Et stort utvalg av fysiske fenomener, både mikroskopiske og makroskopiske, er av elektromagnetisk natur. Disse inkluderer friksjons- og elastisitetskrefter, alle kjemiske prosesser, elektrisitet, magnetisme, optikk.
En av slike manifestasjoner av elektromagnetisk interaksjon er den ordnede bevegelsen av ladede partikler. Det er et helt nødvendig element i nesten all moderne teknologi som brukes på ulike felt – fra organiseringen av livet vårt til romflyvninger.
Generelt konsept for fenomenet
Den ordnede bevegelsen av ladede partikler kalles elektrisk strøm. En slik bevegelse av ladninger kan utføres i forskjellige medier ved hjelp av visse partikler, noen ganger kvasipartikler.
En forutsetning for dagens ernøyaktig ryddig, rettet bevegelse. Ladede partikler er gjenstander som (så vel som nøytrale) har termisk kaotisk bevegelse. Strømmen oppstår imidlertid bare når det, på bakgrunn av denne kontinuerlige kaotiske prosessen, er en generell bevegelse av ladninger i en eller annen retning.
Når et legeme beveger seg, elektrisk nøytr alt som helhet, beveger partiklene i dets atomer og molekyler seg selvfølgelig i en retning, men siden motsatte ladninger i et nøytr alt objekt kompenserer hverandre, er det ingen ladningsoverføring, og vi kan snakke om at strømmen ikke gir mening i dette tilfellet heller.
Hvordan strømmen genereres
Tenk på den enkleste versjonen av likestrømseksitasjon. Hvis et elektrisk felt påføres et medium der ladningsbærere er tilstede i det generelle tilfellet, vil en ordnet bevegelse av ladede partikler begynne i det. Fenomenet kalles ladningsdrift.
Det kan kort beskrives som følger. På forskjellige punkter i feltet oppstår en potensiell forskjell (spenning), det vil si at energien til samspillet mellom elektriske ladninger som befinner seg på disse punktene med feltet, relatert til størrelsen på disse ladningene, vil være forskjellig. Siden ethvert fysisk system, som kjent, har en tendens til et minimum av potensiell energi som tilsvarer likevektstilstanden, vil ladede partikler begynne å bevege seg mot utjevning av potensialer. Med andre ord, feltet gjør en del arbeid for å flytte disse partiklene.
Når potensialene utjevnes, forsvinner spenningenelektrisk felt - det forsvinner. Samtidig stopper også den bestilte bevegelsen av ladede partikler, strømmen. For å oppnå et stasjonært, det vil si tidsuavhengig felt, er det nødvendig å bruke en strømkilde der ladninger, på grunn av frigjøring av energi i visse prosesser (for eksempel kjemisk), kontinuerlig separeres og mates til poler, opprettholder eksistensen av et elektrisk felt.
Current kan fås på forskjellige måter. Så en endring i magnetfeltet påvirker ladningene i den ledende kretsen som er introdusert i den og forårsaker deres rettede bevegelse. En slik strøm kalles induktiv.
Kvantitative egenskaper for gjeldende
Hovedparameteren som strømmen beskrives kvantitativt med, er styrken til strømmen (noen ganger sier de "verdi" eller ganske enkelt "strøm"). Det er definert som mengden elektrisitet (mengden ladning eller antall elementære ladninger) som passerer per tidsenhet gjennom en bestemt overflate, vanligvis gjennom tverrsnittet til en leder: I=Q / t. Strømmen måles i ampere: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb per sekund). I delen av den elektriske kretsen er strømstyrken direkte relatert til potensialforskjellen og omvendt - til motstanden til lederen: I \u003d U / R. For en komplett krets uttrykkes denne avhengigheten (Ohms lov) som I=Ԑ/R+r, hvor Ԑ er den elektromotoriske kraften til kilden og r er dens indre motstand.
Forholdet mellom strømstyrken og tverrsnittet til lederen som den ordnede bevegelsen av ladede partikler skjer gjennom, kalles strømtettheten: j=I/S=Q/St. Denne verdien karakteriserer mengden elektrisitet som strømmer per tidsenhet gjennom en enhetsareal. Jo høyere feltstyrke E og den elektriske ledningsevnen til mediet σ, desto større er strømtettheten: j=σ∙E. I motsetning til strømstyrken er denne størrelsen vektor, og har en retning langs bevegelsen av partikler som har en positiv ladning.
Gjeldende retning og driftretning
I et elektrisk felt vil gjenstander som bærer en ladning, under påvirkning av Coulomb-krefter, foreta en ordnet bevegelse til polen til strømkilden, motsatt i tegn på ladning. Positivt ladede partikler driver mot den negative polen ("minus"), og omvendt tiltrekkes frie negative ladninger til "pluss" til kilden. Partikler kan også bevege seg i to motsatte retninger samtidig hvis det er ladningsbærere av begge fortegn i det ledende mediet.
Av historiske årsaker er det generelt akseptert at strømmen styres slik positive ladninger beveger seg - fra "pluss" til "minus". For å unngå forvirring, bør det huskes at selv om i det mest kjente tilfellet med strøm i metallledere, skjer den virkelige bevegelsen av partikler - elektroner - selvfølgelig i motsatt retning, denne betingede regelen gjelder alltid.
Gjeldende forplantning og drifthastighet
Ofte er det problemer med å forstå hvor raskt strømmen beveger seg. To forskjellige konsepter bør ikke forveksles: hastigheten på utbredelse av strøm (elektrisksignal) og drifthastigheten til partikler - ladningsbærere. Den første er hastigheten som den elektromagnetiske interaksjonen overføres med eller - som er den samme - feltet forplanter seg. Den er nær (med tanke på forplantningsmediet) lyshastigheten i vakuum og er nesten 300 000 km/s.
Partikler gjør sin ordnede bevegelse veldig sakte (10-4–10-3 m/s). Driftshastigheten avhenger av intensiteten som det påførte elektriske feltet virker på dem, men i alle tilfeller er den flere størrelsesordener lavere enn hastigheten til termisk tilfeldig bevegelse av partikler (105 –106m/s). Det er viktig å forstå at under påvirkning av feltet begynner den samtidige driften av alle gratis ladninger, så strømmen vises umiddelbart i hele lederen.
Typer av gjeldende
For det første kjennetegnes strømmer av oppførselen til ladebærere over tid.
- En konstant strøm er en strøm som ikke endrer verken størrelsen (styrken) eller retningen på partikkelbevegelsen. Dette er den enkleste måten å flytte ladede partikler på, og det er alltid begynnelsen på studiet av elektrisk strøm.
- I vekselstrøm endres disse parameterne med tiden. Dens generering er basert på fenomenet elektromagnetisk induksjon som oppstår i en lukket krets på grunn av en endring (rotasjon) av magnetfeltet. Det elektriske feltet reverserer i dette tilfellet periodisk intensitetsvektoren. Følgelig endres tegnene til potensialene, og verdien deres går fra "pluss" til "minus" alle mellomverdier, inkludert null. Som et resultatfenomenet endrer den ordnede bevegelsen av ladede partikler retning hele tiden. Størrelsen på en slik strøm svinger (vanligvis sinusformet, det vil si harmonisk) fra et maksimum til et minimum. Vekselstrøm har en så viktig karakteristikk av hastigheten til disse svingningene som frekvens - antall komplette endringssykluser per sekund.
I tillegg til denne viktigste klassifiseringen, kan forskjeller mellom strømmer også gjøres etter et slikt kriterium som arten av bevegelsen av ladningsbærere i forhold til mediet som strømmen forplanter seg i.
ledningsstrømmer
Det mest kjente eksemplet på en strøm er den ordnede, styrte bevegelsen av ladede partikler under påvirkning av et elektrisk felt inne i en kropp (medium). Det kalles ledningsstrøm.
I faste stoffer (metaller, grafitt, mange komplekse materialer) og noen væsker (kvikksølv og andre metallsmelter), er elektroner mobilladede partikler. En ordnet bevegelse i en leder er deres drift i forhold til atomene eller molekylene til et stoff. Konduktivitet av denne typen kalles elektronisk. I halvledere skjer ladningsoverføring også på grunn av elektronenes bevegelse, men av flere grunner er det praktisk å bruke begrepet et hull for å beskrive strømmen - en positiv kvasipartikkel, som er en ledig elektron i bevegelse.
I elektrolytiske løsninger utføres strømmen på grunn av at de negative og positive ionene beveger seg til forskjellige poler - anoden og katoden, som er en del av løsningen.
Overfør strømmer
Gass - under normale forhold et dielektrikum - kan også bli en leder hvis den utsettes for en tilstrekkelig sterk ionisering. Gass elektrisk ledningsevne er blandet. En ionisert gass er allerede et plasma der både elektroner og ioner, det vil si alle ladede partikler, beveger seg. Deres ordnede bevegelse danner en plasmakanal og kalles en gassutladning.
Reget bevegelse av ladninger kan ikke bare forekomme i miljøet. Anta at en stråle av elektroner eller ioner beveger seg i vakuum, som sendes ut fra en positiv eller negativ elektrode. Dette fenomenet kalles elektronemisjon og er mye brukt, for eksempel i vakuumapparater. Selvfølgelig er denne bevegelsen en strøm.
Et annet tilfelle er bevegelsen til en elektrisk ladet makroskopisk kropp. Dette er også en aktuell, siden en slik situasjon tilfredsstiller betingelsen om rettet avgiftsoverføring.
Alle eksemplene ovenfor bør betraktes som en ordnet bevegelse av ladede partikler. Denne strømmen kalles konveksjon eller overføringsstrøm. Dens egenskaper, for eksempel magnetiske, er fullstendig like egenskapene til ledningsstrømmer.
Bias gjeldende
Det er et fenomen som ikke har noe med ladningsoverføring å gjøre og oppstår der det er et tidsvarierende elektrisk felt som har egenskapen til "ekte" ledning eller overføringsstrømmer: det eksiterer et vekslende magnetfelt. Dette erforekommer for eksempel i vekselstrømkretser mellom kondensatorplatene. Fenomenet er ledsaget av overføring av energi og kalles forskyvningsstrøm.
Faktisk viser denne verdien hvor raskt den elektriske feltinduksjonen endres på en bestemt overflate vinkelrett på retningen til dens vektor. Konseptet med elektrisk induksjon inkluderer feltstyrke og polarisasjonsvektorer. I et vakuum er det kun spenning som tas i betraktning. Når det gjelder elektromagnetiske prosesser i materie, gir polariseringen av molekyler eller atomer, der, når de utsettes for et felt, bevegelsen av bundne (ikke frie!) ladninger finner sted, et visst bidrag til forskyvningsstrømmen i et dielektrikum eller en leder.
Navnet oppsto på 1800-tallet og er betinget, siden en ekte elektrisk strøm er en ordnet bevegelse av ladede partikler. Forskyvningsstrøm har ingenting med ladningsdrift å gjøre. Derfor er det strengt tatt ikke en strøm.
Manifestasjoner (handlinger) av gjeldende
Ordert bevegelse av ladede partikler er alltid ledsaget av visse fysiske fenomener, som faktisk kan brukes til å bedømme om denne prosessen finner sted eller ikke. Det er mulig å dele slike fenomener (aktuelle handlinger) inn i tre hovedgrupper:
- Magnetisk handling. En elektrisk ladning i bevegelse skaper nødvendigvis et magnetfelt. Hvis du plasserer et kompass ved siden av en leder som det går strøm gjennom, vil pilen dreie vinkelrett på retningen til denne strømmen. Basert på dette fenomenet fungerer elektromagnetiske enheter, slik at de for eksempel kan konvertere elektrisk energitil mekanisk.
- Termisk effekt. Strømmen jobber for å overvinne motstanden til lederen, noe som resulterer i frigjøring av termisk energi. Dette er fordi ladede partikler under driften opplever spredning på elementene i krystallgitteret eller ledermolekylene og gir dem kinetisk energi. Hvis gitteret til for eksempel et metall var helt regelmessig, ville elektronene praktisk t alt ikke lagt merke til det (dette er en konsekvens av bølgenaturen til partiklene). For det første er imidlertid atomene i selve gitterstedene utsatt for termiske vibrasjoner som bryter med regelmessigheten, og for det andre påvirker gitterdefekter - urenhetsatomer, dislokasjoner, ledige plasser - også bevegelsen av elektroner.
- Kjemisk virkning observeres i elektrolytter. Motsatt ladede ioner, som den elektrolytiske løsningen dissosieres inn i, når et elektrisk felt påføres, separeres til motsatte elektroder, noe som fører til kjemisk nedbrytning av elektrolytten.
Bortsett fra når den ordnede bevegelsen til ladede partikler er gjenstand for vitenskapelig forskning, interesserer den en person i dens makroskopiske manifestasjoner. Det er ikke strømmen i seg selv som er viktig for oss, men fenomenene nevnt ovenfor, som den forårsaker, på grunn av transformasjonen av elektrisk energi til andre former.
Alle aktuelle handlinger spiller en dobbel rolle i livene våre. I noen tilfeller er det nødvendig å beskytte mennesker og utstyr mot dem, i andre er det direkte å oppnå en eller annen effekt forårsaket av rettet overføring av elektriske ladninger.formålet med et bredt utvalg av tekniske enheter.
