O mare varietate de fenomene fizice, atât microscopice, cât și macroscopice, sunt de natură electromagnetică. Acestea includ forțele de frecare și elasticitate, toate procesele chimice, electricitate, magnetism, optică.
Una dintre astfel de manifestări ale interacțiunii electromagnetice este mișcarea ordonată a particulelor încărcate. Este un element absolut necesar al aproape tuturor tehnologiilor moderne care sunt folosite în diverse domenii - de la organizarea vieții noastre până la zborurile spațiale.
Conceptul general al fenomenului
Mișcarea ordonată a particulelor încărcate se numește curent electric. O astfel de mișcare a sarcinilor poate fi efectuată în medii diferite prin intermediul anumitor particule, uneori cvasiparticule.
O condiție prealabilă pentru curent estemișcare precis ordonată, direcționată. Particulele încărcate sunt obiecte care (precum și cele neutre) au mișcare haotică termică. Curentul apare însă numai atunci când, pe fondul acestui proces haotic continuu, există o mișcare generală a sarcinilor într-o anumită direcție.
Când un corp se mișcă, neutru din punct de vedere electric în ansamblu, particulele din atomii și moleculele sale, desigur, se mișcă într-o direcție, dar din moment ce sarcinile opuse dintr-un obiect neutru se compensează reciproc, nu există transfer de sarcină, și putem vorbi despre curentul nu are sens nici în acest caz.
Cum este generat curentul
Luați în considerare cea mai simplă versiune a excitației cu curent continuu. Dacă un câmp electric este aplicat unui mediu în care sunt prezenți purtători de sarcină în cazul general, va începe o mișcare ordonată a particulelor încărcate în el. Fenomenul se numește deriva de sarcină.
Poate fi descris pe scurt după cum urmează. În diferite puncte ale câmpului, apare o diferență de potențial (tensiune), adică energia de interacțiune a sarcinilor electrice situate în aceste puncte cu câmpul, raportată la mărimea acestor sarcini, va fi diferită. Deoarece orice sistem fizic, după cum se știe, tinde către un minim de energie potențială corespunzătoare stării de echilibru, particulele încărcate vor începe să se deplaseze către egalizarea potențialelor. Cu alte cuvinte, câmpul lucrează pentru a muta aceste particule.
Când potențialele sunt egalizate, tensiunea disparecâmp electric - dispare. În același timp, se oprește și mișcarea ordonată a particulelor încărcate, curentul. Pentru a obține un câmp staționar, adică independent de timp, este necesar să se utilizeze o sursă de curent în care, datorită eliberării de energie în anumite procese (de exemplu, chimice), sarcinile sunt separate continuu și alimentate la poli, menținând existența unui câmp electric.
Curentul poate fi obținut în diferite moduri. Deci, o modificare a câmpului magnetic afectează sarcinile din circuitul conducător introduse în acesta și provoacă mișcarea lor direcționată. Un astfel de curent se numește inductiv.
Caracteristicile cantitative ale curentului
Parametrul principal prin care curentul este descris cantitativ este puterea curentului (uneori se spune „valoare” sau pur și simplu „curent”). Este definită ca cantitatea de energie electrică (cantitatea de sarcină sau numărul de sarcini elementare) care trece pe unitatea de timp printr-o anumită suprafață, de obicei prin secțiunea transversală a unui conductor: I=Q / t. Curentul se măsoară în amperi: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb pe secundă). În secțiunea circuitului electric, puterea curentului este direct legată de diferența de potențial și invers - de rezistența conductorului: I \u003d U / R. Pentru un circuit complet, această dependență (legea lui Ohm) este exprimată ca I=Ԑ/R+r, unde Ԑ este forța electromotoare a sursei și r este rezistența sa internă.
Raportul dintre puterea curentului și secțiunea transversală a conductorului prin care are loc mișcarea ordonată a particulelor încărcate perpendicular pe acesta se numește densitate de curent: j=I/S=Q/Sf. Această valoare caracterizează cantitatea de energie electrică care curge pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață. Cu cât este mai mare intensitatea câmpului E și conductivitatea electrică a mediului σ, cu atât densitatea de curent este mai mare: j=σ∙E. Spre deosebire de puterea curentului, această cantitate este vectorială și are o direcție de-a lungul mișcării particulelor care poartă o sarcină pozitivă.
Direcția curentă și direcția de derive
Într-un câmp electric, obiectele purtătoare de sarcină, sub influența forțelor Coulomb, vor efectua o mișcare ordonată către polul sursei de curent, opus în semnul sarcinii. Particulele încărcate pozitiv se deplasează către polul negativ („minus”) și, invers, sarcinile negative libere sunt atrase de „plusul” sursei. Particulele se pot deplasa, de asemenea, în două direcții opuse simultan dacă există purtători de sarcină ai ambelor semne în mediul conductor.
Din motive istorice, se acceptă în general că curentul este direcționat așa cum se deplasează sarcinile pozitive - de la „plus” la „minus”. Pentru a evita confuzia, trebuie amintit că, deși în cel mai familiar caz al curentului în conductorii metalici, mișcarea reală a particulelor - electroni - are loc, desigur, în sens invers, această regulă condiționată se aplică întotdeauna.
Propagarea curentă și viteza de derive
Adesea există probleme cu înțelegerea cât de repede se mișcă curentul. Două concepte diferite nu trebuie confundate: viteza de propagare a curentului (electricsemnal) și viteza de derive a particulelor - purtători de sarcină. Prima este viteza cu care se transmite interacțiunea electromagnetică sau - care este aceeași - se propagă câmpul. Este aproape (ținând cont de mediul de propagare) de viteza luminii în vid și este de aproape 300.000 km/s.
Particulele își fac mișcarea ordonată foarte încet (10-4–10-3 m/s). Viteza de derivă depinde de intensitatea cu care câmpul electric aplicat acționează asupra lor, dar în toate cazurile este cu câteva ordine de mărime inferioară vitezei mișcării termice aleatoare a particulelor (105 –106m/s). Este important de înțeles că sub acțiunea câmpului începe deriva simultană a tuturor încărcărilor gratuite, astfel încât curentul apare imediat în întreg conductorul.
Tipuri de curent
În primul rând, curenții se disting prin comportamentul purtătorilor de sarcină în timp.
- Un curent constant este un curent care nu modifică nici mărimea (tăria) nici direcția mișcării particulelor. Acesta este cel mai simplu mod de a muta particulele încărcate și este întotdeauna începutul studiului curentului electric.
- În curent alternativ, acești parametri se modifică în timp. Generarea lui se bazează pe fenomenul de inducție electromagnetică care are loc într-un circuit închis ca urmare a unei modificări (rotații) a câmpului magnetic. Câmpul electric în acest caz inversează periodic vectorul de intensitate. În consecință, semnele potențialelor se schimbă, iar valoarea lor trece de la „plus” la „minus” toate valorile intermediare, inclusiv zero. Ca urmarefenomen, mișcarea ordonată a particulelor încărcate își schimbă direcția tot timpul. Mărimea unui astfel de curent fluctuează (de obicei sinusoid, adică armonic) de la un maxim la un minim. Curentul alternativ are o caracteristică atât de importantă a vitezei acestor oscilații ca frecvența - numărul de cicluri complete de schimbare pe secundă.
Pe lângă această cea mai importantă clasificare, diferențele între curenți pot fi făcute și în funcție de un astfel de criteriu precum natura mișcării purtătorilor de sarcină în raport cu mediul în care se propagă curentul.
Curenți de conducere
Cel mai faimos exemplu de curent este mișcarea ordonată și direcționată a particulelor încărcate sub acțiunea unui câmp electric în interiorul unui corp (mediu). Se numește curent de conducere.
În solide (metale, grafit, multe materiale complexe) și în unele lichide (mercur și alte metale topite), electronii sunt particule încărcate mobile. O mișcare ordonată într-un conductor este deplasarea lor față de atomii sau moleculele unei substanțe. Conductibilitatea de acest fel se numește electronică. În semiconductori, transferul de sarcină are loc și din cauza mișcării electronilor, dar din mai multe motive este convenabil să folosiți conceptul de gaură pentru a descrie curentul - o cvasiparticulă pozitivă, care este un electron vacant în mișcare.
În soluțiile electrolitice, trecerea curentului se realizează datorită mișcării ionilor negativi și pozitivi la diferiți poli - anodul și catodul, care fac parte din soluție.
Curenți de transfer
Gazul - în condiții normale un dielectric - poate deveni și conductor dacă este supus unei ionizări suficient de puternice. Conductivitatea electrică a gazului este amestecată. Un gaz ionizat este deja o plasmă în care se mișcă atât electronii, cât și ionii, adică toate particulele încărcate. Mișcarea lor ordonată formează un canal de plasmă și se numește descărcare de gaz.
Mișcarea direcționată a sarcinilor poate avea loc nu numai în interiorul mediului. Să presupunem că un fascicul de electroni sau ioni se mișcă în vid, emis de un electrod pozitiv sau negativ. Acest fenomen se numește emisie de electroni și este utilizat pe scară largă, de exemplu, în dispozitivele cu vid. Desigur, această mișcare este un curent.
Un alt caz este mișcarea unui corp macroscopic încărcat electric. Acesta este, de asemenea, un curent, deoarece o astfel de situație satisface condiția transferului de taxe direcționat.
Toate exemplele de mai sus ar trebui considerate ca o mișcare ordonată a particulelor încărcate. Acest curent se numește curent de convecție sau de transfer. Proprietățile sale, de exemplu, magnetice, sunt complet similare cu cele ale curenților de conducție.
Bias curent
Există un fenomen care nu are nimic de-a face cu transferul de sarcină și are loc acolo unde există un câmp electric variabil în timp, care are proprietatea de conducție „reală” sau curenți de transfer: excită un câmp magnetic alternativ. Aceasta esteapare, de exemplu, în circuitele de curent alternativ între plăcile condensatoarelor. Fenomenul este însoțit de transferul de energie și se numește curent de deplasare.
De fapt, această valoare arată cât de repede se modifică inducția câmpului electric pe o anumită suprafață perpendiculară pe direcția vectorului său. Conceptul de inducție electrică include puterea câmpului și vectorii de polarizare. În vid, se ia în considerare doar tensiunea. În ceea ce privește procesele electromagnetice din materie, polarizarea moleculelor sau atomilor, în care, atunci când sunt expuse unui câmp, are loc mișcarea sarcinilor legate (nu libere!), contribuie la curentul de deplasare într-un dielectric sau conductor.
Numele își are originea în secolul al XIX-lea și este condiționat, deoarece un curent electric real este o mișcare ordonată a particulelor încărcate. Curentul de deplasare nu are nimic de-a face cu deriva de sarcină. Prin urmare, strict vorbind, nu este un curent.
Manifestări (acțiuni) curentului
Mișcarea ordonată a particulelor încărcate este întotdeauna însoțită de anumite fenomene fizice, care, de fapt, pot fi folosite pentru a judeca dacă acest proces are loc sau nu. Este posibil să se împartă astfel de fenomene (acțiuni curente) în trei grupuri principale:
- Acțiune magnetică. O sarcină electrică în mișcare creează în mod necesar un câmp magnetic. Dacă plasați o busolă lângă un conductor prin care trece curentul, săgeata se va întoarce perpendicular pe direcția acestui curent. Pe baza acestui fenomen funcționează dispozitivele electromagnetice, permițând, de exemplu, convertirea energiei electriceîn mecanic.
- Efect termic. Curentul lucrează pentru a depăși rezistența conductorului, rezultând eliberarea de energie termică. Acest lucru se datorează faptului că, în timpul derivării, particulele încărcate experimentează împrăștierea pe elementele rețelei cristaline sau moleculele conductoare și le conferă energie cinetică. Dacă rețeaua, de exemplu, a unui metal ar fi perfect regulată, electronii practic nu ar observa acest lucru (aceasta este o consecință a naturii ondulatorii a particulelor). Cu toate acestea, în primul rând, atomii din locațiile rețelei sunt supuși unor vibrații termice care îi încalcă regularitatea, iar în al doilea rând, defectele rețelei - atomi de impurități, dislocații, locuri libere - afectează, de asemenea, mișcarea electronilor.
- Acțiunea chimică se observă în electroliți. Ionii încărcați opus, în care soluția electrolitică este disociată, atunci când se aplică un câmp electric, sunt separați de electrozi opuși, ceea ce duce la descompunerea chimică a electrolitului.
Cu excepția cazului în care mișcarea ordonată a particulelor încărcate face obiectul cercetării științifice, interesează o persoană în manifestările sale macroscopice. Nu curentul în sine este important pentru noi, ci fenomenele enumerate mai sus, pe care le provoacă, datorită transformării energiei electrice în alte forme.
Toate acțiunile curente joacă un rol dublu în viața noastră. În unele cazuri, este necesar să se protejeze oamenii și echipamentele de acestea, în altele, obținerea unuia sau altul efect cauzat de transferul direcționat al sarcinilor electrice este directă.scopul unei game largi de dispozitive tehnice.
