Ogromna różnorodność zjawisk fizycznych, zarówno mikroskopijnych, jak i makroskopowych, ma charakter elektromagnetyczny. Należą do nich siły tarcia i sprężystości, wszystkie procesy chemiczne, elektryczność, magnetyzm, optyka.
Jednym z takich przejawów oddziaływania elektromagnetycznego jest uporządkowany ruch naładowanych cząstek. Jest to absolutnie niezbędny element niemal wszystkich nowoczesnych technologii, które znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach - od organizacji naszego życia po loty w kosmos.
Ogólna koncepcja zjawiska
Uporządkowany ruch naładowanych cząstek nazywa się prądem elektrycznym. Taki ruch ładunków może odbywać się w różnych ośrodkach za pomocą określonych cząstek, czasem quasi-cząstek.
Warunkiem wstępnym dla prądu jestprecyzyjnie uporządkowany, ukierunkowany ruch. Cząstki naładowane to obiekty, które (podobnie jak neutralne) mają chaotyczny ruch termiczny. Jednak prąd pojawia się tylko wtedy, gdy na tle tego ciągłego chaotycznego procesu następuje ogólny ruch ładunków w jakimś kierunku.
Kiedy ciało się porusza, jako całość elektrycznie obojętne, cząsteczki w jego atomach i cząsteczkach poruszają się oczywiście w określonym kierunku, ale ponieważ przeciwne ładunki w neutralnym obiekcie kompensują się nawzajem, nie ma przeniesienia ładunku. i możemy mówić o prądzie, w tym przypadku też nie ma sensu.
Jak generowany jest prąd
Rozważ najprostszą wersję wzbudzenia prądem stałym. Jeśli pole elektryczne zostanie przyłożone do ośrodka, w którym w ogólnym przypadku występują nośniki ładunku, rozpocznie się w nim uporządkowany ruch naładowanych cząstek. Zjawisko to nazywa się dryfem ładunku.
Można to krótko opisać w następujący sposób. W różnych punktach pola powstaje różnica potencjałów (napięcie), to znaczy energia oddziaływania ładunków elektrycznych znajdujących się w tych punktach z polem, związana z wielkością tych ładunków, będzie różna. Ponieważ każdy układ fizyczny, jak wiadomo, dąży do minimum energii potencjalnej odpowiadającej stanowi równowagi, naładowane cząstki zaczną dążyć do wyrównania potencjałów. Innymi słowy, pole wykonuje pewną pracę, aby przenieść te cząstki.
Kiedy potencjały są wyrównane, napięcie znikapole elektryczne - znika. W tym samym czasie zatrzymuje się również uporządkowany ruch naładowanych cząstek, prąd. W celu uzyskania pola stacjonarnego, czyli niezależnego od czasu, konieczne jest zastosowanie źródła prądowego, w którym ze względu na uwalnianie energii w pewnych procesach (np. chemicznych) ładunki są w sposób ciągły oddzielane i podawane do biegunów, utrzymując istnienie pola elektrycznego.
Current można uzyskać na różne sposoby. Zatem zmiana pola magnetycznego wpływa na wprowadzone do niego ładunki w obwodzie przewodzącym i powoduje ich ukierunkowany ruch. Taki prąd nazywamy indukcyjnym.
Charakterystyka ilościowa prądu
Głównym parametrem, za pomocą którego prąd jest opisywany ilościowo, jest siła prądu (czasami mówi się „wartość” lub po prostu „prąd”). Definiuje się ją jako ilość energii elektrycznej (ilość ładunku lub liczbę ładunków elementarnych) przechodzącą w jednostce czasu przez określoną powierzchnię, zwykle przez przekrój przewodnika: I=Q / t. Prąd jest mierzony w amperach: 1 A \u003d 1 C / s (kulomb na sekundę). Na odcinku obwodu elektrycznego natężenie prądu jest bezpośrednio związane z różnicą potencjałów i odwrotnie - z rezystancją przewodu: I \u003d U / R. Dla pełnego obwodu zależność ta (prawo Ohma) wyraża się jako I=Ԑ/R+r, gdzie Ԑ jest siłą elektromotoryczną źródła, a r jest jego oporem wewnętrznym.
Stosunek natężenia prądu do przekroju przewodnika, przez który następuje prostopadły do niego uporządkowany ruch naładowanych cząstek, nazywamy gęstością prądu: j=I/S=P/św. Ta wartość charakteryzuje ilość energii elektrycznej przepływającej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni. Im wyższe natężenie pola E i przewodnictwo elektryczne ośrodka σ, tym większa gęstość prądu: j=σ∙E. W przeciwieństwie do natężenia prądu, ta wielkość jest wektorem i ma kierunek wzdłuż ruchu cząstek niosących ładunek dodatni.
Aktualny kierunek i kierunek dryfu
W polu elektrycznym obiekty niosące ładunek, pod wpływem sił kulombowskich, wykonają uporządkowany ruch do bieguna źródła prądu, przeciwnie do znaku ładunku. Cząstki naładowane dodatnio dryfują w kierunku bieguna ujemnego („minus”) i odwrotnie, swobodne ładunki ujemne są przyciągane do „plusa” źródła. Cząstki mogą również poruszać się w dwóch przeciwnych kierunkach jednocześnie, jeśli w medium przewodzącym znajdują się nośniki ładunku obu znaków.
Ze względów historycznych ogólnie przyjmuje się, że prąd jest kierowany w taki sposób, w jaki poruszają się ładunki dodatnie – od „plus” do „minus”. Aby uniknąć nieporozumień, należy pamiętać, że chociaż w najbardziej znanym przypadku prądu w przewodnikach metalowych, rzeczywisty ruch cząstek - elektronów - zachodzi oczywiście w przeciwnym kierunku, ta warunkowa reguła obowiązuje zawsze.
Aktualna propagacja i prędkość dryfu
Często pojawiają się problemy ze zrozumieniem, jak szybko płynie prąd. Nie należy mylić dwóch różnych pojęć: prędkość propagacji prądu (elektrycznasygnał) oraz prędkość dryfu cząstek - nośników ładunku. Pierwszym z nich jest prędkość, z jaką przenoszone jest oddziaływanie elektromagnetyczne lub - co jest tym samym - propaguje się pole. Jest zbliżona (biorąc pod uwagę ośrodek propagacji) do prędkości światła w próżni i wynosi prawie 300 000 km/s.
Cząstki wykonują swój uporządkowany ruch bardzo powoli (10-4–10-3 m/s). Prędkość dryfu zależy od intensywności, z jaką działa na nie przyłożone pole elektryczne, ale we wszystkich przypadkach jest ona o kilka rzędów wielkości mniejsza od prędkości termicznego ruchu losowego cząstek (105 –106m/s). Ważne jest, aby zrozumieć, że pod działaniem pola zaczyna się jednoczesny dryf wszystkich wolnych ładunków, więc prąd pojawia się natychmiast w całym przewodniku.
Typy prądu
Przede wszystkim prądy wyróżniają się zachowaniem nośników ładunku w czasie.
- Prąd stały to prąd, który nie zmienia ani wielkości (siły), ani kierunku ruchu cząstek. Jest to najłatwiejszy sposób przemieszczania naładowanych cząstek i zawsze jest to początek badań nad prądem elektrycznym.
- W prądzie przemiennym parametry te zmieniają się z czasem. Jego wytwarzanie opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej, która zachodzi w obwodzie zamkniętym na skutek zmiany (obrotu) pola magnetycznego. Pole elektryczne w tym przypadku okresowo odwraca wektor natężenia. W związku z tym zmieniają się znaki potencjałów, a ich wartość przechodzi od „plus” do „minus” wszystkie wartości pośrednie, w tym zero. W rezultacieZjawisko to uporządkowany ruch naładowanych cząstek cały czas zmienia kierunek. Wielkość takiego prądu waha się (zwykle sinusoidalnie, czyli harmonicznie) od maksimum do minimum. Prąd przemienny ma tak ważną cechę szybkości tych oscylacji, jak częstotliwość - liczba pełnych cykli zmian na sekundę.
Oprócz tej najważniejszej klasyfikacji, różnice między prądami można również poczynić według takiego kryterium, jak charakter ruchu nośników ładunku w stosunku do ośrodka, w którym prąd się rozchodzi.
Prądy przewodzenia
Najbardziej znanym przykładem prądu jest uporządkowany, ukierunkowany ruch naładowanych cząstek pod wpływem pola elektrycznego wewnątrz ciała (ośrodka). Nazywa się to prądem przewodzenia.
W ciałach stałych (metale, grafit, wiele złożonych materiałów) i niektórych cieczach (stopy rtęci i innych metali) elektrony są ruchomymi, naładowanymi cząsteczkami. Uporządkowany ruch w przewodniku to ich dryf względem atomów lub cząsteczek substancji. Tego rodzaju przewodnictwo nazywa się elektronicznym. W półprzewodnikach przeniesienie ładunku następuje również z powodu ruchu elektronów, ale z wielu powodów wygodnie jest używać pojęcia dziury do opisu prądu - dodatniej quasicząstki, która jest poruszającym się wakansem elektronu.
W roztworach elektrolitycznych przepływ prądu odbywa się dzięki przemieszczaniu się jonów ujemnych i dodatnich do różnych biegunów - anody i katody, które są częścią roztworu.
Prądy transferowe
Gaz – w normalnych warunkach dielektryk – może również stać się przewodnikiem, jeśli zostanie poddany wystarczająco silnej jonizacji. Przewodność elektryczna gazu jest mieszana. Zjonizowany gaz jest już plazmą, w której poruszają się zarówno elektrony, jak i jony, czyli wszystkie naładowane cząstki. Ich uporządkowany ruch tworzy kanał plazmowy i nazywa się wyładowaniem gazowym.
Ukierunkowany ruch ładunków może zachodzić nie tylko wewnątrz otoczenia. Załóżmy, że wiązka elektronów lub jonów porusza się w próżni, emitowana przez dodatnią lub ujemną elektrodę. Zjawisko to nazywane jest emisją elektronów i jest szeroko stosowane np. w urządzeniach próżniowych. Oczywiście ten ruch jest prądem.
Innym przypadkiem jest ruch naładowanego elektrycznie korpusu makroskopowego. To też jest prąd, gdyż taka sytuacja spełnia warunek ukierunkowanego transferu ładunku.
Wszystkie powyższe przykłady należy traktować jako uporządkowany ruch naładowanych cząstek. Ten prąd nazywa się prądem konwekcyjnym lub transferowym. Jego właściwości, na przykład magnetyczne, są całkowicie podobne do właściwości prądów przewodzenia.
Prąd polaryzacji
Istnieje zjawisko, które nie ma nic wspólnego z przenoszeniem ładunku i występuje, gdy występuje zmienne w czasie pole elektryczne, które ma właściwość „rzeczywistego” przewodzenia lub przenoszenia prądów: wzbudza zmienne pole magnetyczne. To jestwystępuje na przykład w obwodach prądu przemiennego między płytkami kondensatorów. Zjawisku temu towarzyszy przenoszenie energii i nazywane jest prądem przesunięcia.
W rzeczywistości wartość ta pokazuje, jak szybko indukcja pola elektrycznego zmienia się na określonej powierzchni prostopadłej do kierunku jej wektora. Pojęcie indukcji elektrycznej obejmuje wektory natężenia pola i polaryzacji. W próżni brane jest pod uwagę tylko napięcie. Jeśli chodzi o procesy elektromagnetyczne w materii, polaryzacja cząsteczek lub atomów, w których po wystawieniu na działanie pola ma miejsce ruch związanych (nie swobodnych!) ładunków, w pewnym stopniu przyczynia się do prądu przesunięcia w dielektryku lub przewodniku.
Nazwa powstała w XIX wieku i jest warunkowa, ponieważ prawdziwy prąd elektryczny to uporządkowany ruch naładowanych cząstek. Prąd przesunięcia nie ma nic wspólnego z dryfem ładunku. Dlatego ściśle mówiąc nie jest to prąd.
Manifestacje (działania) bieżącego
Uporządkowanemu ruchowi naładowanych cząstek zawsze towarzyszą pewne zjawiska fizyczne, które w rzeczywistości można wykorzystać do oceny, czy ten proces ma miejsce, czy nie. Można takie zjawiska (bieżące działania) podzielić na trzy główne grupy:
- Działanie magnetyczne. Poruszający się ładunek elektryczny z konieczności wytwarza pole magnetyczne. Jeśli umieścisz kompas obok przewodnika, przez który przepływa prąd, strzałka obróci się prostopadle do kierunku tego prądu. W oparciu o to zjawisko działają urządzenia elektromagnetyczne, pozwalające np. na przetwarzanie energii elektrycznejna mechaniczne.
- Efekt termiczny. Prąd działa, aby pokonać opór przewodnika, co powoduje uwolnienie energii cieplnej. Dzieje się tak, ponieważ podczas dryfu naładowane cząstki ulegają rozproszeniu na elementach sieci krystalicznej lub cząsteczkach przewodnika i dają im energię kinetyczną. Gdyby sieć, powiedzmy, metalu była idealnie regularna, elektrony praktycznie by jej nie zauważyły (jest to konsekwencja falowej natury cząstek). Jednak, po pierwsze, same atomy w miejscach sieci podlegają drganiom termicznym, które naruszają jej regularność, a po drugie, defekty sieci - atomy zanieczyszczeń, dyslokacje, wakanty - również wpływają na ruch elektronów.
- Działanie chemiczne obserwuje się w elektrolitach. Przeciwnie naładowane jony, w których następuje dysocjacja roztworu elektrolitu, po przyłożeniu pola elektrycznego są rozdzielane na przeciwległe elektrody, co prowadzi do chemicznego rozkładu elektrolitu.
Z wyjątkiem sytuacji, gdy uporządkowany ruch naładowanych cząstek jest przedmiotem badań naukowych, człowieka interesują go jego makroskopowe przejawy. Nie sam prąd jest dla nas ważny, ale wymienione powyżej zjawiska, które on wywołuje w wyniku przemiany energii elektrycznej w inne formy.
Wszystkie obecne działania odgrywają podwójną rolę w naszym życiu. W niektórych przypadkach konieczna jest ochrona przed nimi ludzi i sprzętu, w innych uzyskanie takiego lub innego efektu wywołanego ukierunkowanym przenoszeniem ładunków elektrycznych jest bezpośrednie.przeznaczenie szerokiej gamy urządzeń technicznych.
