Μια τεράστια ποικιλία φυσικών φαινομένων, τόσο μικροσκοπικών όσο και μακροσκοπικών, είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσης. Αυτές περιλαμβάνουν δυνάμεις τριβής και ελαστικότητας, όλες τις χημικές διεργασίες, ηλεκτρισμό, μαγνητισμό, οπτική.
Μία από αυτές τις εκδηλώσεις ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης είναι η διατεταγμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων. Είναι ένα απολύτως απαραίτητο στοιχείο σχεδόν όλων των σύγχρονων τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς - από την οργάνωση της ζωής μας μέχρι τις διαστημικές πτήσεις.
Γενική έννοια του φαινομένου
Η διατεταγμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα. Μια τέτοια κίνηση φορτίων μπορεί να πραγματοποιηθεί σε διαφορετικά μέσα μέσω ορισμένων σωματιδίων, μερικές φορές οιονεί σωματιδίων.
Απαίτηση για το ρεύμα είναιακριβώς τακτική, κατευθυνόμενη κίνηση. Τα φορτισμένα σωματίδια είναι αντικείμενα που (όπως και τα ουδέτερα) έχουν θερμική χαοτική κίνηση. Ωστόσο, το ρεύμα εμφανίζεται μόνο όταν, στο πλαίσιο αυτής της συνεχούς χαοτικής διαδικασίας, υπάρχει μια γενική κίνηση των φορτίων προς κάποια κατεύθυνση.
Όταν ένα σώμα κινείται, ηλεκτρικά ουδέτερο στο σύνολό του, τα σωματίδια στα άτομα και τα μόριά του, φυσικά, κινούνται προς μια κατεύθυνση, αλλά επειδή τα αντίθετα φορτία σε ένα ουδέτερο αντικείμενο αντισταθμίζουν το ένα το άλλο, δεν υπάρχει μεταφορά φορτίου, και μπορούμε να μιλάμε για το ρεύμα δεν έχει νόημα ούτε σε αυτή την περίπτωση.
Πώς δημιουργείται το ρεύμα
Εξετάστε την απλούστερη εκδοχή της διέγερσης συνεχούς ρεύματος. Εάν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο σε ένα μέσο όπου στη γενική περίπτωση υπάρχουν φορείς φορτίου, θα αρχίσει σε αυτό μια διατεταγμένη κίνηση φορτισμένων σωματιδίων. Το φαινόμενο ονομάζεται μετατόπιση φορτίου.
Μπορεί να περιγραφεί εν συντομία ως εξής. Σε διαφορετικά σημεία του πεδίου, προκύπτει μια διαφορά δυναμικού (τάση), δηλαδή, η ενέργεια αλληλεπίδρασης των ηλεκτρικών φορτίων που βρίσκονται σε αυτά τα σημεία με το πεδίο, που σχετίζεται με το μέγεθος αυτών των φορτίων, θα είναι διαφορετική. Δεδομένου ότι οποιοδήποτε φυσικό σύστημα, όπως είναι γνωστό, τείνει σε μια ελάχιστη δυναμική ενέργεια που αντιστοιχεί στην κατάσταση ισορροπίας, τα φορτισμένα σωματίδια θα αρχίσουν να κινούνται προς την εξίσωση των δυναμικών. Με άλλα λόγια, το πεδίο κάνει κάποια εργασία για να μετακινήσει αυτά τα σωματίδια.
Όταν τα δυναμικά εξισωθούν, η τάση εξαφανίζεταιηλεκτρικό πεδίο - εξαφανίζεται. Ταυτόχρονα σταματά και η διατεταγμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων, το ρεύμα. Για να ληφθεί ένα σταθερό, δηλαδή, ανεξάρτητο από το χρόνο πεδίο, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια πηγή ρεύματος στην οποία, λόγω της απελευθέρωσης ενέργειας σε ορισμένες διεργασίες (για παράδειγμα, χημικές), τα φορτία διαχωρίζονται συνεχώς και τροφοδοτούνται στο πόλους, διατηρώντας την ύπαρξη ηλεκτρικού πεδίου.
Το ρεύμα μπορεί να ληφθεί με διάφορους τρόπους. Έτσι, μια αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο επηρεάζει τα φορτία στο αγώγιμο κύκλωμα που εισάγεται σε αυτό και προκαλεί την κατευθυνόμενη κίνησή τους. Ένα τέτοιο ρεύμα ονομάζεται επαγωγικό.
Ποσοτικά χαρακτηριστικά ρεύματος
Η κύρια παράμετρος με την οποία περιγράφεται ποσοτικά το ρεύμα είναι η ισχύς του ρεύματος (μερικές φορές λένε "τιμή" ή απλά "ρεύμα"). Ορίζεται ως η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας (η ποσότητα του φορτίου ή ο αριθμός των στοιχειωδών φορτίων) που διέρχεται ανά μονάδα χρόνου από μια συγκεκριμένη επιφάνεια, συνήθως μέσω της διατομής ενός αγωγού: I=Q / t. Το ρεύμα μετριέται σε αμπέρ: 1 A \u003d 1 C / s (κουλόμπ ανά δευτερόλεπτο). Στο τμήμα του ηλεκτρικού κυκλώματος, η ισχύς του ρεύματος σχετίζεται άμεσα με τη διαφορά δυναμικού και αντίστροφα - με την αντίσταση του αγωγού: I \u003d U / R. Για ένα πλήρες κύκλωμα, αυτή η εξάρτηση (νόμος του Ohm) εκφράζεται ως I=⁇/R+r, όπου ⁇ είναι η ηλεκτροκινητική δύναμη της πηγής και r είναι η εσωτερική αντίστασή της.
Ο λόγος της ισχύος ρεύματος προς τη διατομή του αγωγού μέσω της οποίας η διατεταγμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων γίνεται κάθετα προς αυτόν ονομάζεται πυκνότητα ρεύματος: j=I/S=Q/St. Αυτή η τιμή χαρακτηρίζει την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που ρέει ανά μονάδα χρόνου σε μια μονάδα επιφάνειας. Όσο μεγαλύτερη είναι η ένταση πεδίου Ε και η ηλεκτρική αγωγιμότητα του μέσου σ, τόσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ρεύματος: j=σ∙E. Σε αντίθεση με την τρέχουσα ισχύ, αυτή η ποσότητα είναι διανυσματική και έχει κατεύθυνση κατά μήκος της κίνησης των σωματιδίων που φέρουν θετικό φορτίο.
Τρέχουσα κατεύθυνση και κατεύθυνση ολίσθησης
Σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, τα αντικείμενα που φέρουν φορτίο, υπό την επίδραση των δυνάμεων Coulomb, θα κάνουν μια διατεταγμένη κίνηση προς τον πόλο της πηγής ρεύματος, αντίθετα σε ένδειξη φορτίου. Τα θετικά φορτισμένα σωματίδια παρασύρονται προς τον αρνητικό πόλο («μείον») και, αντίθετα, ελεύθερα αρνητικά φορτία έλκονται στο «συν» της πηγής. Τα σωματίδια μπορούν επίσης να κινηθούν προς δύο αντίθετες κατευθύνσεις ταυτόχρονα εάν υπάρχουν φορείς φορτίου και των δύο σημάτων στο αγώγιμο μέσο.
Για ιστορικούς λόγους, είναι γενικά αποδεκτό ότι το ρεύμα κατευθύνεται με τον τρόπο που κινούνται τα θετικά φορτία - από το "συν" στο "πλην". Για να αποφευχθεί η σύγχυση, θα πρέπει να θυμόμαστε ότι αν και στην πιο οικεία περίπτωση ρεύματος σε μεταλλικούς αγωγούς, η πραγματική κίνηση των σωματιδίων - ηλεκτρονίων - συμβαίνει, φυσικά, προς την αντίθετη κατεύθυνση, αυτός ο κανόνας υπό όρους ισχύει πάντα.
Τρέχουσα ταχύτητα διάδοσης και μετατόπισης
Συχνά υπάρχουν προβλήματα με την κατανόηση του πόσο γρήγορα κινείται το ρεύμα. Δεν πρέπει να συγχέονται δύο διαφορετικές έννοιες: η ταχύτητα διάδοσης του ρεύματος (ηλεκτρσήμα) και την ταχύτητα μετατόπισης των σωματιδίων - φορείς φορτίου. Το πρώτο είναι η ταχύτητα με την οποία μεταδίδεται η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση ή -που είναι η ίδια- διαδίδεται το πεδίο. Είναι κοντά (λαμβάνοντας υπόψη το μέσο διάδοσης) στην ταχύτητα του φωτός στο κενό και είναι σχεδόν 300.000 km/s.
Τα σωματίδια κάνουν την ομαλή κίνησή τους πολύ αργά (10-4–10-3 m/s). Η ταχύτητα μετατόπισης εξαρτάται από την ένταση με την οποία το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο δρα σε αυτά, αλλά σε όλες τις περιπτώσεις είναι αρκετές τάξεις μεγέθους κατώτερη από την ταχύτητα της θερμικής τυχαίας κίνησης των σωματιδίων (105 –106m/s). Είναι σημαντικό να καταλάβουμε ότι κάτω από τη δράση του πεδίου, αρχίζει η ταυτόχρονη μετατόπιση όλων των δωρεάν χρεώσεων, έτσι το ρεύμα εμφανίζεται αμέσως σε ολόκληρο τον αγωγό.
Τύποι τρέχοντος
Πρώτα απ' όλα, τα ρεύματα διακρίνονται από τη συμπεριφορά των φορέων φορτίου με την πάροδο του χρόνου.
- Σταθερό ρεύμα είναι ένα ρεύμα που δεν αλλάζει ούτε το μέγεθος (ισχύς) ούτε την κατεύθυνση της κίνησης των σωματιδίων. Αυτός είναι ο ευκολότερος τρόπος για να μετακινήσετε φορτισμένα σωματίδια και είναι πάντα η αρχή της μελέτης του ηλεκτρικού ρεύματος.
- Στο εναλλασσόμενο ρεύμα, αυτές οι παράμετροι αλλάζουν με το χρόνο. Η δημιουργία του βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής που συμβαίνει σε ένα κλειστό κύκλωμα λόγω αλλαγής (περιστροφής) του μαγνητικού πεδίου. Το ηλεκτρικό πεδίο σε αυτή την περίπτωση αντιστρέφει περιοδικά το διάνυσμα της έντασης. Αντίστοιχα, τα πρόσημα των δυναμικών αλλάζουν και η τιμή τους περνά από το "συν" στο "πλην" όλες τις ενδιάμεσες τιμές, συμπεριλαμβανομένου του μηδενός. Σαν άποτέλεσμαφαινόμενο, η διατεταγμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων αλλάζει κατεύθυνση όλη την ώρα. Το μέγεθος ενός τέτοιου ρεύματος κυμαίνεται (συνήθως ημιτονοειδώς, δηλαδή αρμονικά) από το μέγιστο στο ελάχιστο. Το εναλλασσόμενο ρεύμα έχει ένα τόσο σημαντικό χαρακτηριστικό της ταχύτητας αυτών των ταλαντώσεων όπως η συχνότητα - ο αριθμός των πλήρων κύκλων αλλαγής ανά δευτερόλεπτο.
Εκτός από αυτήν την πιο σημαντική ταξινόμηση, διαφορές μεταξύ των ρευμάτων μπορούν επίσης να γίνουν σύμφωνα με ένα τέτοιο κριτήριο όπως η φύση της κίνησης των φορέων φορτίου σε σχέση με το μέσο στο οποίο διαδίδεται το ρεύμα.
Ρεύματα αγωγιμότητας
Το πιο διάσημο παράδειγμα ρεύματος είναι η διατεταγμένη, κατευθυνόμενη κίνηση φορτισμένων σωματιδίων υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου μέσα σε ένα σώμα (μέσο). Ονομάζεται ρεύμα αγωγιμότητας.
Στα στερεά (μέταλλα, γραφίτης, πολλά πολύπλοκα υλικά) και σε ορισμένα υγρά (υδράργυρος και άλλα τήγματα μετάλλων), τα ηλεκτρόνια είναι κινητά φορτισμένα σωματίδια. Μια διατεταγμένη κίνηση σε έναν αγωγό είναι η μετατόπισή του σε σχέση με τα άτομα ή τα μόρια μιας ουσίας. Η αγωγιμότητα αυτού του είδους ονομάζεται ηλεκτρονική. Στους ημιαγωγούς, η μεταφορά φορτίου συμβαίνει επίσης λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων, αλλά για αρκετούς λόγους είναι βολικό να χρησιμοποιήσουμε την έννοια της οπής για να περιγράψουμε το ρεύμα - ένα θετικό οιονείσωματίδιο, το οποίο είναι μια κενή θέση κινούμενου ηλεκτρονίου.
Στα ηλεκτρολυτικά διαλύματα, η διέλευση του ρεύματος πραγματοποιείται λόγω των αρνητικών και θετικών ιόντων που μετακινούνται σε διαφορετικούς πόλους - την άνοδο και την κάθοδο, που αποτελούν μέρος του διαλύματος.
Ρεύματα μεταφοράς
Το αέριο - υπό κανονικές συνθήκες ένα διηλεκτρικό - μπορεί επίσης να γίνει αγωγός εάν υποβληθεί σε αρκετά ισχυρό ιονισμό. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του αερίου είναι μικτή. Ένα ιονισμένο αέριο είναι ήδη ένα πλάσμα στο οποίο κινούνται τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και τα ιόντα, δηλαδή όλα τα φορτισμένα σωματίδια. Η διατεταγμένη κίνησή τους σχηματίζει ένα κανάλι πλάσματος και ονομάζεται εκκένωση αερίου.
Κατευθυνόμενη μετακίνηση φορτίων μπορεί να συμβεί όχι μόνο εντός του περιβάλλοντος. Ας υποθέσουμε ότι μια δέσμη ηλεκτρονίων ή ιόντων κινείται στο κενό, που εκπέμπεται από ένα θετικό ή αρνητικό ηλεκτρόδιο. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται εκπομπή ηλεκτρονίων και χρησιμοποιείται ευρέως, για παράδειγμα, σε συσκευές κενού. Φυσικά, αυτή η κίνηση είναι ένα ρεύμα.
Μια άλλη περίπτωση είναι η κίνηση ενός ηλεκτρικά φορτισμένου μακροσκοπικού σώματος. Αυτό είναι επίσης ένα ρεύμα, αφού μια τέτοια κατάσταση ικανοποιεί την προϋπόθεση της κατευθυνόμενης μεταφοράς χρέωσης.
Όλα τα παραπάνω παραδείγματα πρέπει να θεωρηθούν ως διατεταγμένη κίνηση φορτισμένων σωματιδίων. Αυτό το ρεύμα ονομάζεται ρεύμα μεταφοράς ή μεταφοράς. Οι ιδιότητές του, για παράδειγμα, οι μαγνητικές, είναι εντελώς παρόμοιες με αυτές των ρευμάτων αγωγιμότητας.
Ρεύμα προκατάληψης
Υπάρχει ένα φαινόμενο που δεν έχει καμία σχέση με τη μεταφορά φορτίου και εμφανίζεται όπου υπάρχει ένα χρονικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο που έχει την ιδιότητα της «πραγματικής» αγωγιμότητας ή των ρευμάτων μεταφοράς: διεγείρει ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Αυτό είναιεμφανίζεται, για παράδειγμα, σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος μεταξύ των πλακών των πυκνωτών. Το φαινόμενο συνοδεύεται από μεταφορά ενέργειας και ονομάζεται ρεύμα μετατόπισης.
Στην πραγματικότητα, αυτή η τιμή δείχνει πόσο γρήγορα αλλάζει η επαγωγή ηλεκτρικού πεδίου σε μια ορισμένη επιφάνεια κάθετα προς την κατεύθυνση του διανύσματός της. Η έννοια της ηλεκτρικής επαγωγής περιλαμβάνει τα διανύσματα έντασης πεδίου και πόλωσης. Στο κενό, λαμβάνεται υπόψη μόνο η τάση. Όσον αφορά τις ηλεκτρομαγνητικές διεργασίες στην ύλη, η πόλωση μορίων ή ατόμων, στην οποία, όταν εκτίθενται σε ένα πεδίο, λαμβάνει χώρα η κίνηση των δεσμευμένων (όχι ελεύθερων!) φορτίων, συμβάλλει σε κάποιο βαθμό στο ρεύμα μετατόπισης σε ένα διηλεκτρικό ή αγωγό.
Το όνομα προήλθε τον 19ο αιώνα και είναι υπό όρους, καθώς ένα πραγματικό ηλεκτρικό ρεύμα είναι μια διατεταγμένη κίνηση φορτισμένων σωματιδίων. Το ρεύμα μετατόπισης δεν έχει καμία σχέση με τη μετατόπιση φόρτισης. Επομένως, μιλώντας αυστηρά, δεν είναι ρεύμα.
Εκδηλώσεις (δράσεις) του τρέχοντος
Η διατεταγμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων συνοδεύεται πάντα από ορισμένα φυσικά φαινόμενα, τα οποία, στην πραγματικότητα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κριθεί εάν αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα ή όχι. Είναι δυνατό να χωρίσουμε τέτοια φαινόμενα (τρέχουσες ενέργειες) σε τρεις κύριες ομάδες:
- Μαγνητική δράση. Ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο δημιουργεί αναγκαστικά μαγνητικό πεδίο. Εάν τοποθετήσετε μια πυξίδα δίπλα σε έναν αγωγό μέσω του οποίου ρέει ρεύμα, το βέλος θα στρίψει κάθετα προς την κατεύθυνση αυτού του ρεύματος. Με βάση αυτό το φαινόμενο, λειτουργούν ηλεκτρομαγνητικές συσκευές, που επιτρέπουν, για παράδειγμα, τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειαςσε μηχανικό.
- Θερμικό αποτέλεσμα. Το ρεύμα όντως λειτουργεί για να υπερνικήσει την αντίσταση του αγωγού, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση θερμικής ενέργειας. Αυτό συμβαίνει επειδή, κατά τη διάρκεια της μετατόπισης, τα φορτισμένα σωματίδια υφίστανται σκέδαση στα στοιχεία του κρυσταλλικού πλέγματος ή των μορίων του αγωγού και τους δίνουν κινητική ενέργεια. Εάν το πλέγμα ενός μετάλλου, ας πούμε, ήταν απόλυτα κανονικό, τα ηλεκτρόνια πρακτικά δεν θα το παρατηρούσαν (αυτό είναι συνέπεια της κυματικής φύσης των σωματιδίων). Ωστόσο, πρώτον, τα ίδια τα άτομα στις θέσεις του πλέγματος υπόκεινται σε θερμικές δονήσεις που παραβιάζουν την κανονικότητά του και, δεύτερον, τα ελαττώματα του πλέγματος - άτομα ακαθαρσίας, εξαρθρώσεις, κενά - επηρεάζουν επίσης την κίνηση των ηλεκτρονίων.
- Χημική δράση παρατηρείται στους ηλεκτρολύτες. Τα αντίθετα φορτισμένα ιόντα, στα οποία διαχωρίζεται το ηλεκτρολυτικό διάλυμα, όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο, διαχωρίζονται σε αντίθετα ηλεκτρόδια, γεγονός που οδηγεί σε χημική αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη.
Εκτός όταν η διατεταγμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων είναι αντικείμενο επιστημονικής έρευνας, ενδιαφέρει ένα άτομο για τις μακροσκοπικές εκδηλώσεις της. Δεν είναι το ίδιο το ρεύμα που είναι σημαντικό για εμάς, αλλά τα φαινόμενα που αναφέρονται παραπάνω, τα οποία προκαλεί, λόγω της μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε άλλες μορφές.
Όλες οι τρέχουσες ενέργειες παίζουν διπλό ρόλο στη ζωή μας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι απαραίτητο να προστατεύονται οι άνθρωποι και ο εξοπλισμός από αυτά, σε άλλες, η απόκτηση ενός ή άλλου αποτελέσματος που προκαλείται από την κατευθυνόμενη μεταφορά ηλεκτρικών φορτίων είναι άμεση.σκοπός μιας μεγάλης ποικιλίας τεχνικών συσκευών.
