En lang række fysiske fænomener, både mikroskopiske og makroskopiske, er af elektromagnetisk natur. Disse omfatter friktions- og elasticitetskræfter, alle kemiske processer, elektricitet, magnetisme, optik.
En af sådanne manifestationer af elektromagnetisk interaktion er den ordnede bevægelse af ladede partikler. Det er et absolut nødvendigt element i næsten alle moderne teknologier, der bruges på forskellige områder - fra organiseringen af vores liv til rumflyvninger.
Generelt begreb for fænomenet
Den ordnede bevægelse af ladede partikler kaldes elektrisk strøm. En sådan bevægelse af ladninger kan udføres i forskellige medier ved hjælp af visse partikler, nogle gange kvasipartikler.
En forudsætning for den nuværende erpræcist velordnet, rettet bevægelse. Ladede partikler er genstande, der (såvel som neutrale) har termisk kaotisk bevægelse. Strømmen opstår dog kun, når der på baggrund af denne kontinuerlige kaotiske proces er en generel bevægelse af ladninger i en eller anden retning.
Når et legeme bevæger sig, elektrisk neutr alt som helhed, bevæger partiklerne i dets atomer og molekyler sig selvfølgelig i en retning, men da modsatte ladninger i et neutr alt objekt kompenserer hinanden, er der ingen ladningsoverførsel, og vi kan tale om, at strømmen heller ikke giver mening i dette tilfælde.
Hvordan strømmen genereres
Overvej den enkleste version af jævnstrømsmagnetisering. Hvis et elektrisk felt påføres et medium, hvor ladningsbærere er til stede i det generelle tilfælde, vil en ordnet bevægelse af ladede partikler begynde i det. Fænomenet kaldes ladningsdrift.
Det kan kort beskrives som følger. På forskellige punkter af feltet opstår der en potentiel forskel (spænding), det vil sige, at energien af interaktion af elektriske ladninger placeret på disse punkter med feltet, relateret til størrelsen af disse ladninger, vil være anderledes. Da ethvert fysisk system, som det er kendt, har en tendens til et minimum af potentiel energi svarende til ligevægtstilstanden, vil ladede partikler begynde at bevæge sig mod udligning af potentialer. Med andre ord gør feltet noget arbejde for at flytte disse partikler.
Når potentialerne udlignes, forsvinder spændingenelektrisk felt - det forsvinder. Samtidig stopper den ordnede bevægelse af ladede partikler, strømmen, også. For at opnå et stationært, det vil sige tidsuafhængigt felt, er det nødvendigt at bruge en strømkilde, hvor ladninger på grund af frigivelse af energi i visse processer (for eksempel kemiske) kontinuerligt adskilles og føres til poler, der opretholder eksistensen af et elektrisk felt.
Current kan fås på forskellige måder. Så en ændring i magnetfeltet påvirker ladningerne i det ledende kredsløb indført i det og forårsager deres rettede bevægelse. Sådan en strøm kaldes induktiv.
Kvantitative karakteristika for nuværende
Hovedparameteren, hvormed strømmen beskrives kvantitativt, er strømmens styrke (nogle gange siger de "værdi" eller blot "strøm"). Det er defineret som mængden af elektricitet (mængden af ladning eller antallet af elementære ladninger), der passerer per tidsenhed gennem en bestemt overflade, norm alt gennem tværsnittet af en leder: I=Q / t. Strømmen måles i ampere: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb per sekund). I sektionen af det elektriske kredsløb er strømstyrken direkte relateret til potentialforskellen og omvendt - til lederens modstand: I \u003d U / R. For et komplet kredsløb er denne afhængighed (Ohms lov) udtrykt som I=Ԑ/R+r, hvor Ԑ er kildens elektromotoriske kraft, og r er dens indre modstand.
Forholdet mellem strømstyrken og lederens tværsnit, hvorigennem den ordnede bevægelse af ladede partikler sker vinkelret på den, kaldes strømtætheden: j=I/S=Q/St. Denne værdi karakteriserer mængden af elektricitet, der strømmer per tidsenhed gennem en enhedsareal. Jo højere feltstyrke E og den elektriske ledningsevne af mediet σ, jo større er strømtætheden: j=σ∙E. I modsætning til strømstyrken er denne størrelse vektor og har en retning langs bevægelsen af partikler, der bærer en positiv ladning.
Nuværende retning og driftretning
I et elektrisk felt vil genstande, der bærer en ladning, under indflydelse af Coulomb-kræfter, foretage en ordnet bevægelse til strømkildens pol, modsat i ladningstegn. Positivt ladede partikler driver mod den negative pol ("minus"), og omvendt tiltrækkes frie negative ladninger til kildens "plus". Partikler kan også bevæge sig i to modsatte retninger på én gang, hvis der er ladningsbærere af begge tegn i det ledende medium.
Af historiske årsager er det generelt accepteret, at strømmen er rettet den måde, positive ladninger bevæger sig på - fra "plus" til "minus". For at undgå forvirring skal det huskes, at selvom i det mest velkendte tilfælde af strøm i metalledere, sker den reelle bevægelse af partikler - elektroner - selvfølgelig i den modsatte retning, så gælder denne betingede regel altid.
Aktuel udbredelse og drifthastighed
Ofte er der problemer med at forstå, hvor hurtigt strømmen bevæger sig. To forskellige begreber bør ikke forveksles: hastigheden af udbredelse af strøm (elektrisksignal) og afdriftshastigheden af partikler - ladningsbærere. Den første er den hastighed, hvormed den elektromagnetiske vekselvirkning transmitteres eller - som er den samme - feltet udbreder sig. Den er tæt (under hensyntagen til udbredelsesmediet) på lysets hastighed i vakuum og er næsten 300.000 km/s.
Partikler foretager deres ordnede bevægelse meget langsomt (10-4–10-3 m/s). Driftshastigheden afhænger af intensiteten, hvormed det påførte elektriske felt virker på dem, men i alle tilfælde er den adskillige størrelsesordener ringere end hastigheden af termisk tilfældig bevægelse af partikler (105 –106m/s). Det er vigtigt at forstå, at under påvirkning af feltet begynder den samtidige drift af alle gratis ladninger, så strømmen optræder umiddelbart i hele lederen.
Typer af nuværende
Først og fremmest er strømme kendetegnet ved ladebærernes adfærd over tid.
- En konstant strøm er en strøm, der ikke ændrer hverken størrelsen (styrken) eller retningen af partikelbevægelse. Dette er den nemmeste måde at flytte ladede partikler på, og det er altid begyndelsen på studiet af elektrisk strøm.
- I vekselstrøm ændres disse parametre med tiden. Dens generering er baseret på fænomenet elektromagnetisk induktion, der opstår i et lukket kredsløb på grund af en ændring (rotation) af magnetfeltet. Det elektriske felt i dette tilfælde vender periodisk intensitetsvektoren. Følgelig ændres potentialernes tegn, og deres værdi går fra "plus" til "minus" alle mellemværdier, inklusive nul. Som resultatfænomen ændrer den ordnede bevægelse af ladede partikler retning hele tiden. Størrelsen af en sådan strøm svinger (norm alt sinusformet, det vil sige harmonisk) fra et maksimum til et minimum. Vekselstrøm har en så vigtig karakteristik af hastigheden af disse svingninger som frekvens - antallet af komplette ændringscyklusser pr. sekund.
Udover denne vigtigste klassifikation kan forskelle mellem strømme også foretages efter et sådant kriterium som arten af ladningsbærernes bevægelse i forhold til det medium, hvori strømmen udbredes.
ledningsstrømme
Det mest berømte eksempel på en strøm er den ordnede, rettede bevægelse af ladede partikler under påvirkning af et elektrisk felt inde i et legeme (medium). Det kaldes ledningsstrøm.
I faste stoffer (metaller, grafit, mange komplekse materialer) og nogle væsker (kviksølv og andre metalsmeltninger) er elektroner mobilt ladede partikler. En ordnet bevægelse i en leder er deres drift i forhold til et stofs atomer eller molekyler. Ledningsevne af denne art kaldes elektronisk. I halvledere sker ladningsoverførsel også på grund af elektronernes bevægelse, men af en række årsager er det praktisk at bruge begrebet et hul til at beskrive strømmen - en positiv kvasipartikel, som er en ledig elektron i bevægelse.
I elektrolytiske opløsninger udføres strømmens passage på grund af de negative og positive ioner, der bevæger sig til forskellige poler - anoden og katoden, som er en del af opløsningen.
Overfør strømme
Gas - under normale forhold et dielektrikum - kan også blive en leder, hvis det udsættes for en tilstrækkelig stærk ionisering. Gass elektriske ledningsevne er blandet. En ioniseret gas er allerede et plasma, hvori både elektroner og ioner, det vil sige alle ladede partikler, bevæger sig. Deres ordnede bevægelse danner en plasmakanal og kaldes en gasudladning.
Direktiv bevægelse af ladninger kan ikke kun forekomme inde i miljøet. Antag at en stråle af elektroner eller ioner bevæger sig i vakuum, udsendt fra en positiv eller negativ elektrode. Dette fænomen kaldes elektronemission og er meget udbredt, for eksempel i vakuumapparater. Selvfølgelig er denne bevægelse en strøm.
Et andet tilfælde er bevægelsen af et elektrisk ladet makroskopisk legeme. Dette er også en aktuel, da en sådan situation opfylder betingelsen om rettet debiteringsoverførsel.
Alle ovenstående eksempler skal betragtes som en ordnet bevægelse af ladede partikler. Denne strøm kaldes konvektion eller overførselsstrøm. Dens egenskaber, f.eks. magnetiske, er fuldstændig magen til ledningsstrømme.
Bias nuværende
Der er et fænomen, der ikke har noget med ladningsoverførsel at gøre og opstår, hvor der er et tidsvarierende elektrisk felt, der har egenskaben "rigtig" ledning eller overførselsstrømme: det exciterer et vekslende magnetfelt. Dette erforekommer for eksempel i vekselstrømkredsløb mellem kondensatorpladerne. Fænomenet er ledsaget af overførsel af energi og kaldes forskydningsstrøm.
Faktisk viser denne værdi, hvor hurtigt induktionen af det elektriske felt ændres på en bestemt overflade vinkelret på retningen af dens vektor. Begrebet elektrisk induktion omfatter feltstyrke- og polarisationsvektorer. I et vakuum tages der kun hensyn til spændinger. Hvad angår elektromagnetiske processer i stof, bidrager polariseringen af molekyler eller atomer, hvori, når de udsættes for et felt, bevægelsen af bundne (ikke frie!) ladninger finder sted, et vist bidrag til forskydningsstrømmen i et dielektrikum eller en leder.
Navnet opstod i det 19. århundrede og er betinget, da en rigtig elektrisk strøm er en ordnet bevægelse af ladede partikler. Forskydningsstrøm har intet med ladningsdrift at gøre. Derfor er det strengt taget ikke en strøm.
Manifestationer (handlinger) af nuværende
Beordret bevægelse af ladede partikler er altid ledsaget af visse fysiske fænomener, som faktisk kan bruges til at bedømme, om denne proces finder sted eller ej. Det er muligt at opdele sådanne fænomener (aktuelle handlinger) i tre hovedgrupper:
- Magnetisk handling. En elektrisk ladning i bevægelse skaber nødvendigvis et magnetfelt. Hvis du placerer et kompas ved siden af en leder, som strømmen løber igennem, vil pilen dreje vinkelret på retningen af denne strøm. Baseret på dette fænomen fungerer elektromagnetiske enheder, hvilket f.eks. gør det muligt at konvertere elektrisk energitil mekanisk.
- Termisk effekt. Strømmen virker for at overvinde lederens modstand, hvilket resulterer i frigivelse af termisk energi. Dette skyldes, at ladede partikler under driften oplever spredning på elementerne i krystalgitteret eller ledermolekylerne og giver dem kinetisk energi. Hvis gitteret af f.eks. et metal var helt regelmæssigt, ville elektronerne praktisk t alt ikke bemærke det (dette er en konsekvens af partiklernes bølgenatur). For det første er atomerne i selve gitterstederne imidlertid udsat for termiske vibrationer, der overtræder dets regelmæssighed, og for det andet påvirker gitterdefekter - urenhedsatomer, dislokationer, ledige pladser - også elektronernes bevægelse.
- Kemisk virkning observeres i elektrolytter. Modsat ladede ioner, hvori den elektrolytiske opløsning er dissocieret, når et elektrisk felt påføres, adskilles til modsatte elektroder, hvilket fører til kemisk nedbrydning af elektrolytten.
Med undtagelse af når den ordnede bevægelse af ladede partikler er genstand for videnskabelig forskning, interesserer den en person i dens makroskopiske manifestationer. Det er ikke strømmen i sig selv, der er vigtig for os, men de ovenfor nævnte fænomener, som den forårsager på grund af omdannelsen af elektrisk energi til andre former.
Alle aktuelle handlinger spiller en dobbelt rolle i vores liv. I nogle tilfælde er det nødvendigt at beskytte mennesker og udstyr mod dem, i andre er det direkte at opnå en eller anden effekt forårsaget af den rettede overførsel af elektriske ladninger.formålet med en bred vifte af tekniske enheder.
