Didžiulė įvairių fizikinių reiškinių, tiek mikroskopinių, tiek makroskopinių, yra elektromagnetinio pobūdžio. Tai apima trinties ir elastingumo jėgas, visus cheminius procesus, elektrą, magnetizmą, optiką.
Viena iš tokių elektromagnetinės sąveikos apraiškų yra tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas. Tai absoliučiai būtinas beveik visų šiuolaikinių technologijų, kurios naudojamos įvairiose srityse – nuo mūsų gyvenimo organizavimo iki skrydžių į kosmosą, elementas.
Bendra reiškinio samprata
Tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas vadinamas elektros srove. Toks krūvių judėjimas gali būti vykdomas skirtingose terpėse naudojant tam tikras daleles, kartais kvazidaleles.
Būtina srovės sąlyga yratiksliai tvarkingas, nukreiptas judėjimas. Įkrautos dalelės yra objektai, kurie (kaip ir neutralūs) turi šiluminį chaotišką judėjimą. Tačiau srovė atsiranda tik tada, kai šio nuolatinio chaotiško proceso fone yra bendras krūvių judėjimas tam tikra kryptimi.
Kai kūnas juda, elektra neutralus kaip visuma, jo atomų ir molekulių dalelės, žinoma, juda tam tikra kryptimi, bet kadangi neutraliame objekte priešingi krūviai kompensuoja vienas kitą, krūvio pernešimas nevyksta, ir mes galime kalbėti apie tai, kad srovė šiuo atveju taip pat neturi prasmės.
Kaip generuojama srovė
Apsvarstykite paprasčiausią nuolatinės srovės sužadinimo versiją. Jei terpėje, kurioje yra krūvininkų, bendruoju atveju veikiamas elektrinis laukas, joje prasidės tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas. Šis reiškinys vadinamas krūvio dreifu.
Tai galima trumpai apibūdinti taip. Skirtinguose lauko taškuose atsiranda potencialų skirtumas (įtampa), tai yra, šiuose taškuose esančių elektros krūvių sąveikos su lauku energija, susijusi su šių krūvių dydžiu, bus skirtinga. Kadangi bet kuri fizinė sistema, kaip žinoma, linkusi į minimalią potencinę energiją, atitinkančią pusiausvyros būseną, įkrautos dalelės pradės judėti link potencialų išlyginimo. Kitaip tariant, laukas atlieka tam tikrą darbą, kad išjudintų šias daleles.
Kai potencialai išlyginami, įtampa išnykstaelektrinis laukas – išnyksta. Tuo pačiu sustoja ir tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas, srovė. Norint gauti stacionarų, tai yra nuo laiko nepriklausomą lauką, reikia naudoti srovės š altinį, kuriame dėl energijos išsiskyrimo tam tikruose procesuose (pavyzdžiui, cheminiuose) krūviai yra nuolat atskiriami ir tiekiami į poliai, išlaikant elektrinio lauko egzistavimą.
Srovę galima gauti įvairiais būdais. Taigi, magnetinio lauko pasikeitimas paveikia į ją įvestos laidžiosios grandinės krūvius ir sukelia jų kryptingą judėjimą. Tokia srovė vadinama indukcine.
Kiekybinės srovės charakteristikos
Pagrindinis parametras, kuriuo kiekybiškai apibūdinama srovė, yra srovės stiprumas (kartais sakoma „vertė“arba tiesiog „srovė“). Jis apibrėžiamas kaip elektros kiekis (krūvio kiekis arba elementariųjų krūvių skaičius), praeinantis per laiko vienetą per tam tikrą paviršių, dažniausiai per laidininko skerspjūvį: I=Q / t. Srovė matuojama amperais: 1 A \u003d 1 C / s (kulonas per sekundę). Elektros grandinės skyriuje srovės stipris yra tiesiogiai susijęs su potencialų skirtumu ir atvirkščiai - su laidininko varža: I \u003d U / R. Visai grandinei ši priklausomybė (Omo dėsnis) išreiškiama kaip I=Ԑ/R+r, kur Ԑ yra š altinio elektrovaros jėga, o r yra jo vidinė varža.
Srovės stiprio santykis su laidininko skerspjūviu, kuriuo statmenai jam vyksta tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas, vadinamas srovės tankiu: j=I/S=Q/St. Ši vertė apibūdina elektros kiekį, kuris per laiko vienetą teka per ploto vienetą. Kuo didesnis lauko stiprumas E ir terpės elektrinis laidumas σ, tuo didesnis srovės tankis: j=σ∙E. Skirtingai nuo srovės stiprumo, šis dydis yra vektorius ir turi teigiamą krūvį turinčių dalelių judėjimo kryptį.
Dabartinė kryptis ir dreifo kryptis
Elektriniame lauke objektai, turintys krūvį, veikiami Kulono jėgų, atliks tvarkingą judėjimą į srovės š altinio polių, priešingą krūvio ženklui. Teigiamai įkrautos dalelės dreifuoja link neigiamo poliaus („minuso“) ir, atvirkščiai, laisvieji neigiami krūviai pritraukiami prie š altinio „pliuso“. Dalelės taip pat gali judėti dviem priešingomis kryptimis vienu metu, jei laidžioje terpėje yra abiejų ženklų krūvininkų.
Dėl istorinių priežasčių visuotinai priimta, kad srovė nukreipta taip, kaip juda teigiami krūviai – nuo „pliuso“iki „minuso“. Kad būtų išvengta painiavos, reikia atsiminti, kad nors žinomiausiu srovės atveju metaliniuose laiduose realus dalelių – elektronų – judėjimas, žinoma, vyksta priešinga kryptimi, ši sąlyginė taisyklė galioja visada.
Srovės sklidimas ir dreifo greitis
Dažnai kyla problemų norint suprasti, kaip greitai juda srovė. Nereikėtų painioti dviejų skirtingų sąvokų: srovės sklidimo greičio (elektrossignalas) ir dalelių – krūvininkų – dreifo greitis. Pirmasis yra greitis, kuriuo perduodama elektromagnetinė sąveika arba – kuris yra toks pat – lauko plitimo greitis. Jis yra artimas (atsižvelgiant į sklidimo terpę) šviesos greičiui vakuume ir yra beveik 300 000 km/s.
Dalelės tvarkingai juda labai lėtai (10-4–10-3 m/s). Dreifo greitis priklauso nuo intensyvumo, kuriuo jas veikia taikomas elektrinis laukas, tačiau visais atvejais jis yra keliomis eilėmis mažesnis už atsitiktinio dalelių šiluminio judėjimo greitį (105 –106m/s). Svarbu suprasti, kad veikiant laukui, vienu metu prasideda visų laisvųjų krūvių dreifas, todėl srovė iš karto atsiranda visame laidininke.
Srovių tipai
Visų pirma, srovės išsiskiria iš krūvininkų elgesio laikui bėgant.
- Pastovi srovė – tai srovė, kuri nekeičia nei dalelių judėjimo dydžio (stiprumo), nei krypties. Tai lengviausias būdas perkelti įkrautas daleles ir visada yra elektros srovės tyrimo pradžia.
- Kintamojoje srovėje šie parametrai keičiasi laikui bėgant. Jo generavimas pagrįstas elektromagnetinės indukcijos reiškiniu, kuris atsiranda uždaroje grandinėje dėl magnetinio lauko pasikeitimo (sukimosi). Elektrinis laukas šiuo atveju periodiškai keičia intensyvumo vektorių. Atitinkamai, potencialų ženklai keičiasi, o jų vertė pereina iš „pliuso“į „minusą“visos tarpinės reikšmės, įskaitant nulį. Kaip rezultatasreiškinys, tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas visą laiką keičia kryptį. Tokios srovės dydis svyruoja (dažniausiai sinusiškai, tai yra harmoningai) nuo maksimumo iki minimumo. Kintamoji srovė turi tokią svarbią šių virpesių greičio charakteristiką kaip dažnis – pilnų kitimo ciklų skaičius per sekundę.
Be šios svarbiausios klasifikacijos, srovių skirtumai gali būti daromi ir pagal tokį kriterijų kaip krūvininkų judėjimo pobūdis terpės, kurioje srovė sklinda, atžvilgiu.
Laidumo srovės
Žymiausias srovės pavyzdys yra tvarkingas, kryptingas įkrautų dalelių judėjimas veikiant elektriniam laukui kūno (terpės) viduje. Ji vadinama laidumo srove.
Kietosiose medžiagose (metaluose, grafite, daugelyje sudėtingų medžiagų) ir kai kuriuose skysčiuose (gyvsidabrio ir kitų metalų lydaluose) elektronai yra judrios įkrautos dalelės. Tvarkingas judėjimas laidininke yra jų dreifas medžiagos atomų ar molekulių atžvilgiu. Toks laidumas vadinamas elektroniniu. Puslaidininkiuose krūvis taip pat vyksta dėl elektronų judėjimo, tačiau dėl daugelio priežasčių patogu naudoti skylės sąvoką apibūdinti srovę – teigiamą kvazidalelę, kuri yra judančio elektrono laisva vieta.
Elektrolitiniuose tirpaluose srovė praeina dėl neigiamų ir teigiamų jonų, judančių į skirtingus polius – anodą ir katodą, kurie yra tirpalo dalis.
Perduoti sroves
Dujos – normaliomis sąlygomis dielektrikas – taip pat gali tapti laidininku, jei jas veikia pakankamai stipri jonizacija. Dujų elektrinis laidumas yra mišrus. Jonizuotos dujos jau yra plazma, kurioje juda ir elektronai, ir jonai, tai yra visos įkrautos dalelės. Jų tvarkingas judėjimas sudaro plazmos kanalą ir yra vadinamas dujų išlydžiu.
Nukreiptas krūvių judėjimas gali vykti ne tik aplinkoje. Tarkime, elektronų arba jonų pluoštas juda vakuume, išspinduliuojamas iš teigiamo arba neigiamo elektrodo. Šis reiškinys vadinamas elektronų emisija ir plačiai naudojamas, pavyzdžiui, vakuuminiuose įrenginiuose. Žinoma, šis judėjimas yra srovė.
Kitas atvejis yra elektra įkrauto makroskopinio kūno judėjimas. Tai taip pat yra srovė, nes tokia situacija atitinka nukreipto įkrovimo perkėlimo sąlygą.
Visi aukščiau pateikti pavyzdžiai turėtų būti laikomi tvarkingu įkrautų dalelių judėjimu. Ši srovė vadinama konvekcine arba perdavimo srove. Jo savybės, pavyzdžiui, magnetinės, yra visiškai panašios į laidumo srovių savybes.
Poslinkio srovė
Yra reiškinys, neturintis nieko bendra su krūvio perkėlimu ir atsirandantis ten, kur yra laike kintantis elektrinis laukas, turintis „tikrojo“laidumo arba perdavimo srovių savybę: jis sužadina kintamąjį magnetinį lauką. Tai yraatsiranda, pavyzdžiui, kintamosios srovės grandinėse tarp kondensatorių plokščių. Šį reiškinį lydi energijos perdavimas ir jis vadinamas poslinkio srove.
Tiesą sakant, ši vertė parodo, kaip greitai keičiasi elektrinio lauko indukcija tam tikrame paviršiuje, statmename jo vektoriaus krypčiai. Elektrinės indukcijos sąvoka apima lauko stiprumo ir poliarizacijos vektorius. Vakuume atsižvelgiama tik į įtampą. Kalbant apie elektromagnetinius procesus medžiagoje, tai molekulių arba atomų poliarizacija, kurioje, veikiant laukui, vyksta surištųjų (ne laisvųjų!) Krūvių judėjimas, šiek tiek prisideda prie poslinkio srovės dielektrike ar laidininke.
Pavadinimas atsirado XIX amžiuje ir yra sąlyginis, nes tikroji elektros srovė yra tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas. Poslinkio srovė neturi nieko bendra su krūvio dreifu. Todėl, griežtai kalbant, tai nėra srovė.
Dabartinės apraiškos (veiksmai)
Tvarkingą įkrautų dalelių judėjimą visada lydi tam tikri fizikiniai reiškiniai, pagal kuriuos iš tikrųjų galima spręsti, ar šis procesas vyksta, ar ne. Tokius reiškinius (einamus veiksmus) galima suskirstyti į tris pagrindines grupes:
- Magnetinis veiksmas. Judantis elektros krūvis būtinai sukuria magnetinį lauką. Jei pastatysite kompasą šalia laidininko, kuriuo teka srovė, rodyklė pasisuks statmenai šios srovės krypčiai. Remiantis šiuo reiškiniu, veikia elektromagnetiniai prietaisai, leidžiantys, pavyzdžiui, paversti elektros energijąį mechaninę.
- Šiluminis efektas. Srovė veikia, kad įveiktų laidininko varžą, todėl išsiskiria šiluminė energija. Taip yra todėl, kad dreifo metu įkrautos dalelės išsisklaido ant kristalinės gardelės elementų arba laidininkų molekulių ir suteikia jiems kinetinę energiją. Jei, tarkime, metalo gardelė būtų visiškai taisyklinga, elektronai jos praktiškai nepastebėtų (tai yra dalelių banginės prigimties pasekmė). Tačiau, pirma, patys gardelės vietose esantys atomai yra veikiami šiluminių virpesių, pažeidžiančių jos reguliarumą, antra, gardelės defektai – priemaišų atomai, dislokacijos, laisvos vietos – taip pat turi įtakos elektronų judėjimui.
- Pastebėtas elektrolitų cheminis poveikis. Priešingai įkrauti jonai, į kuriuos elektrolitinis tirpalas disocijuoja, veikiant elektriniam laukui, yra atskiriami priešinguose elektroduose, todėl elektrolitas cheminis skaidymas.
Išskyrus tuos atvejus, kai tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas yra mokslinių tyrimų objektas, jis domina žmogų savo makroskopinėmis apraiškomis. Mums svarbi ne pati srovė, o aukščiau išvardyti reiškiniai, kuriuos ji sukelia dėl elektros energijos virsmo kitomis formomis.
Visi dabartiniai veiksmai atlieka dvigubą vaidmenį mūsų gyvenime. Vienais atvejais nuo jų būtina apsaugoti žmones ir įrenginius, kitais atvejais vienokio ar kitokio poveikio, sukelto nukreipto elektros krūvių perdavimo, gavimas yra tiesioginis.įvairių techninių prietaisų paskirtis.
