Veľké množstvo fyzikálnych javov, mikroskopických aj makroskopických, má elektromagnetickú povahu. Patria sem sily trenia a pružnosti, všetky chemické procesy, elektrina, magnetizmus, optika.
Jedným z takýchto prejavov elektromagnetickej interakcie je usporiadaný pohyb nabitých častíc. Je to absolútne nevyhnutný prvok takmer všetkých moderných technológií, ktoré sa využívajú v rôznych oblastiach – od organizácie nášho života až po lety do vesmíru.
Všeobecný koncept fenoménu
Usporiadaný pohyb nabitých častíc sa nazýva elektrický prúd. Takýto pohyb nábojov sa môže uskutočniť v rôznych prostrediach pomocou určitých častíc, niekedy kvázičastíc.
Podmienkou aktuálneho jepresne usporiadaný, usmernený pohyb. Nabité častice sú objekty, ktoré (rovnako ako neutrálne) majú tepelný chaotický pohyb. Prúd sa však vyskytuje iba vtedy, keď na pozadí tohto nepretržitého chaotického procesu dochádza k všeobecnému pohybu nábojov v určitom smere.
Keď sa teleso pohybuje, elektricky neutrálne ako celok, častice v jeho atómoch a molekulách sa samozrejme pohybujú v smere, ale keďže opačné náboje v neutrálnom objekte sa navzájom kompenzujú, nedochádza k prenosu náboja, a môžeme sa baviť o prúde, ktorý ani v tomto prípade nedáva zmysel.
Ako sa generuje prúd
Zvážte najjednoduchšiu verziu budenia jednosmerným prúdom. Ak sa elektrické pole aplikuje na médium, kde sú vo všeobecnom prípade prítomné nosiče náboja, začne sa v ňom usporiadaný pohyb nabitých častíc. Tento jav sa nazýva drift náboja.
Stručne to možno opísať takto. V rôznych bodoch poľa vzniká potenciálny rozdiel (napätie), to znamená, že energia interakcie elektrických nábojov nachádzajúcich sa v týchto bodoch s poľom, súvisiaca s veľkosťou týchto nábojov, bude iná. Pretože každý fyzikálny systém, ako je známe, má sklon k minimu potenciálnej energie zodpovedajúcej rovnovážnemu stavu, nabité častice sa začnú pohybovať smerom k vyrovnaniu potenciálov. Inými slovami, pole vykoná určitú prácu, aby tieto častice posunulo.
Keď sa potenciály vyrovnajú, napätie zmizneelektrické pole - zmizne. Zároveň sa zastaví aj usporiadaný pohyb nabitých častíc, prúd. Na získanie stacionárneho, teda časovo nezávislého poľa, je potrebné použiť zdroj prúdu, v ktorom sa v dôsledku uvoľňovania energie v určitých procesoch (napríklad chemických) kontinuálne oddeľujú náboje a privádzajú sa do póly, udržujúce existenciu elektrického poľa.
Aktuálny je možné získať rôznymi spôsobmi. Takže zmena magnetického poľa ovplyvňuje náboje vo vodivom obvode, ktoré sú do neho vložené, a spôsobuje ich riadený pohyb. Takýto prúd sa nazýva indukčný.
Kvantitatívne charakteristiky prúdu
Hlavným parametrom, ktorým je prúd kvantitatívne opísaný, je sila prúdu (niekedy sa hovorí „hodnota“alebo jednoducho „prúd“). Je definovaný ako množstvo elektriny (množstvo náboja alebo počet elementárnych nábojov), ktoré prejde za jednotku času určitým povrchom, zvyčajne prierezom vodiča: I=Q / t. Prúd sa meria v ampéroch: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb za sekundu). V časti elektrického obvodu je sila prúdu priamo spojená s rozdielom potenciálov a nepriamo s odporom vodiča: I \u003d U / R. Pre úplný obvod je táto závislosť (Ohmov zákon) vyjadrená ako I=Ԑ/R+r, kde Ԑ je elektromotorická sila zdroja a r je jeho vnútorný odpor.
Pomer sily prúdu k prierezu vodiča, cez ktorý kolmo naň nastáva usporiadaný pohyb nabitých častíc, sa nazýva prúdová hustota: j=I/S=Q/St. Táto hodnota charakterizuje množstvo elektriny, ktoré pretečie za jednotku času cez jednotku plochy. Čím vyššia je intenzita poľa E a elektrická vodivosť média σ, tým väčšia je hustota prúdu: j=σ∙E. Na rozdiel od aktuálnej sily je táto veličina vektorová a má smer pozdĺž pohybu častíc, ktoré nesú kladný náboj.
Aktuálny smer a smer unášania
V elektrickom poli predmety nesúce náboj pod vplyvom Coulombových síl uskutočnia usporiadaný pohyb k pólu zdroja prúdu, opačným znakom náboja. Častice nabité kladne smerujú k zápornému pólu ("mínus") a naopak, voľné záporné náboje sú priťahované k "plusu" zdroja. Častice sa tiež môžu pohybovať v dvoch opačných smeroch naraz, ak sú vo vodivom médiu nosiče náboja oboch znakov.
Z historických dôvodov sa všeobecne uznáva, že prúd smeruje tak, ako sa pohybujú kladné náboje – od „plus“po „mínus“. Aby nedošlo k zámene, treba pripomenúť, že hoci v najznámejšom prípade prúdu v kovových vodičoch k skutočnému pohybu častíc - elektrónov - dochádza, samozrejme, v opačnom smere, toto podmienené pravidlo platí vždy.
Aktuálne šírenie a rýchlosť driftu
Často sú problémy s pochopením toho, ako rýchlo sa prúd pohybuje. Nemali by sa zamieňať dva rôzne pojmy: rýchlosť šírenia prúdu (elektrsignál) a driftová rýchlosť častíc - nosičov náboja. Prvým je rýchlosť, ktorou sa prenáša elektromagnetická interakcia alebo - čo je rovnaké - sa šíri pole. Je blízko (berúc do úvahy médium šírenia) rýchlosti svetla vo vákuu a je takmer 300 000 km/s.
Častice sa pohybujú veľmi pomaly (10-4–10-3 m/s). Rýchlosť driftu závisí od intenzity, s akou na ne pôsobí elektrické pole, ale vo všetkých prípadoch je o niekoľko rádov nižšia ako rýchlosť tepelného náhodného pohybu častíc (105 –106m/s). Je dôležité pochopiť, že pôsobením poľa začína súčasný drift všetkých voľných nábojov, takže prúd sa okamžite objaví v celom vodiči.
Typy prúdu
Po prvé, prúdy sa vyznačujú správaním sa nosičov náboja v priebehu času.
- Konštantný prúd je prúd, ktorý nemení veľkosť (sila) ani smer pohybu častíc. Toto je najjednoduchší spôsob, ako presunúť nabité častice a je to vždy začiatok štúdia elektrického prúdu.
- Pri striedavom prúde sa tieto parametre časom menia. Jeho generovanie je založené na fenoméne elektromagnetickej indukcie, ku ktorej dochádza v uzavretom okruhu v dôsledku zmeny (rotácie) magnetického poľa. Elektrické pole v tomto prípade periodicky mení vektor intenzity. V súlade s tým sa znamienka potenciálov menia a ich hodnota prechádza z "plus" na "mínus" všetky medzihodnoty, vrátane nuly. Ako výsledokjav, usporiadaný pohyb nabitých častíc neustále mení smer. Veľkosť takéhoto prúdu kolíše (zvyčajne sínusovo, teda harmonicky) od maxima po minimum. Striedavý prúd má takú dôležitú charakteristiku rýchlosti týchto oscilácií, ako je frekvencia - počet úplných cyklov zmeny za sekundu.
Okrem tejto najdôležitejšej klasifikácie možno rozdiely medzi prúdmi robiť aj podľa takého kritéria, ako je povaha pohybu nosičov náboja vo vzťahu k médiu, v ktorom sa prúd šíri.
Vodivé prúdy
Najznámejším príkladom prúdu je usporiadaný, usmernený pohyb nabitých častíc pod pôsobením elektrického poľa vo vnútri telesa (média). Nazýva sa vodivý prúd.
V pevných látkach (kovy, grafit, mnohé zložité materiály) a niektorých kvapalinách (ortuť a iné kovové taveniny) sú elektróny pohyblivé nabité častice. Usporiadaný pohyb vo vodiči je ich drift vzhľadom na atómy alebo molekuly látky. Vodivosť tohto druhu sa nazýva elektronická. V polovodičoch dochádza k prenosu náboja aj v dôsledku pohybu elektrónov, ale z viacerých dôvodov je vhodné použiť na opis prúdu koncept diery - kladná kvázičastica, čo je pohybujúce sa prázdne miesto elektrónov.
V elektrolytických roztokoch sa prechod prúdu uskutočňuje vďaka pohybu záporných a kladných iónov k rôznym pólom - anóde a katóde, ktoré sú súčasťou roztoku.
Prenosové prúdy
Plyn – za normálnych podmienok dielektrikum – sa môže stať vodičom, ak je podrobený dostatočne silnej ionizácii. Elektrická vodivosť plynu je zmiešaná. Ionizovaný plyn je už plazma, v ktorej sa pohybujú elektróny aj ióny, teda všetky nabité častice. Ich usporiadaný pohyb tvorí plazmový kanál a nazýva sa plynový výboj.
K priamemu pohybu nábojov môže dochádzať nielen vo vnútri prostredia. Predpokladajme, že lúč elektrónov alebo iónov sa pohybuje vo vákuu, vyžarovaný z kladnej alebo zápornej elektródy. Tento jav sa nazýva emisia elektrónov a je široko používaný napríklad vo vákuových zariadeniach. Samozrejme, tento pohyb je prúd.
Ďalším prípadom je pohyb elektricky nabitého makroskopického telesa. Toto je tiež aktuálne, keďže takáto situácia spĺňa podmienku smerovaného prenosu náboja.
Všetky vyššie uvedené príklady by sa mali považovať za usporiadaný pohyb nabitých častíc. Tento prúd sa nazýva konvekčný alebo prenosový prúd. Jeho vlastnosti, napríklad magnetické, sú úplne podobné vlastnostiam vodivých prúdov.
Skreslený prúd
Existuje jav, ktorý nemá nič spoločné s prenosom náboja a vyskytuje sa tam, kde existuje časovo premenné elektrické pole, ktoré má vlastnosť „skutočného“vedenia alebo prenosových prúdov: excituje striedavé magnetické pole. Toto jesa vyskytuje napríklad v obvodoch striedavého prúdu medzi doskami kondenzátorov. Tento jav je sprevádzaný prenosom energie a nazýva sa posuvný prúd.
V skutočnosti táto hodnota ukazuje, ako rýchlo sa mení indukcia elektrického poľa na určitom povrchu kolmom na smer jeho vektora. Koncept elektrickej indukcie zahŕňa vektory intenzity poľa a polarizácie. Vo vákuu sa berie do úvahy iba napätie. Čo sa týka elektromagnetických procesov v hmote, polarizácia molekúl alebo atómov, pri ktorých pri vystavení poľu dochádza k pohybu viazaných (nie voľných!) nábojov, do určitej miery prispieva k posuvnému prúdu v dielektriku alebo vodiči.
Názov vznikol v 19. storočí a je podmienený, keďže skutočný elektrický prúd je usporiadaný pohyb nabitých častíc. Výtlakový prúd nemá nič spoločné s driftom náboja. Preto, prísne vzaté, nejde o prúd.
Prejavy (činnosti) súčasného
Usporiadaný pohyb nabitých častíc je vždy sprevádzaný určitými fyzikálnymi javmi, ktoré sa v skutočnosti dajú použiť na posúdenie, či tento proces prebieha alebo nie. Takéto javy (aktuálne akcie) je možné rozdeliť do troch hlavných skupín:
- Magnetická akcia. Pohyblivý elektrický náboj nevyhnutne vytvára magnetické pole. Ak priložíte kompas k vodiču, ktorým preteká prúd, šípka sa otočí kolmo na smer tohto prúdu. Na základe tohto javu fungujú elektromagnetické zariadenia, ktoré umožňujú napríklad premenu elektrickej energiedo mechanického.
- Tepelný efekt. Prúd pracuje na prekonaní odporu vodiča, čo vedie k uvoľneniu tepelnej energie. Je to preto, že počas driftu sa nabité častice rozptyľujú na prvkoch kryštálovej mriežky alebo na molekulách vodičov a dodávajú im kinetickú energiu. Ak by bola mriežka, povedzme, kovu dokonale pravidelná, elektróny by si to prakticky nevšimli (je to dôsledok vlnovej povahy častíc). Po prvé, samotné atómy v miestach mriežky sú vystavené tepelným vibráciám, ktoré porušujú jej pravidelnosť, a po druhé, defekty mriežky - atómy nečistôt, dislokácie, vakancie - tiež ovplyvňujú pohyb elektrónov.
- Chemický účinok sa pozoruje v elektrolytoch. Opačné nabité ióny, na ktoré sa pri pôsobení elektrického poľa disociuje elektrolytický roztok, sa oddelia na protiľahlé elektródy, čo vedie k chemickému rozkladu elektrolytu.
S výnimkou prípadov, keď je riadený pohyb nabitých častíc predmetom vedeckého výskumu, človeka zaujíma jeho makroskopické prejavy. Pre nás nie je dôležitý samotný prúd, ale vyššie uvedené javy, ktoré spôsobuje premenou elektrickej energie na iné formy.
Všetky súčasné akcie zohrávajú v našich životoch dvojakú úlohu. V niektorých prípadoch je potrebné chrániť ľudí a zariadenia pred nimi, v iných je dosiahnutie jedného alebo druhého účinku spôsobeného riadeným prenosom elektrických nábojov priame.účel širokej škály technických zariadení.
