เงื่อนไขของการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า
เริ่มต้นด้วยการตอบคำถามว่ากระแสไฟฟ้าคืออะไร แบตเตอรี่แบบตั้งโต๊ะทั่วไปไม่สร้างกระแสไฟด้วยตัวมันเอง และไฟฉายที่วางอยู่บนโต๊ะจะไม่สร้างกระแสไฟผ่าน LED แบบนั้นโดยไม่มีเหตุผลเลย เพื่อให้กระแสปรากฏขึ้น บางอย่างต้องไหลไปที่ไหนสักแห่ง อย่างน้อยก็ต้องเริ่มเคลื่อนที่ และเพื่อให้วงจรของไฟ LED ของไฟฉายและแบตเตอรี่ต้องปิดลง ไม่ใช่เพื่ออะไร ในสมัยก่อน กระแสไฟฟ้าถูกเปรียบเทียบกับการเคลื่อนที่ของของเหลวที่มีประจุไฟฟ้า
ในความเป็นจริงตอนนี้เรารู้สิ่งนี้แล้ว ไฟฟ้า — นี่คือการเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุ และสิ่งที่ใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากขึ้นคือก๊าซที่มีประจุ — ก๊าซของอนุภาคมีประจุที่เคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า แต่สิ่งแรกก่อน
กระแสไฟฟ้าคือการเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุ
ดังนั้น กระแสไฟฟ้าคือการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า แต่แม้แต่การเคลื่อนที่แบบโกลาหลของอนุภาคที่มีประจุก็มีการเคลื่อนที่เช่นกัน แต่ก็ยังไม่เป็นกระแสในทำนองเดียวกัน โมเลกุลของของไหลที่อยู่ในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนตลอดเวลาจะไม่สร้างกระแส เนื่องจากการกระจัดรวมของปริมาตรของของไหลทั้งหมดที่อยู่นิ่งจะเป็นศูนย์พอดี
เพื่อให้การไหลของของไหลเกิดขึ้น การเคลื่อนไหวโดยรวมจะต้องเกิดขึ้น นั่นคือ การเคลื่อนที่โดยรวมของโมเลกุลของของไหลจะต้องกลายเป็นทิศทาง ดังนั้นการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายของโมเลกุลจะถูกเพิ่มเข้าไปในการเคลื่อนที่โดยตรงของปริมาตรทั้งหมด และการไหลของปริมาตรทั้งหมดของของเหลวจะเกิดขึ้น
สถานการณ์คล้ายกับกระแสไฟฟ้า การเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าคือกระแสไฟฟ้า ความเร็วของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคที่มีประจุ เช่น ในโลหะ วัดเป็นร้อยเมตรต่อวินาที แต่ในการเคลื่อนที่แบบทิศทาง เมื่อกระแสบางอย่างถูกกำหนดในตัวนำ ความเร็วของการเคลื่อนที่ทั่วไปของอนุภาคจะวัดเป็น ส่วนและหน่วยมิลลิเมตรต่อวินาที
ดังนั้นหากกระแสตรงเท่ากับ 10 A ไหลในลวดโลหะที่มีหน้าตัด 1 ตร.มม. ความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สั่งจะอยู่ที่ 0.6 ถึง 6 มิลลิเมตรต่อวินาที นี้จะถูกไฟฟ้าช็อตแล้ว และการเคลื่อนที่ช้าๆ ของอิเล็กตรอนก็เพียงพอแล้วสำหรับลวด เช่น นิโครม เพื่อให้ความร้อนดีขึ้น เชื่อฟัง กฎของจูล-เลนซ์.
ความเร็วของอนุภาคไม่ใช่ความเร็วการแพร่กระจายของสนามไฟฟ้า!
โปรดทราบว่ากระแสเริ่มต้นในเส้นลวดเกือบจะทันทีตลอดทั้งปริมาตร นั่นคือ "การเคลื่อนไหว" นี้กระจายไปตามเส้นลวดด้วยความเร็วแสง แต่การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุนั้นช้ากว่า 100 พันล้านเท่า คุณสามารถพิจารณาความคล้ายคลึงกันของท่อที่มีของเหลวไหลผ่านได้
เคลื่อนที่ไปตามท่อยาว 10 เมตร เช่น น้ำความเร็วของน้ำเพียง 1 เมตรต่อวินาที แต่การไหลไม่ได้แพร่กระจายด้วยความเร็วเท่ากัน แต่เร็วกว่ามากและความเร็วของการแพร่กระจายขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของเหลวและความยืดหยุ่น ดังนั้นสนามไฟฟ้าจึงแพร่กระจายไปตามเส้นลวดด้วยความเร็วแสง และอนุภาคเริ่มเคลื่อนที่ช้าลง 11 ลำดับขนาด ดูสิ่งนี้ด้วย: ความเร็วของกระแสไฟฟ้า
1. อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ามีความจำเป็นต่อการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า
อิเล็กตรอนในโลหะและในสุญญากาศ ไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ — ทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุและทำให้แน่ใจว่ามีกระแสอยู่ในสารต่างๆ ในโลหะ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้มาก บางตัวสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง เหมือนกับก๊าซที่เติมช่องว่างระหว่างโหนดของผลึกขัดแตะ
ในหลอดอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะออกจากแคโทดระหว่างการแผ่รังสีความร้อน ซึ่งวิ่งภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าไปยังแอโนด ในอิเล็กโทรไลต์ โมเลกุลจะแตกตัวในน้ำเป็นส่วนที่มีประจุบวกและประจุลบ และกลายเป็นไอออนพาหะที่ไม่มีประจุในอิเล็กโทรไลต์ นั่นคือ ทุกที่ที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่ จะมีตัวพาประจุอิสระที่สามารถเคลื่อนที่ได้ สนามไฟฟ้า… นี่เป็นเงื่อนไขแรกสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า — การมีตัวพาประจุไฟฟ้าฟรี
2. เงื่อนไขที่สองสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าคือแรงภายนอกจะต้องกระทำกับประจุ
ถ้าตอนนี้คุณดูที่สายไฟ สมมติว่าเป็นลวดทองแดง คุณลองถามตัวเองว่า ต้องใช้อะไรบ้างจึงจะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นในลวดนั้น มีอนุภาคมีประจุ อิเล็กตรอน สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ
อะไรจะทำให้พวกเขาเคลื่อนไหว? เป็นที่ทราบกันดีว่าอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ามีปฏิสัมพันธ์กับสนามไฟฟ้า ดังนั้นจึงต้องสร้างสนามไฟฟ้าในเส้นลวด จากนั้นจึงเกิดศักย์ขึ้นที่แต่ละจุดของเส้นลวด ความต่างศักย์ระหว่างปลายเส้นลวดจะมีความต่างศักย์ และอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของสนาม — ใน ทิศทางจาก «-» ถึง «+» ซึ่งอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามกับเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า สนามไฟฟ้าจะเร่งอิเล็กตรอน เพิ่มพลังงาน (จลน์และแม่เหล็ก) ของพวกมัน
ผลที่ตามมา หากเราพิจารณาสนามไฟฟ้าเพียงแค่ใช้ภายนอกกับเส้นลวด (เราวางเส้นลวดในสนามไฟฟ้าตามแนวแรง) จากนั้นอิเล็กตรอนจะสะสมที่ปลายด้านหนึ่งของเส้นลวดและประจุลบจะปรากฏขึ้นที่จุดนั้น และเนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากปลายอีกด้านของเส้นลวด ก็จะมีประจุบวกอยู่บนนั้น
เป็นผลให้สนามไฟฟ้าของตัวนำที่ถูกประจุโดยสนามไฟฟ้าภายนอกจะอยู่ในทิศทางที่ทำให้สนามไฟฟ้าภายนอกอ่อนลงจากการกระทำของมัน
กระบวนการกระจายประจุใหม่จะดำเนินต่อไปเกือบจะในทันทีและหลังจากเสร็จสิ้น กระแสในสายไฟจะหยุดลง สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในตัวนำจะกลายเป็นศูนย์ และแรงที่ปลายจะมีขนาดเท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้ามกับสนามไฟฟ้าที่กระทำภายนอก
ถ้าสนามไฟฟ้าในตัวนำถูกสร้างขึ้นโดยแหล่งไฟฟ้ากระแสตรง เช่น แบตเตอรี่ แหล่งดังกล่าวจะกลายเป็นแหล่งพลังงานภายนอกสำหรับตัวนำ นั่นคือ แหล่งที่จะสร้าง EMF คงที่ในตัวนำ และรักษาความต่างศักย์เห็นได้ชัดว่าเพื่อให้กระแสถูกรักษาโดยแหล่งแรงภายนอก วงจรจะต้องปิด