Uređeno kretanje naelektrisanih čestica: koncept i karakteristike

Ogromna raznolikost fizičkih pojava, mikroskopskih i makroskopskih, ima elektromagnetnu prirodu. To uključuje sile trenja i elastičnosti, sve hemijske procese, elektricitet, magnetizam, optiku.

Jedna od takvih manifestacija elektromagnetne interakcije je uređena kretanje naelektrisanih čestica. To je apsolutno neophodan element gotovo svih savremenih tehnologija koje se koriste u raznim oblastima – od organizacije našeg svakodnevnog života do svemirskih letova.

Opći koncept fenomena

Uređeno kretanje naelektrisanih čestica naziva se električna struja. Takvo kretanje naboja može se izvesti u različitim medijima pomoću određenih čestica, ponekad kvazičestica.

Preduslov za struju je upravo uredno, usmjereno kretanje. Naelektrisane čestice su objekti koji (kao i neutralni) imaju toplotno kaotično kretanje. Međutim, struja se javlja samo kada, u pozadini ovog kontinuiranog neurednog procesa, postoji opšte kretanje naboja u određenom pravcu.

Kada se tijelo kreće, koje je općenito električno neutralno, čestice u njegovim atomima i molekulima, naravno, kreću se smjerno, ali budući da se suprotni naboji u neutralnom objektu kompenziraju jedni druge, nema prijenosa naboja, a također nema smisla govoriti o struji u ovom slučaju.

Kako nastaje trenutna

Razmotrimo najjednostavniju varijantu DC ekscitacije. Ako se električno polje primijeni na medij gdje su općenito prisutni nosioci naboja, u njemu će početi uredno kretanje naelektrisanih čestica. , fenomen zvan drift naboja.

Ukratko, može se opisati na sljedeći način. Na različitim tačkama polja postoji razlika potencijala( napon), odnosno energija interakcije električnih naelektrisanja koja se nalazi na ovim tačkama sa poljem, povezana sa veličinom ovih naelektrisanja, biće različita. Pošto svaki fizički sistem, kao što je poznato, teži minimumu potencijalne energije koja odgovara ravnotežnom stanju, nabijene čestice će početi da se kreću ka izjednačavanju potencijala. Drugim riječima, polje radi neki posao na pomicanju ovih čestica.

Kada su potencijali poravnati, intenzitet električnog polja nestaje – nestaje. U isto vrijeme, uređeno kretanje naelektrisanih čestica – struja - također prestaje. Da bi se dobilo stacionarno, odnosno vremenski nezavisno polje, potrebno je koristiti izvor struje u kojem se, zbog oslobađanja energije u određenim procesima (na primjer, hemijskim), naboji kontinuirano odvajaju i stižu na polovi, održavajući postojanje električnog polja.

Struja se može dobiti na razne načine. Dakle, promjena magnetnog polja utiče na naboje u provodnom krugu uvedenom u njega i uzrokuje njihovo usmjereno kretanje. Ova struja se naziva indukcija.

Kvantitativne karakteristike struje

Glavni parametar po kojem je struja kvantitativno opisana je jačina struje (ponekad kažu "veličina" ili jednostavno"struja"). Definiše se kao količina električne energije (Količina naboja ili broj elementarnih naboja) koja prolazi kroz određenu površinu u jedinici vremena, obično kroz Dirigentpresjek : i = Q / t. Struja se mjeri u amperima: 1 A = 1 Kl / s (kulon u sekundi). U dijelu električnog kruga, jačina struje je direktno povezana sa razlikom potencijala i obrnuto sa otporom provodnika: i = u / R. Za kompletno kolo, ova zavisnost (Ohmov zakon) se izražava kao i = Ԑ / R+r, gde je Ԑ elektromotorna sila izvora, a r njegov unutrašnji otpor.

Odnos jačine struje i poprečnog preseka provodnika kroz koji se na njega odvija uređeno kretanje naelektrisanih čestica naziva se gustina struje: j = I / S = Q / St. Ova vrijednost karakterizira količinu električne energije koja teče u jedinici vremena kroz jedinicu površine. Što je veća jačina polja E i električna provodljivost medija σ, veća je gustina struje: j = σ*E. Za razliku od trenutne snage, ova vrijednost je vektorska i ima smjer u kretanju čestica koje nose pozitivan naboj.

Trenutni smjer i smjer drifta

U električnom polju, objekti koji nose naboj, pod dejstvom Kulonovih sila, izvršiće uređeno kretanje do pola izvora struje suprotno u znaku naboja. Čestice nabijene pozitivno plutaju prema negativnom polu ("minus") i, obrnuto, privlače se slobodni negativni troškovi "plus" izvora. Čestice se također mogu kretati u dva suprotna smjera odjednom ako su nosioci naboja oba znaka prisutni u provodnom mediju.

Iz istorijskih razloga, smatra se da je struja usmjerena na način na koji se kreću pozitivni naboji-od "plus" do "minus". Da bi se izbjegla zabuna, treba imati na umu da iako se u najpoznatijem slučaju struje u metalnim provodnicima stvarno kretanje čestica-elektrona-dešava, naravno, u suprotnom smjeru, ovo uslovno pravilo uvijek vrijedi.

Trenutna brzina širenja i drifta

Često postoje problemi sa razumijevanjem brzine kretanja struje. Ne treba miješati dva različita koncepta: brzinu širenja struje (električni signal) i brzinu drifta čestica nosača naboja. Prva je brzina kojom se prenosi elektromagnetna interakcija ili - što je isto-polje se širi. Blizu je (uzimajući u obzir medij za širenje) brzini svjetlosti u vakuumu i iznosi skoro 300.000 km / s.

Čestice čine svoje uređeno kretanje veoma sporo (10^-4-10^-3 m/s). Brzina zanošenja zavisi od intenziteta kojim primenjeno električno polje deluje na njih, ali je u svim slučajevima nekoliko redova veličine inferiorno u odnosu na brzinu toplotnog slučajnog kretanja čestica (10⁵-10⁶ m/s). Važno je shvatiti da pod djelovanjem polja započinje istovremeno zanošenje svih slobodnih troškova, tako da struja nastaje odmah u cijelom dirigentu.

Vrste aktuelnih

Prije svega , struje se razlikuju po ponašanju nosilaca naboja tokom vremena.

• Konstanta je struja koja ne mijenja ni veličinu (silu) ni smjer kretanja čestica. Ovo je najjednostavniji način premještanja nabijenih čestica, a proučavanje električne struje uvijek počinje s njim.
• Za naizmjeničnu struju , ovi parametri promjena tokom vremena. Njegova generacija se zasniva na fenomenu elektromagnetne indukcije, koja se javlja u zatvorenom krugu usled promene (rotacije) magnetnog polja. Električno polje u ovom slučaju povremeno mijenja vektor intenziteta u suprotan. Shodno tome, znaci potencijala se menjaju, a njihova veličina prelazi iz "plus" do "minus" sve srednje vrijednosti, uključujući nulu. Kao rezultat ovog fenomena, uređeno kretanje naelektrisanih čestica stalno mijenja smjer. Veličina takve struje varira (obično sinusoidno, odnosno harmonično) od maksimalne do minimalne. Naizmjenična struja ima tako važnu karakteristiku brzine ovih oscilacija kao što je frekvencija-broj kompletnih ciklusa promjene u sekundi.

Osim toga ... od ovog najvažnije klasifikacije, razlike između struja mogu se izvršiti i prema kriterijima kao što je priroda kretanja nosilaca naboja u odnosu na medij u kojem se struja širi.

Provodne struje

Najpoznatiji primjer struje je uređeni, usmjereno kretanje naplaćenog čestice pod dejstvom električnog polja unutar tela (medija). To se zove provodna struja.

U čvrstim materijama (metali, grafit, mnogi složeni materijali) i nekim tečnostima (živa i drugi metalni topi), elektroni su pokretne nabijene čestice. Uređeno kretanje u provodniku je njihov zanos u odnosu na atome ili molekule supstance. Provodljivost ove vrste naziva se elektronska. U poluprovodnicima, prenos naboja se takođe dešava usled kretanja elektrona, ali je iz više razloga zgodno koristiti koncept rupe – pozitivne kvazičestice koja predstavlja pokretno elektronsko slobodno mesto - za opisivanje struje.

U elektrolitičkim rastvorima prolaz struje se vrši usled negativnih i pozitivnih jona koji se kreću na različite polove-anodu i katodu, koji su deo rastvora.

Struje prenosa

Gas-dielektrik u normalnim uslovima – takođe može postati provodnik ako je podvrgnut dovoljno jakoj jonizaciji. Električna provodljivost gasa je mešovite prirode. Jonizovani gas je već plazma u kojoj se kreću i elektroni i joni, odnosno sve nabijene čestice. Njihovo uredno kretanje formira plazma kanal i naziva se pražnjenje gasa.

Usmjereno kretanje naboja može se desiti ne samo unutar medija. Pretpostavimo da se snop elektrona ili jona koji se emituje iz pozitivne ili negativne elektrode kreće u vakuumu. Ovaj fenomen se naziva elektronska emisija i široko se koristi, na primer, u vakuumskim uređajima. Naravno, takav pokret je struja.

Drugi slučaj je kretanje makroskopskog tijela sa električnim nabojem. Ovo je također struja, jer takva situacija zadovoljava uvjet usmjerenog prijenosa naboja.

Svi navedeni primjeri moraju se posmatrati kao uređeno kretanje naelektrisanih čestica. Takva struja se naziva konvekcijska ili prenosna struja. Njegova svojstva, na primjer, magnetna, Potpuno su slična svojstvima provodnih struja.

Bias current

Postoji fenomen koji nema nikakve veze sa prenosom naboja i javlja se tamo gde postoji vremensko varirajuće električno polje koje ima svojstvo svojstveno "stvarnom" provodljivosti ili strujama prenosa: ono uzbuđuje naizmenično magnetno polje. To se događa, na primjer, u krugovima naizmjenične struje između kondenzatorskih ploča. Fenomen je praćen prenosom energije i naziva se struja pomaka.

Zapravo, ova vrijednost pokazuje koliko se brzo indukcija električnog polja mijenja na određenoj površini okomitoj na smjer njegovog vektora. Koncept električne indukcije uključuje vektore jačine polja i polarizacije. U vakuumu se uzima u obzir samo napetost. Što se tiče elektromagnetnih procesa u materiji, polarizacija molekula ili atoma u kojima, kada su izloženi polju, dolazi do kretanja vezanih (ne slobodnih!) puni, daje određeni doprinos struji pristranosti u dielektriku ili provodniku.

Ime je nastalo u XIX veku i uslovno je, jer je stvarna električna struja naređena kretanja nabijenih čestica. Struja pristranosti nema nikakve veze sa driftom naboja. Stoga, strogo govoreći, to nije aktuelno.

Manifestacije (radnje) struje

Uređeno kretanje naelektrisanih čestica uvek je praćeno određenim fizičkim pojavama, po kojima je, zapravo, moguće proceniti da li se ovaj proces odvija ili ne. Takve pojave (trenutne radnje) možemo podijeliti u tri glavne grupe:

• Magnetna akcija. Pokretni električni naboj nužno stvara magnetno polje. Ako postavite kompas pored provodnika kroz koji struja teče, strelica će se rotirati okomito na smjer ove struje. Na osnovu ovog fenomena rade elektromagnetni uređaji koji omogućavaju, na primer, pretvaranje električne energije u mehaničku energiju.
• Termički efekat. Struja radi na prevazilaženju otpora provodnika, što rezultira oslobađanjem toplotna energija. To se dešava zato što tokom drifta, nabijene čestice doživljavaju rasipanje po elementima kristalne rešetke ili molekulima provodnika i daju im kinetičku energiju. Da je rešetka, recimo, metala savršeno ispravna, elektroni to praktično ne bi primijetili (to je posljedica talasne prirode čestica). Međutim, prvo, atomi u samim rešetkastim čvorovima podložni su termičkim fluktuacijama koje narušavaju njegovu ispravnost, a drugo, nedostaci rešetke - atomi nečistoće, dislokacije, slobodna radna mjesta - također utječu na kretanje elektrona.
• Hemijski efekat posmatra se u elektrolitima. od različito nabijenih jona, na koje se disocira elektrolitički rastvor, kada se nanese električno polje, razblažuju se na suprotnim elektrodama, što dovodi do hemijskog razlaganja elektrolita.

Sa izuzetkom slučajeva kada je uređeno kretanje naelektrisanih čestica predmet naučnog istraživanja, ono zanima osobu u njenim makroskopskim manifestacijama. Za nas nije važna sama struja, već gore navedeni fenomeni koje ona uzrokuje transformacijom električne energije u druge vrste.

Sve akcije aktuelnog igraju dvostruku ulogu u našim životima. U nekim je slučajevima potrebno zaštititi ljude i opremu od njih, u drugima je postizanje jednog ili drugog efekta uzrokovanog usmjerenim prenosom električnih naboja direktna svrha od širokog spektra za tehničke uređaje.