkan. Dengan demikian, gerakan kacau molekul akan ditambahkan ke gerakan terarah seluruh volume, dan aliran seluruh volume cairan akan terjadi.

Situasinya mirip dengan arus listrik — gerakan terarah dari partikel bermuatan listrik adalah arus listrik. Kecepatan gerakan termal partikel bermuatan, misalnya, dalam logam, diukur dalam ratusan meter per detik, tetapi dalam gerakan terarah, ketika arus tertentu diatur dalam konduktor, kecepatan gerakan umum partikel diukur dalam bagian dan satuan milimeter per detik.

Jadi, jika arus searah sama dengan 10 A mengalir dalam kawat logam dengan penampang 1 mm persegi, maka kecepatan rata-rata pergerakan elektron yang dipesan adalah dari 0,6 hingga 6 milimeter per detik. Ini sudah akan menjadi sengatan listrik. Dan gerakan elektron yang lambat ini cukup untuk membuat kawat, misalnya, nichrome, menjadi panas dengan baik, patuh Hukum Joule-Lenz.

Kecepatan partikel bukanlah kecepatan rambat medan listrik!

Perhatikan bahwa arus dimulai di kabel hampir secara instan di seluruh volume, yaitu, "gerakan" ini menyebar di sepanjang kabel dengan kecepatan cahaya, tetapi pergerakan partikel bermuatan itu sendiri 100 miliar kali lebih lambat. Anda dapat mempertimbangkan analogi pipa dengan cairan yang mengalir melaluinya.

Bergerak di sepanjang pipa sepanjang 10 meter, misalnya air.Kecepatan air hanya 1 meter per detik, tetapi alirannya tidak menyebar dengan kecepatan yang sama, tetapi jauh lebih cepat, dan kecepatan penyebaran di sini bergantung pada kepadatan cairan dan elastisitasnya. Jadi, medan listrik merambat di sepanjang kabel dengan kecepatan cahaya, dan partikel mulai bergerak 11 kali lipat lebih lambat. Lihat juga: Kecepatan arus listrik

1. Partikel bermuatan diperlukan untuk adanya arus listrik

Elektron dalam logam dan dalam ruang hampa, ion dalam larutan elektrolit — berfungsi sebagai pembawa muatan dan memastikan adanya arus dalam berbagai zat. Dalam logam, elektron sangat mobile, beberapa di antaranya dapat bergerak bebas dari atom ke atom, seperti gas yang mengisi ruang antar simpul kisi kristal.

Dalam tabung elektron, elektron meninggalkan katoda selama radiasi termionik, mengalir di bawah aksi medan listrik ke anoda. Dalam elektrolit, molekul-molekul terurai dalam air menjadi bagian bermuatan positif dan negatif dan menjadi ion pembawa muatan bebas dalam elektrolit. Artinya, di mana pun ada arus listrik, ada pembawa muatan bebas yang dapat bergerak Medan listrik… Ini adalah syarat pertama adanya arus listrik — adanya pembawa muatan bebas.

2. Syarat kedua adanya arus listrik adalah bahwa gaya luar harus bekerja pada muatan

Jika sekarang Anda melihat sebuah kabel, katakanlah itu adalah kabel tembaga, maka Anda dapat bertanya pada diri sendiri: apa yang diperlukan agar arus listrik terjadi di dalamnya? Ada partikel bermuatan, elektron, mereka bisa bergerak bebas.

Apa yang akan membuat mereka bergerak? Partikel bermuatan listrik diketahui berinteraksi dengan medan listrik. Oleh karena itu, medan listrik harus dibuat pada kawat, kemudian potensial akan muncul di setiap titik kawat, akan ada perbedaan potensial antara ujung-ujung kawat, dan elektron akan bergerak ke arah medan - di arah dari «-» ke «+», yaitu berlawanan arah dengan vektor kuat medan listrik. Medan listrik akan mempercepat elektron, meningkatkan energi (kinetik dan magnet).

Akibatnya, jika kita menganggap medan listrik hanya diterapkan secara eksternal ke kawat (kita menempatkan kawat dalam medan listrik di sepanjang garis gaya), maka elektron akan menumpuk di salah satu ujung kawat dan muatan negatif akan muncul di sana. ujung, dan karena elektron dipindahkan dari ujung kabel yang lain, maka akan ada muatan positif di atasnya.

Akibatnya, medan listrik konduktor yang diisi oleh medan listrik yang diterapkan secara eksternal akan sedemikian rupa sehingga melemahkan medan listrik eksternal dari aksinya.

Proses redistribusi muatan akan berlanjut hampir secara instan dan setelah selesai, arus di kabel akan berhenti. Medan listrik yang dihasilkan di dalam konduktor akan menjadi nol, dan gaya di ujung-ujungnya akan sama besarnya tetapi berlawanan arah dengan medan listrik yang diterapkan secara eksternal.

Jika medan listrik dalam konduktor dibuat oleh sumber arus searah, misalnya baterai, maka sumber tersebut akan menjadi sumber gaya eksternal untuk konduktor, yaitu sumber yang akan menciptakan EMF konstan dalam konduktor. dan mempertahankan beda potensial.Jelas, agar arus dipertahankan oleh sumber gaya eksternal, rangkaian harus ditutup.