Ett stort utbud av fysiska fenomen, både mikroskopiska och makroskopiska, är elektromagnetiska till sin natur. Dessa inkluderar friktionskrafter och elasticitet, alla kemiska processer, elektricitet, magnetism, optik.
En av sådana manifestationer av elektromagnetisk interaktion är den ordnade rörelsen av laddade partiklar. Det är en absolut nödvändig del av nästan all modern teknik som används inom olika områden - från organisationen av vårt liv till rymdflygningar.
Allmänt begrepp om fenomenet
Den ordnade rörelsen av laddade partiklar kallas elektrisk ström. En sådan rörelse av laddningar kan utföras i olika medier med hjälp av vissa partiklar, ibland kvasipartiklar.
En förutsättning för strömmen ärexakt ordnad, riktad rörelse. Laddade partiklar är föremål som (liksom neutrala) har termisk kaotisk rörelse. Strömmen uppstår dock endast när det mot bakgrund av denna kontinuerliga kaotiska process sker en allmän rörelse av laddningar i någon riktning.
När en kropp rör sig, elektriskt neutral som helhet, rör sig naturligtvis partiklarna i dess atomer och molekyler i en riktning, men eftersom motsatta laddningar i ett neutr alt objekt kompenserar varandra, sker ingen laddningsöverföring, och vi kan prata om att strömmen inte är vettigt i det här fallet heller.
Hur strömmen genereras
Tänk på den enklaste versionen av likströmsexcitering. Om ett elektriskt fält appliceras på ett medium där laddningsbärare finns i det allmänna fallet, kommer en ordnad rörelse av laddade partiklar att börja i det. Fenomenet kallas laddningsdrift.
Det kan kort beskrivas enligt följande. Vid olika punkter i fältet uppstår en potentialskillnad (spänning), det vill säga energin för interaktion av elektriska laddningar som ligger vid dessa punkter med fältet, relaterad till storleken på dessa laddningar, kommer att vara annorlunda. Eftersom vilket fysiskt system som helst tenderar till ett minimum av potentiell energi som motsvarar jämviktstillståndet, kommer laddade partiklar att börja röra sig mot utjämning av potentialer. Med andra ord, fältet gör en del arbete för att flytta dessa partiklar.
När potentialerna är utjämnade försvinner spänningenelektriskt fält - det försvinner. Samtidigt stannar också den ordnade rörelsen av laddade partiklar, strömmen. För att erhålla ett stationärt, det vill säga tidsoberoende fält, är det nödvändigt att använda en strömkälla där, på grund av frigörandet av energi i vissa processer (till exempel kemisk), laddningar kontinuerligt separeras och matas till poler som upprätthåller existensen av ett elektriskt fält.
Current kan erhållas på olika sätt. Så en förändring i magnetfältet påverkar laddningarna i den ledande kretsen som införs i den och orsakar deras riktade rörelse. En sådan ström kallas induktiv.
Kvantitativa egenskaper för nuvarande
Huvudparametern med vilken strömmen beskrivs kvantitativt är strömstyrkan (ibland säger man "värde" eller helt enkelt "ström"). Det definieras som mängden elektricitet (mängden laddning eller antalet elementära laddningar) som passerar per tidsenhet genom en viss yta, vanligtvis genom tvärsnittet av en ledare: I=Q / t. Strömmen mäts i ampere: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb per sekund). I sektionen av den elektriska kretsen är strömstyrkan direkt relaterad till potentialskillnaden och omvänt - till ledarens motstånd: I \u003d U / R. För en komplett krets uttrycks detta beroende (Ohms lag) som I=Ԑ/R+r, där Ԑ är källans elektromotoriska kraft och r är dess inre motstånd.
Förhållandet mellan strömstyrkan och ledarens tvärsnitt genom vilken den ordnade rörelsen av laddade partiklar sker vinkelrätt mot den kallas strömtätheten: j=I/S=Q/St. Detta värde kännetecknar mängden el som strömmar per tidsenhet genom en enhetsarea. Ju högre fältstyrka E och den elektriska ledningsförmågan för mediet σ, desto större strömtäthet: j=σ∙E. Till skillnad från strömstyrkan är denna kvantitet vektor och har en riktning längs rörelsen av partiklar som bär en positiv laddning.
Nuvarande riktning och driftriktning
I ett elektriskt fält kommer föremål som bär en laddning, under inverkan av Coulomb-krafter, att göra en ordnad rörelse till strömkällans pol, motsatt i laddningens tecken. Partiklar laddade positivt driver mot den negativa polen ("minus") och omvänt lockas fria negativa laddningar till källans "plus". Partiklar kan också röra sig i två motsatta riktningar samtidigt om det finns laddningsbärare av båda tecknen i det ledande mediet.
Av historiska skäl är det allmänt accepterat att strömmen är riktad så som positiva laddningar rör sig - från "plus" till "minus". För att undvika förvirring bör man komma ihåg att även om i det mest välkända fallet med ström i metallledare sker den verkliga rörelsen av partiklar - elektroner - naturligtvis i motsatt riktning, så gäller denna villkorliga regel alltid.
Strömutbredning och drifthastighet
Ofta finns det problem med att förstå hur snabbt strömmen rör sig. Två olika begrepp bör inte förväxlas: hastigheten för utbredning av ström (elektrisksignal) och drifthastigheten för partiklar - laddningsbärare. Den första är den hastighet med vilken den elektromagnetiska interaktionen överförs eller - vilket är detsamma - fältet fortplantar sig. Den är nära (med hänsyn till utbredningsmediet) ljusets hastighet i vakuum och är nästan 300 000 km/s.
Partiklar gör sin ordnade rörelse mycket långsamt (10-4–10-3 m/s). Drivhastigheten beror på intensiteten med vilken det applicerade elektriska fältet verkar på dem, men i alla fall är den flera storleksordningar underlägsen hastigheten för termisk slumpmässig rörelse hos partiklar (105 –106m/s). Det är viktigt att förstå att under inverkan av fältet börjar den samtidiga driften av alla gratisladdningar, så strömmen uppträder omedelbart i hela ledaren.
Typer av nuvarande
För det första kännetecknas strömmar av laddningsbärarnas beteende över tid.
- En konstant ström är en ström som inte ändrar vare sig storleken (styrkan) eller riktningen för partikelrörelsen. Detta är det enklaste sättet att flytta laddade partiklar, och det är alltid början på studiet av elektrisk ström.
- I växelström ändras dessa parametrar med tiden. Dess generering är baserad på fenomenet elektromagnetisk induktion som uppstår i en sluten krets på grund av en förändring (rotation) av magnetfältet. Det elektriska fältet i detta fall vänder periodiskt intensitetsvektorn. Följaktligen ändras tecknen på potentialerna, och deras värde går från "plus" till "minus" alla mellanliggande värden, inklusive noll. Som ett resultatfenomen, den ordnade rörelsen av laddade partiklar ändrar riktning hela tiden. Storleken på en sådan ström fluktuerar (vanligtvis sinusformigt, det vill säga harmoniskt) från ett maximum till ett minimum. Växelström har en så viktig egenskap för hastigheten för dessa svängningar som frekvens - antalet kompletta växlingscykler per sekund.
Utöver denna viktigaste klassificering kan skillnader mellan strömmar också göras enligt ett sådant kriterium som arten av laddningsbärarnas rörelse i förhållande till det medium i vilket strömmen utbreder sig.
ledningsströmmar
Det mest kända exemplet på en ström är den ordnade, riktade rörelsen av laddade partiklar under inverkan av ett elektriskt fält inuti en kropp (medium). Det kallas ledningsström.
I fasta ämnen (metaller, grafit, många komplexa material) och vissa vätskor (kvicksilver och andra metallsmältor) är elektroner mobilladdade partiklar. En ordnad rörelse i en ledare är deras drift i förhållande till ett ämnes atomer eller molekyler. Konduktivitet av detta slag kallas elektronisk. I halvledare sker laddningsöverföring också på grund av elektronernas rörelse, men av flera anledningar är det bekvämt att använda begreppet ett hål för att beskriva strömmen - en positiv kvasipartikel, som är en rörlig elektronvakans.
I elektrolytiska lösningar utförs strömpassagen på grund av att de negativa och positiva jonerna flyttas till olika poler - anoden och katoden, som är en del av lösningen.
Överför strömmar
Gas - under normala förhållanden ett dielektrikum - kan också bli en ledare om den utsätts för en tillräckligt stark jonisering. Gasens elektriska ledningsförmåga är blandad. En joniserad gas är redan ett plasma där både elektroner och joner, det vill säga alla laddade partiklar, rör sig. Deras ordnade rörelse bildar en plasmakanal och kallas en gasurladdning.
Riktad rörelse av laddningar kan inte bara ske i miljön. Antag att en stråle av elektroner eller joner rör sig i vakuum, som emitteras från en positiv eller negativ elektrod. Detta fenomen kallas elektronemission och används flitigt, till exempel i vakuumanordningar. Naturligtvis är denna rörelse en ström.
Ett annat fall är rörelsen av en elektriskt laddad makroskopisk kropp. Detta är också aktuellt, eftersom en sådan situation uppfyller villkoret för riktad avgiftsöverföring.
Alla ovanstående exempel bör betraktas som en ordnad rörelse av laddade partiklar. Denna ström kallas konvektion eller överföringsström. Dess egenskaper, t.ex. magnetiska, är helt lika egenskaperna hos ledningsströmmar.
Bias aktuell
Det finns ett fenomen som inte har något med laddningsöverföring att göra och som uppstår där det finns ett tidsvarierande elektriskt fält som har egenskapen "riktig" ledning eller överföringsströmmar: det exciterar ett magnetiskt växelfält. Detta ärförekommer till exempel i växelströmskretsar mellan kondensatorplattorna. Fenomenet åtföljs av överföring av energi och kallas förskjutningsström.
Det här värdet visar faktiskt hur snabbt induktionen av det elektriska fältet ändras på en viss yta vinkelrätt mot vektorns riktning. Begreppet elektrisk induktion inkluderar fältstyrka och polarisationsvektorer. I ett vakuum tas endast hänsyn till spänningar. När det gäller elektromagnetiska processer i materien bidrar polariseringen av molekyler eller atomer, i vilka, när de utsätts för ett fält, rörelsen av bundna (inte fria!) laddningar äger rum, ett visst bidrag till förskjutningsströmmen i ett dielektrikum eller en ledare.
Namnet har sitt ursprung på 1800-talet och är villkorat, eftersom en riktig elektrisk ström är en ordnad rörelse av laddade partiklar. Förskjutningsström har inget med laddningsdrift att göra. Därför är det strängt taget inte en ström.
Manifestationer (åtgärder) av nuvarande
Ordad rörelse av laddade partiklar åtföljs alltid av vissa fysiska fenomen, som faktiskt kan användas för att bedöma om denna process äger rum eller inte. Det är möjligt att dela in sådana fenomen (aktuella handlingar) i tre huvudgrupper:
- Magnetisk verkan. En elektrisk laddning i rörelse skapar nödvändigtvis ett magnetfält. Om du placerar en kompass bredvid en ledare genom vilken ström flyter, kommer pilen att vridas vinkelrätt mot riktningen för denna ström. Baserat på detta fenomen fungerar elektromagnetiska enheter, vilket gör att till exempel kan omvandla elektrisk energitill mekanisk.
- Termisk effekt. Strömmen fungerar för att övervinna ledarens motstånd, vilket resulterar i frigöring av termisk energi. Detta beror på att laddade partiklar under driften upplever spridning på elementen i kristallgittret eller ledarmolekylerna och ger dem kinetisk energi. Om gittret av, säg, en metall var helt regelbundet, skulle elektronerna praktiskt taget inte märka det (detta är en konsekvens av partiklarnas vågnatur). Men för det första är atomerna i själva gitterplatserna utsatta för termiska vibrationer som bryter mot dess regelbundenhet, och för det andra påverkar gallerdefekter - föroreningsatomer, dislokationer, vakanser - också elektronernas rörelse.
- Kemisk verkan observeras i elektrolyter. Motsatt laddade joner, i vilka den elektrolytiska lösningen dissocieras, när ett elektriskt fält appliceras, separeras till motsatta elektroder, vilket leder till kemisk nedbrytning av elektrolyten.
Förutom när den ordnade rörelsen av laddade partiklar är föremål för vetenskaplig forskning, intresserar den en person i dess makroskopiska manifestationer. Det är inte strömmen i sig som är viktig för oss, utan de ovan listade fenomenen som den orsakar, på grund av omvandlingen av elektrisk energi till andra former.
Alla nuvarande handlingar spelar en dubbel roll i våra liv. I vissa fall är det nödvändigt att skydda människor och utrustning från dem, i andra är det direkt att få en eller annan effekt orsakad av riktad överföring av elektriska laddningar.syftet med en mängd olika tekniska enheter.
