Uvjeti za postojanje električne struje
Za početak, odgovorimo na pitanje što je električna struja. Jednostavna stolna baterija ne stvara struju sama. A svjetiljka koja leži na stolu neće samo tako stvarati struju kroz svoje LED diode bez ikakvog razloga. Da bi se pojavila struja, nešto mora negdje poteći, barem se pokrenuti, a za to se mora zatvoriti strujni krug LED svjetiljke i baterije. Ne uzalud, u stara vremena električna struja se uspoređivala s kretanjem određene nabijene tekućine.
Zapravo, sada to znamo struja — to je usmjereno kretanje nabijenih čestica, a taj bliži analog stvarnosti bio bi nabijeni plin — plin nabijenih čestica koje se kreću pod djelovanjem električnog polja. Ali prvo o svemu.
Električna struja je usmjereno kretanje nabijenih čestica
Dakle, električna struja je kretanje nabijenih čestica, ali i kaotično kretanje nabijenih čestica također je kretanje, ali još uvijek nije struja.Isto tako, molekule tekućine koje su cijelo vrijeme u toplinskom gibanju ne stvaraju struje jer je ukupni pomak cijelog volumena tekućine u mirovanju jednak nuli.
Da bi došlo do strujanja fluida, mora se dogoditi ukupno gibanje, to jest, ukupno gibanje molekula fluida mora postati usmjereno. Tako će se usmjerenom kretanju cijelog volumena dodati kaotično kretanje molekula i doći će do strujanja cijelog volumena tekućine.
Slična je situacija i s električnom strujom — usmjereno kretanje električki nabijenih čestica je električna struja. Brzina toplinskog kretanja nabijenih čestica, na primjer, u metalu, mjeri se stotinama metara u sekundi, ali kod usmjerenog kretanja, kada se u vodiču postavi određena struja, brzina općeg kretanja čestica mjeri se u dijelovi i jedinice milimetara u sekundi.
Dakle, ako istosmjerna struja jednaka 10 A teče u metalnoj žici s presjekom od 1 sq. Mm, tada će prosječna brzina uređenog kretanja elektrona biti od 0,6 do 6 milimetara u sekundi. Ovo će već biti strujni udar. I ovo sporo kretanje elektrona dovoljno je da se žica, na primjer, od nikroma, dobro zagrije, poštujući Joule-Lenzov zakon.
Brzina čestice nije brzina širenja električnog polja!
Imajte na umu da struja počinje u žici gotovo trenutno po cijelom volumenu, odnosno to "kretanje" se širi duž žice brzinom svjetlosti, ali je kretanje samih nabijenih čestica 100 milijardi puta sporije. Možete razmotriti analogiju cijevi kroz koju teče tekućina.
Kretanje duž cijevi duge 10 metara, na primjer vode.Brzina vode je samo 1 metar u sekundi, ali tok se ne širi istom brzinom, već puno brže, a brzina širenja ovdje ovisi o gustoći tekućine i njezinoj elastičnosti. Dakle, električno polje se širi duž žice brzinom svjetlosti, a čestice se počinju kretati 11 redova veličine sporije. Vidi također: Brzina električne struje
1. Za postojanje električne struje nužne su nabijene čestice
Elektroni u metalima i vakuumu, ioni u otopinama elektrolita — služe kao nositelji naboja i osiguravaju prisutnost struje u različitim tvarima. U metalima su elektroni vrlo mobilni, neki od njih mogu se slobodno kretati od atoma do atoma, poput plina koji ispunjava prostor između čvorova kristalne rešetke.
U elektronskim cijevima, elektroni napuštaju katodu tijekom termionskog zračenja, jureći pod djelovanjem električnog polja prema anodi. U elektrolitima se molekule u vodi raspadaju na pozitivno i negativno nabijene dijelove i postaju slobodni ioni nositelji naboja u elektrolitima. To jest, gdje god može postojati električna struja, postoje slobodni nositelji naboja koji se mogu kretati električno polje… Ovo je prvi uvjet za postojanje električne struje — prisutnost slobodnih nositelja naboja.
2. Drugi uvjet za postojanje električne struje je da na naboj moraju djelovati vanjske sile
Ako sada pogledate žicu, recimo da je to bakrena žica, onda se možete zapitati: što je potrebno da se u njoj pojavi električna struja? Postoje nabijene čestice, elektroni, oni se mogu slobodno kretati.
Što će ih pokrenuti? Poznato je da električki nabijena čestica stupa u interakciju s električnim poljem. Dakle, u žici se mora stvoriti električno polje, tada će se na svakoj točki žice pojaviti potencijal, između krajeva žice bit će razlika potencijala, a elektroni će se kretati u smjeru polja — u smjer od «-» do «+», odnosno u smjeru suprotnom od vektora jakosti električnog polja. Električno polje će ubrzati elektrone, povećavajući njihovu (kinetičku i magnetsku) energiju.
Kao rezultat toga, ako uzmemo u obzir električno polje jednostavno izvana primijenjeno na žicu (postavili smo žicu u električno polje duž linija sile), tada će se elektroni akumulirati na jednom kraju žice i na tom će se mjestu pojaviti negativni naboj kraja, a budući da se elektroni pomiču s drugog kraja žice, tada će na njemu biti pozitivan naboj.
Kao rezultat toga, električno polje vodiča nabijenog vanjskim električnim poljem bit će u takvom smjeru da oslabi vanjsko električno polje svojim djelovanjem.
Proces preraspodjele naboja nastavit će se gotovo trenutno i nakon njegovog završetka struja u žici će prestati. Rezultirajuće električno polje unutar vodiča postat će nula, a sila na krajevima bit će jednaka po veličini, ali suprotnog smjera električnom polju primijenjenom izvana.
Ako električno polje u vodiču stvara izvor istosmjerne struje, na primjer baterija, tada će takav izvor postati izvor vanjskih sila za vodič, odnosno izvor koji će stvarati stalnu EMF u vodiču. i održavati razliku potencijala.Očito, kako bi se struja održavala vanjskim izvorom sile, krug mora biti zatvoren.