У некоторых атомов может быть много электронов, а у некоторых только один. Например, атом водорода. У него всего один электрон.
Давайте поиграем в игру! Представьте, что пастух - это ядро, а атомы - это овцы. Овцы всегда находятся рядом с пастухом. Пастух должен нести ответственность за своих овец.
То же самое можно сказать о ядре и электронах вокруг ядра. Электроны всегда находятся рядом с ядром. И, как я упоминал ранее, в некоторых химических элементах на одного пастуха приходится только одна овца (атом водорода), но есть и атомы металла, которые имеют много электронов (много овец).
Есть одна проблема. Пастуху трудно уследить за всеми овцами, если их много. Если овца находится далеко от пастуха, у нее есть все шансы вырваться из стада и стать свободной. В атомах все происходит точно так же. Чем дальше электрон находится от ядра, тем меньше он зависит от ядра. Она отрывается от ядра и становится абсолютно свободной. Электроны, которые не связаны внутри атома и могут свободно перемещаться, называются свободными электронами.
Свободные электроны
Давайте рассмотрим рисунок атома алюминия.
В центре красным цветом обозначено ядро, а зеленым - электроны. Как вы, возможно, заметили, атом алюминия имеет три орбитали и 13 электронов. На первой орбите находятся 2 электрона, на второй орбите - 8 электронов, а на третьей орбите - 3 электрона. Электроны на первой орбите притягиваются к ядру сильнее, чем электроны на третьей орбите. Электроны с третьей орбиты могут покидать атом, потому что сила притяжения ядра для них самая слабая. Они покидают атом и становятся свободными. Эти электроны мы называем свободными электронами.
Давайте взглянем на проводник. В нашем случае пусть это будет алюминиевый проводник.
Здесь мы можем видеть свободные электроны (зеленый) и атомные ядра (красный). Движение свободных электронов беспорядочно.
Электрический ток
Электрический ток возникает, когда свободные электроны движутся в одном направлении. На картинке это будет выглядеть так:
Это можно сравнить с убегающими овцами, движущимися в одном и том же направлении.
Чтобы лучше понять электрический ток, давайте сравним его с гидравликой. Давайте представим, что свободные электроны - это молекулы воды (синий). Они находятся в садовом шланге, и вода никуда не течет. Молекулы воды находятся в микродвижении, но мы можем сказать, что для нас они неподвижны.
Наступил вечер, и вы решили полить цветы. Что происходит с водой в садовом шланге? Да, она начнет вытекать из шланга.
Следовательно, мы увидим такую картинку:
То же самое происходит в проводах, когда по ним начинает течь электрический ток. Только вместо молекул воды будет движение свободных электронов.
Условия для возникновения электрического тока
Как нам удалось заставить молекулы воды течь в одном направлении? Мы открыли кран, и вода потекла по садовому шлангу, верно? Но откуда берется давление, которое выталкивает воду через шланг? Это давление создается водяными насосами и водонапорной башней.
Водяной насос закачивает воду в водонапорную башню. Затем вода из водонапорной башни поступает в дома, где вы можете использовать ее для своих нужд.
Если водяной насос не работает, колонка через некоторое время опустеет. Поэтому важное условие того, чтобы вода всегда могла поступать в дом – работающий водяной насос.
То же самое относится и к электрическому току. У нас также должен быть какой-то насос, который может приводить в движение свободные электроны и толкать их в том же направлении. Его называют источник ЭДС.
Условия для возникновения электрического тока
Итак, какие условия должны быть выполнены, чтобы электрический ток протекал по проводнику:
- В веществе должно быть много свободных электронов. В основном это металлы (медь, алюминий, серебро, золото, железо, ртуть и многие другие).
- Мы должны заставить свободные электроны двигаться в одном направлении
- Сделайте так, чтобы сила, которая будет выталкивать свободные электроны, никогда не иссякала
- Убедитесь, что проводник не разорвался от чрезмерного потока электронов
Типы электрического тока
Существует два типа электрического тока
- Постоянный ток (Permanent Current)
- Переменный ток (AC Current)
Иногда постоянный ток называют постоянным напряжением. То же самое относится и к переменному току. Переменный ток = переменное напряжение.
Давайте рассмотрим их более подробно.
Постоянный ток
Все просто. Когда свободные электроны всегда движутся только в одном направлении и не меняют своего направления во времени, этот ток называется постоянным током (DC current). Иногда его называют постоянным напряжением.
Его осциллограмма будет выглядеть следующим образом:
U – напряжение, Вольты
t – время, секунды
Как вы можете видеть на графике, наше напряжение всегда постоянное и не меняется.
Постоянный ток дает все виды аккумуляторов и перезаряжаемых батареек
Адаптеры переменного тока в постоянный выглядят так:
Это простые блоки питания, которые берут питание из вашей розетки и преобразуют их в постоянное напряжение определенной величины. Еще их также называют AC-DC преобразователями.
и лабораторный блок питания, тоже относится к AC-DC преобразователям.
Давайте посмотрим на осциллограмму батареи. У меня есть фонарик. Внутри него есть батарейка. Снимем осциллограмму с батарейки:
Как вы можете видеть, это осциллограмма постоянного тока.
Переменный ток
Все любят качаться на качелях
Сначала ты летишь в одном направлении, потом тормозишь, а потом летишь обратно, и весь процесс повторяется. Незабываемое ощущение!
Давайте посмотрим на маятник, который сделан из конуса. Вершина конуса срезана, а в конусе песок. Если вы покачаете маятник, то увидите, что он формирует синусоидальную волну.
Переменный ток ведет себя точно так же. Сначала электроны движутся в одну сторону, затем движение затухает, и электроны начинают двигаться в другую сторону. А затем это движение затухает, и получается совсем как на качелях.
Давайте представим поршень, выталкивающий воду в замкнутой системе. Поршень движется вперед-назад.
Это означает, что молекулы воды будут двигаться сначала в одном направлении, а затем в другом.
Для переменного тока это будет выглядеть следующим образом:
Осциллограмма переменного тока представляет собой синусоидальную волну и выглядит следующим образом:
Это вид переменного электрического тока, который поступает в наши дома. Вы можете увидеть это с помощью осциллографа.
Чтобы понять различия, вот картинка
