Огромно разнообразие от физически явления, както микроскопични, така и макроскопични, са електромагнитни по природа. Те включват сили на триене и еластичност, всички химически процеси, електричество, магнетизъм, оптика.
Едно от такива прояви на електромагнитно взаимодействие е подреденото движение на заредените частици. Той е абсолютно необходим елемент от почти всички съвременни технологии, които се използват в различни области - от организацията на нашия живот до космическите полети.
Обща концепция за явлението
Пореденото движение на заредени частици се нарича електрически ток. Такова движение на заряди може да се извърши в различни среди с помощта на определени частици, понякога квазичастици.
Предпоставка за текущата еточно подредено, насочено движение. Заредените частици са обекти, които (както и неутралните) имат термично хаотично движение. Токът обаче възниква само когато на фона на този непрекъснат хаотичен процес има общо движение на зарядите в някаква посока.
Когато едно тяло се движи, електрически неутрално като цяло, частиците в неговите атоми и молекули, разбира се, се движат в посока, но тъй като противоположните заряди в неутрален обект се компенсират взаимно, няма пренос на заряд, и можем да говорим за тока, няма смисъл и в този случай.
Как се генерира токът
Помислете за най-простата версия на възбуждането с постоянен ток. Ако се приложи електрическо поле към среда, в която в общия случай присъстват носители на заряд, в нея ще започне подредено движение на заредени частици. Явлението се нарича отклонение на заряда.
Може да се опише накратко по следния начин. В различни точки на полето възниква потенциална разлика (напрежение), тоест енергията на взаимодействие на електрическите заряди, разположени в тези точки, с полето, свързана с големината на тези заряди, ще бъде различна. Тъй като всяка физическа система, както е известно, се стреми към минимум потенциална енергия, съответстваща на равновесното състояние, заредените частици ще започнат да се движат към изравняване на потенциалите. С други думи, полето върши известна работа, за да премести тези частици.
Когато потенциалите се изравнят, напрежението изчезваелектрическо поле - изчезва. В същото време подреденото движение на заредените частици, токът, също спира. За да се получи стационарно, тоест независимо от времето поле, е необходимо да се използва източник на ток, в който поради освобождаването на енергия при определени процеси (например химически) зарядите непрекъснато се разделят и се подават към полюси, поддържащи съществуването на електрическо поле.
Ток може да се получи по различни начини. И така, промяната в магнитното поле засяга зарядите в проводимата верига, въведени в него, и причинява тяхното насочено движение. Такъв ток се нарича индуктивен.
Количествени характеристики на тока
Основният параметър, чрез който токът се описва количествено, е силата на тока (понякога казват "стойност" или просто "ток"). Определя се като количеството електричество (количеството на заряда или броя на елементарните заряди), преминаващо за единица време през определена повърхност, обикновено през напречното сечение на проводник: I=Q / t. Токът се измерва в ампера: 1 A \u003d 1 C / s (кулон в секунда). В участъка на електрическата верига силата на тока е пряко свързана с потенциалната разлика и обратно - със съпротивлението на проводника: I \u003d U / R. За пълна верига тази зависимост (законът на Ом) се изразява като I=Ԑ/R+r, където Ԑ е електродвижещата сила на източника, а r е неговото вътрешно съпротивление.
Съотношението на силата на тока към напречното сечение на проводника, през което се извършва подреденото движение на заредените частици, перпендикулярно на него, се нарича плътност на тока: j=I/S=Q/Св. Тази стойност характеризира количеството електричество, което протича за единица време през единица площ. Колкото по-висока е силата на полето E и електрическата проводимост на средата σ, толкова по-голяма е плътността на тока: j=σ∙E. За разлика от силата на тока, това количество е векторно и има посока по протежение на движението на частици, които носят положителен заряд.
Текуща посока и посока на отклонение
В електрическо поле обектите, носещи заряд, под въздействието на кулонови сили, ще направят подредено движение към полюса на източника на ток, противоположен по знак на заряда. Положително заредените частици се отклоняват към отрицателния полюс („минус“) и, обратно, свободните отрицателни заряди се привличат към „плюса“на източника. Частиците също могат да се движат в две противоположни посоки едновременно, ако в проводящата среда има носители на заряд от двата знака.
По исторически причини е общоприето, че токът е насочен по начина, по който се движат положителните заряди - от "плюс" към "минус". За да се избегне объркване, трябва да се помни, че въпреки че в най-познатия случай на ток в метални проводници, истинското движение на частиците - електрони - се случва, разбира се, в обратна посока, това условно правило винаги важи.
Текущо разпространение и скорост на дрейф
Често има проблеми с разбирането колко бързо се движи токът. Не трябва да се бъркат две различни понятия: скоростта на разпространение на тока (електрическисигнал) и скоростта на дрейф на частиците - носители на заряд. Първата е скоростта, с която се предава електромагнитното взаимодействие или - което е същото - полето се разпространява. Тя е близка (като се вземе предвид средата на разпространение) до скоростта на светлината във вакуум и е почти 300 000 km/s.
Частиците правят своето подредено движение много бавно (10-4–10-3 m/s). Скоростта на дрейф зависи от интензитета, с който приложеното електрическо поле действа върху тях, но във всички случаи тя е с няколко порядъка по-ниска от скоростта на топлинното произволно движение на частиците (105 –106m/s). Важно е да се разбере, че под действието на полето започва едновременното отклоняване на всички свободни заряди, така че токът се появява веднага в целия проводник.
Видове текущи
На първо място, токовете се отличават с поведението на носителите на заряд във времето.
- Постоянният ток е ток, който не променя нито величината (силата), нито посоката на движение на частиците. Това е най-лесният начин за преместване на заредени частици и винаги е началото на изследването на електрическия ток.
- При променлив ток тези параметри се променят с времето. Генерирането му се основава на явлението електромагнитна индукция, което възниква в затворена верига поради промяна (въртене) на магнитното поле. Електрическото поле в този случай периодично обръща вектора на интензитета. Съответно знаците на потенциалите се променят и тяхната стойност преминава от "плюс" в "минус" всички междинни стойности, включително нула. Като резултатявление, подреденото движение на заредените частици променя посоката си през цялото време. Големината на такъв ток се колебае (обикновено синусоидално, тоест хармонично) от максимум до минимум. Променливият ток има такава важна характеристика на скоростта на тези трептения като честотата - броят на пълните цикли на промяна в секунда.
В допълнение към тази най-важна класификация, разликите между токовете могат да се правят и по такъв критерий като естеството на движението на носителите на заряд спрямо средата, в която се разпространява токът..
Провеждащи токове
Най-известният пример за ток е подреденото, насочено движение на заредени частици под действието на електрическо поле вътре в тяло (среда). Нарича се проводящ ток.
В твърди тела (метали, графит, много сложни материали) и някои течности (живак и други метални стопилки), електроните са подвижни заредени частици. Подреденото движение в проводник е тяхното отклонение спрямо атомите или молекулите на веществото. Проводимостта от този вид се нарича електронна. В полупроводниците преносът на заряд също се случва поради движението на електроните, но поради редица причини е удобно да се използва концепцията за дупка за описване на тока – положителна квазичастица, която представлява движеща се електронна ваканция.
В електролитните разтвори преминаването на тока се осъществява поради придвижването на отрицателните и положителните йони към различни полюси - анод и катод, които са част от разтвора.
Прехвърляне на токове
Газ - при нормални условия диелектрик - също може да стане проводник, ако бъде подложен на достатъчно силна йонизация. Електрическата проводимост на газа е смесена. Йонизираният газ вече е плазма, в която се движат както електрони, така и йони, тоест всички заредени частици. Тяхното подредено движение образува плазмен канал и се нарича газов разряд.
Насоченото движение на зарядите може да се случи не само в околната среда. Да предположим, че сноп от електрони или йони се движи във вакуум, излъчван от положителен или отрицателен електрод. Това явление се нарича електронна емисия и се използва широко, например, във вакуумни устройства. Разбира се, това движение е течение.
Друг случай е движението на електрически заредено макроскопично тяло. Това също е ток, тъй като такава ситуация удовлетворява условието за насочен пренос на заряд.
Всички горни примери трябва да се разглеждат като подредено движение на заредени частици. Този ток се нарича конвекция или трансферен ток. Неговите свойства, например, магнитни, са напълно подобни на тези на проводимите токове.
Ток на отклонение
Има явление, което няма нищо общо с преноса на заряд и се случва, когато има променящо се във времето електрическо поле, което има свойството на "реална" проводимост или преносни токове: то възбужда променливо магнитно поле. Това евъзниква, например, във веригите на променлив ток между плочите на кондензаторите. Явлението е придружено от пренос на енергия и се нарича ток на изместване.
Всъщност тази стойност показва колко бързо се променя индукцията на електрическото поле върху определена повърхност, перпендикулярна на посоката на нейния вектор. Концепцията за електрическа индукция включва векторите на силата на полето и поляризацията. Във вакуум се взема предвид само напрежението. Що се отнася до електромагнитните процеси в материята, поляризацията на молекули или атоми, при които, когато са изложени на поле, се осъществява движението на свързани (не безплатни!) заряди, има известен принос за тока на изместване в диелектрика или проводника.
Името възниква през 19-ти век и е условно, тъй като истинският електрически ток е подредено движение на заредени частици. Токът на изместване няма нищо общо с дрейфа на заряда. Следователно, строго погледнато, това не е течение.
Проявления (действия) на текущо
Подреденото движение на заредени частици винаги е придружено от определени физически явления, които всъщност могат да се използват, за да се прецени дали този процес се осъществява или не. Възможно е да се разделят такива явления (текущи действия) в три основни групи:
- Магнитно действие. Движещ се електрически заряд непременно създава магнитно поле. Ако поставите компас до проводник, през който протича ток, стрелката ще се завърти перпендикулярно на посоката на този ток. Въз основа на това явление функционират електромагнитни устройства, позволяващи например преобразуване на електрическа енергияв механичен.
- Термичен ефект. Токът работи за преодоляване на съпротивлението на проводника, което води до освобождаване на топлинна енергия. Това е така, защото по време на дрейфа заредените частици изпитват разсейване върху елементите на кристалната решетка или молекулите на проводника и им дават кинетична енергия. Ако решетката на, да речем, метал беше напълно правилна, електроните практически нямаше да го забележат (това е следствие от вълновата природа на частиците). Обаче, първо, самите атоми в местата на решетката са подложени на топлинни вибрации, които нарушават нейната закономерност, и второ, дефектите на решетката - примесни атоми, дислокации, вакантни места - също влияят на движението на електроните.
- Химичното действие се наблюдава в електролитите. Противоположно заредените йони, в които се дисоциира електролитният разтвор, когато се приложи електрическо поле, се разделят на противоположни електроди, което води до химическо разлагане на електролита.
Освен когато подреденото движение на заредени частици е предмет на научно изследване, то интересува човека в своите макроскопски прояви. За нас не е важен самият ток, а изброените по-горе явления, които той причинява, поради преобразуването на електрическата енергия в други форми.
Всички текущи действия играят двойна роля в живота ни. В някои случаи е необходимо да се предпазят хората и оборудването от тях, в други получаването на един или друг ефект, причинен от насоченото пренасяне на електрически заряди, е директно.предназначение на голямо разнообразие от технически устройства.
