Kā strāva elektriskā strāva un elektroni kustas vaļu, kabeļos un metālos?

Strāvas kustība vadijos, kabeļos un metālos ir pamatfizikāls parādības, kas ietver elektronu kustību un vadīgā materiāla īpašības. Šeit ir detalizēta šī procesa izskaidrošana:

1. Brīvo elektronu koncepts

Metālos un vadīgajos materiālos ir liels skaits brīvo elektronu. Šie brīvie elektroni nav saistīti ar atomu kodolu un var brīvi kustīties materiālā. Brīvo elektronu klātbūtne ir galvenais iemesls, kāpēc metāli ir labi strāvas vedēji.

2. Ārējā elektromagnētiskā lauka efekts

Kad uz vadīgo materiālu tiek piemērots spriegums (t.i., ārējs elektromagnētiskais lauks), brīvie elektroni tiek ietekmēti ar elektromagnētisko lauku un sāk kustīties virzienā. Elektromagnētiskā lauka virziens nosaka elektronu kustības virzienu. Parasti elektromagnētiskais lauks norāda no pozitīvā kontakta uz negatīvo, un elektroni kustās pretēji, no negatīvā kontakta uz pozitīvo.

3. Elektronu virziena kustība

Elektromagnētiskā lauka ietekmē brīvie elektroni sāk kustīties virzienā, veidojot strāvu. Strāvas virzienam tiek definēts kā pozitīvā lādes kustības virzienam, kas ir pretējs faktiskajam elektronu kustības virzienam. Tātad, kad mēs sakām, ka strāva plūst no pozitīvā uz negatīvo, tas patiesībā nozīmē, ka elektroni kustās no negatīvā uz pozitīvo.

4. Interakcija ar kristālu tīklu

Savā kustībā brīvie elektroni saskaras ar materiāla kristāltīklu (atomu sakārtojumu). Šīs saskari pārstāsta elektronus, mainot to kustības virzienus un samazinot to vidējo ātrumu. Šis pārstāšanas efekts ir viens no pretestības avotiem.

5. Strāvas blīvums

Strāvas blīvums (J) ir strāva vienības priekšplatumā un to var izteikt ar formulu:

J = I/A

kur I ir strāva un A ir vedēja priekšplats.

6. Oma likums

Oma likums apraksta attiecību starp strāvu, spriegumu un pretestību:

V = IR

kur V ir spriegums, I ir strāva un R ir pretestība.

7. Vadīgu materiālu īpašības

Dažādiem vadīgiem materiāliem ir atšķirīgas vadības īpašības, kas atkarīgas no to elektroniskās struktūras un kristāltīkla struktūras. Piemēram, vaiss un sidrs ir lieliski strāvas vedēji, jo tiem ir liels skaits brīvo elektronu un zema pretestība.

8. Temperatūras efekts

Temperatūra būtiski ietekmē vadīgumu. Parasti, kā temperatūra pieaug, materiāla kristāltīkla vibrācijas pastiprinās, palielinot elektronu un kristāltīkla saskaru biežumu un radot lielāku pretestību. Tāpēc vedēju pretestība pieauga augstākās temperatūrās.

9. Supervedība

Pēc noteiktiem specifiskiem apstākļiem daži materiāli var nonākt supervedības stāvoklī, kur pretestība samazinās līdz nullei, ļaujot strāvai plūst bez jebkādas zaudējumiem. Supervedība parasti notiek ļoti zemās temperatūrās, bet nesenās pētījumos ir atklāti daži augstākās temperatūras supervedības materiāli.

Kopsavilkums

Strāvas kustība vadijos, kabeļos un metālos tiek rīkota ar brīvo elektronu virziena kustību elektromagnētiskā lauka ietekmē. Elektronu interakcijas ar materiāla kristāltīklu rada pretestību. Vadīgu materiālu īpašības, temperatūra un citi faktori visi ietekmē strāvas pārnese efektivitāti. Šo pamatprincipu sapratne palīdz labāk dizainēt un pielietot vadīgus materiālus un shēmas.