V altava valikoima fysikaalisia ilmiöitä, sekä mikroskooppisia että makroskooppisia, ovat luonteeltaan sähkömagneettisia. Näitä ovat kitka- ja kimmovoimat, kaikki kemialliset prosessit, sähkö, magnetismi, optiikka.
Yksi sellaisista sähkömagneettisen vuorovaikutuksen ilmenemismuodoista on varautuneiden hiukkasten järjestetty liike. Se on ehdottoman välttämätön osa lähes kaikkia moderneja teknologioita, joita käytetään eri aloilla - elämämme järjestämisestä avaruuslentoihin.
Yleinen käsite ilmiöstä
Varattujen hiukkasten järjestettyä liikettä kutsutaan sähkövirraksi. Tällainen varausten liike voidaan suorittaa eri väliaineissa tiettyjen hiukkasten, joskus kvasihiukkasten, avulla.
Edellytys nykyiselle ontäsmällisesti järjestetty, suunnattu liike. Varautuneet hiukkaset ovat esineitä, joilla (sekä neutraaleilla) on lämpökaaoottista liikettä. Virta syntyy kuitenkin vain silloin, kun tämän jatkuvan kaoottisen prosessin taustalla on yleinen varausliike johonkin suuntaan.
Kun kappale liikkuu, kokonaisuutena sähköisesti neutraali, sen atomeissa ja molekyyleissä olevat hiukkaset tietysti liikkuvat tiettyyn suuntaan, mutta koska neutraalissa esineessä vastakkaiset varaukset kompensoivat toisiaan, varauksen siirtoa ei tapahdu, ja voimme puhua siitä, että virta ei ole järkevää myöskään tässä tapauksessa.
Miten virta syntyy
Harkitse tasavirtaherätyksen yksinkertaisinta versiota. Jos sähkökenttä kohdistetaan väliaineeseen, jossa on yleensä varauksenkuljettajia, alkaa siinä varautuneiden hiukkasten järjestetty liike. Ilmiötä kutsutaan varausliikkeeksi.
Se voidaan kuvata lyhyesti seuraavasti. Kentän eri kohdissa syntyy potentiaaliero (jännite), eli näissä kohdissa sijaitsevien sähkövarausten vuorovaikutuksen energia kentän kanssa suhteessa näiden varausten suuruuteen on erilainen. Koska mikä tahansa fyysinen järjestelmä, kuten tiedetään, pyrkii tasapainotilaa vastaavaan potentiaalienergian minimiin, varautuneet hiukkaset alkavat liikkua kohti potentiaalien tasaamista. Toisin sanoen kenttä tekee jonkin verran työtä siirtääkseen näitä hiukkasia.
Kun potentiaalit tasoittuvat, jännitys katoaasähkökenttä - se katoaa. Samalla pysähtyy myös varautuneiden hiukkasten määrätty liike, virta. Kiinteän eli ajasta riippumattoman kentän saamiseksi on tarpeen käyttää virtalähdettä, jossa tietyissä prosesseissa (esimerkiksi kemiallisissa) tapahtuvan energian vapautumisen vuoksi varauksia erotetaan jatkuvasti ja syötetään navat, jotka ylläpitävät sähkökentän olemassaolon.
Virran saa monella eri tavalla. Joten magneettikentän muutos vaikuttaa siihen johdetun piirin varauksiin ja aiheuttaa niiden suunnatun liikkeen. Tällaista virtaa kutsutaan induktiiviseksi.
Virran määrälliset ominaisuudet
Pääparametri, jolla virtaa kuvataan kvantitatiivisesti, on virran voimakkuus (joskus sanotaan "arvo" tai yksinkertaisesti "virta"). Se määritellään sähkömääränä (varauksen määrä tai alkuainevarausten lukumäärä), joka kulkee aikayksikköä kohti tietyn pinnan läpi, yleensä johtimen poikkileikkauksen läpi: I=Q / t. Virta mitataan ampeereina: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb sekunnissa). Sähköpiirin osassa virran voimakkuus liittyy suoraan potentiaalieroon ja käänteisesti - johtimen resistanssiin: I \u003d U / R. Täydelliselle piirille tämä riippuvuus (Ohmin laki) ilmaistaan muodossa I=Ԑ/R+r, missä Ԑ on lähteen sähkömotorinen voima ja r sen sisäinen vastus.
Virran voimakkuuden suhdetta johtimen poikkileikkaukseen, jonka läpi varautuneiden hiukkasten määrätty liike tapahtuu kohtisuorassa sitä vastaan, kutsutaan virrantiheydeksi: j=I/S=Q/St. Tämä arvo kuvaa sähkön määrää, joka virtaa aikayksikössä pinta-alayksikön läpi. Mitä suurempi kentänvoimakkuus E ja väliaineen sähkönjohtavuus σ on, sitä suurempi on virrantiheys: j=σ∙E. Toisin kuin virran voimakkuus, tämä suure on vektori, ja sillä on suunta positiivisen varauksen sisältävien hiukkasten liikettä pitkin.
Nykyinen suunta ja ajosuunta
Sähkökentässä varausta kantavat esineet tekevät Coulombin voimien vaikutuksesta määrätyn liikkeen virranlähteen napaan, vastakkaiseen varauksen merkkiin. Positiivisesti varautuneet hiukkaset ajautuvat kohti negatiivista napaa ("miinus") ja päinvastoin, vapaat negatiiviset varaukset houkuttelevat lähteen "plussia". Hiukkaset voivat liikkua myös kahteen vastakkaiseen suuntaan kerralla, jos johtavassa väliaineessa on molempien merkkien varauksenkuljettajia.
Historiallisista syistä on yleisesti hyväksyttyä, että virta on suunnattu positiivisten varausten liikkumistapaan - plussasta miinukseen. Sekaannusten välttämiseksi on syytä muistaa, että vaikka tunnetuimmassa metallijohtimien virran tapauksessa hiukkasten - elektronien - todellinen liike tapahtuu tietysti päinvastaiseen suuntaan, tämä ehdollinen sääntö pätee aina.
Nykyinen etenemis- ja ryömintänopeus
Usein on ongelmia ymmärtää kuinka nopeasti virta liikkuu. Kahta eri käsitettä ei pidä sekoittaa: virran etenemisnopeus (sähkösignaali) ja hiukkasten - varauksenkuljettajien - ajautumisnopeus. Ensimmäinen on nopeus, jolla sähkömagneettinen vuorovaikutus välittyy tai - mikä on sama - kenttä etenee. Se on lähellä (etenemisväliaine huomioon ottaen) valon nopeutta tyhjiössä ja on lähes 300 000 km/s.
Hartikkelit liikkuvat hyvin hitaasti (10-4–10-3 m/s). Poikkeamisnopeus riippuu intensiteetistä, jolla käytetty sähkökenttä vaikuttaa niihin, mutta kaikissa tapauksissa se on useita suuruusluokkia pienempi kuin hiukkasten termisen satunnaisen liikkeen nopeus (105 –106m/s). On tärkeää ymmärtää, että kentän vaikutuksesta alkaa kaikkien vapaiden varausten samanaikainen ajautuminen, joten virta näkyy välittömästi koko johtimessa.
Virtatyypit
Ensinnäkin virrat erottuvat varauksenkuljettajien käyttäytymisestä ajan kuluessa.
- Vakiovirta on virta, joka ei muuta hiukkasten liikkeen suuruutta (voimakkuutta) tai suuntaa. Tämä on helpoin tapa siirtää varautuneita hiukkasia, ja se on aina sähkövirran tutkimuksen alku.
- Vaihtovirrassa nämä parametrit muuttuvat ajan myötä. Sen syntyminen perustuu sähkömagneettisen induktion ilmiöön, joka tapahtuu suljetussa piirissä magneettikentän muutoksen (pyörimisen) vuoksi. Sähkökenttä muuttaa tässä tapauksessa määräajoin intensiteettivektoria. Vastaavasti potentiaalien merkit muuttuvat ja niiden arvo siirtyy "plussista" "miinusarvoihin" kaikki väliarvot, mukaan lukien nolla. Tuloksenailmiö, varautuneiden hiukkasten järjestetty liike muuttaa suuntaa koko ajan. Tällaisen virran suuruus vaihtelee (yleensä sinimuotoisesti, toisin sanoen harmonisesti) maksimista minimiin. Vaihtovirralla on niin tärkeä ominaisuus näiden värähtelyjen nopeudelle kuin taajuus - täydellisten muutosjaksojen lukumäärä sekunnissa.
Tämän tärkeimmän luokituksen lisäksi virtojen välisiä eroja voidaan tehdä myös sellaisen kriteerin mukaan, kuten varauksenkuljettajien liikkeen luonne suhteessa väliaineeseen, jossa virta etenee.
Johtovirrat
Kuuluisin esimerkki virrasta on varautuneiden hiukkasten järjestetty, suunnattu liike sähkökentän vaikutuksesta kappaleen (väliaineen) sisällä. Sitä kutsutaan johtumisvirraksi.
Kiinteissä aineissa (metallit, grafiitti, monet monimutkaiset materiaalit) ja joissakin nesteissä (elohopea ja muut metallisulat) elektronit ovat liikkuvia varautuneita hiukkasia. Järjestätty liike johtimessa on niiden ajautumista suhteessa aineen atomeihin tai molekyyleihin. Tällaista johtavuutta kutsutaan elektroniseksi. Puolijohteissa varauksen siirtyminen tapahtuu myös elektronien liikkeen vuoksi, mutta useista syistä on kätevää käyttää reiän käsitettä kuvaamaan virtaa - positiivinen kvasihiukkanen, joka on liikkuvan elektronin tyhjiö.
Elektrolyyttisissä ratkaisuissa virran kulku tapahtuu negatiivisten ja positiivisten ionien siirtyessä eri napoihin - anodille ja katodille, jotka ovat osa ratkaisua.
Siirtovirrat
Kaasusta - normaaleissa olosuhteissa dielektristä - voi tulla myös johtime, jos se altistetaan riittävän voimakkaalle ionisaatiolle. Kaasun sähkönjohtavuus sekoitetaan. Ionisoitu kaasu on jo plasma, jossa sekä elektronit että ionit, eli kaikki varautuneet hiukkaset, liikkuvat. Niiden määrätty liike muodostaa plasmakanavan ja sitä kutsutaan kaasupurkaukseksi.
Varausten suunnattua liikettä voi tapahtua muuallakin kuin ympäristön sisällä. Oletetaan, että elektronien tai ionien säde liikkuu tyhjiössä positiivisesta tai negatiivisesta elektrodista. Tätä ilmiötä kutsutaan elektroniemissioksi ja sitä käytetään laaj alti esimerkiksi tyhjiolaitteissa. Tietenkin tämä liike on ajankohtaista.
Toinen tapaus on sähköisesti varautuneen makroskooppisen kappaleen liike. Tämä on myös nykyinen, koska tällainen tilanne täyttää suunnatun latauksensiirron ehdon.
Kaikki yllä olevat esimerkit tulee katsoa varautuneiden hiukkasten järjestetyksi liikkeeksi. Tätä virtaa kutsutaan konvektioksi tai siirtovirraksi. Sen ominaisuudet, esimerkiksi magneettinen, ovat täysin samanlaiset kuin johtavuusvirtojen ominaisuudet.
Bias virta
On ilmiö, jolla ei ole mitään tekemistä varauksensiirron kanssa, ja se esiintyy siellä, missä on ajassa muuttuva sähkökenttä, jolla on "todellisen" johtumis- tai siirtovirtojen ominaisuus: se virittää vaihtuvan magneettikentän. Tämä onesiintyy esimerkiksi vaihtovirtapiireissä kondensaattorien levyjen välillä. Ilmiöön liittyy energian siirtyminen ja sitä kutsutaan siirtymävirraksi.
Itse asiassa tämä arvo osoittaa, kuinka nopeasti sähkökentän induktio muuttuu tietyllä pinnalla, joka on kohtisuorassa sen vektorin suuntaan. Sähköisen induktion käsite sisältää kentänvoimakkuus- ja polarisaatiovektorit. Tyhjiössä vain jännitys otetaan huomioon. Mitä tulee aineen sähkömagneettisiin prosesseihin, molekyylien tai atomien polarisaatio, jossa joutuessaan kenttään tapahtuu sitoutuneiden (ei vapaiden!) varausten liikettä, vaikuttaa jonkin verran syrjäytysvirtaan dielektrissä tai johtimessa.
Nimi syntyi 1800-luvulla ja on ehdollinen, koska todellinen sähkövirta on varautuneiden hiukkasten määrättyä liikettä. Siirtymävirralla ei ole mitään tekemistä varauksen ajautumisen kanssa. Siksi tarkalleen ottaen se ei ole virta.
Virran ilmenemismuodot (toiminnot)
Varattujen hiukkasten järjestykseen liikkeisiin liittyy aina tiettyjä fyysisiä ilmiöitä, joiden perusteella voidaan itse asiassa arvioida, tapahtuuko tämä prosessi vai ei. Tällaiset ilmiöt (nykyiset toimet) voidaan jakaa kolmeen pääryhmään:
- Magneettinen toiminta. Liikkuva sähkövaraus luo välttämättä magneettikentän. Jos asetat kompassin johtimen viereen, jonka läpi virta kulkee, nuoli kääntyy kohtisuoraan tämän virran suuntaan nähden. Tämän ilmiön perusteella toimivat sähkömagneettiset laitteet, jotka mahdollistavat esimerkiksi sähköenergian muuntamisenmekaaniseksi.
- Lämpövaikutus. Virta toimii voittamaan johtimen vastuksen, mikä johtaa lämpöenergian vapautumiseen. Tämä johtuu siitä, että varautuneet hiukkaset kokevat ajautumisen aikana sirontaa kidehilan elementteihin tai johdinmolekyyleihin ja antavat niille kineettistä energiaa. Jos esimerkiksi metallin hila olisi täysin säännöllinen, elektronit eivät käytännössä huomaisi sitä (tämä on seurausta hiukkasten a altoluonteesta). Kuitenkin ensinnäkin hilapaikoissa olevat atomit ovat alttiita lämpövärähtelyille, jotka rikkovat sen säännöllisyyttä, ja toiseksi hilavirheet - epäpuhtausatomit, sijoitukset, tyhjiöt - vaikuttavat myös elektronien liikkeisiin.
- Kemiallinen vaikutus havaitaan elektrolyyteissä. Vastakkaisesti varautuneet ionit, joihin elektrolyyttiliuos dissosioituu, kun sähkökenttä kohdistetaan, erotetaan vastakkaisille elektrodeille, mikä johtaa elektrolyytin kemialliseen hajoamiseen.
Paitsi silloin, kun varattujen hiukkasten järjestynyt liike on tieteellisen tutkimuksen kohteena, se kiinnostaa ihmistä makroskooppisissa ilmenemismuodoissaan. Meille ei ole tärkeää itse virta, vaan yllä luetellut ilmiöt, joita se aiheuttaa sähköenergian muuntuessa muihin muotoihin.
Kaikilla nykyisillä toimilla on kaksinkertainen rooli elämässämme. Joissain tapauksissa on tarpeen suojata ihmisiä ja laitteita heiltä, toisissa sähkövarausten suunnatun siirron aiheuttaman vaikutuksen saaminen on suoraa.monenlaisille teknisille laitteille.
