'n Groot verskeidenheid fisiese verskynsels, beide mikroskopies en makroskopies, is elektromagneties van aard. Dit sluit kragte van wrywing en elastisiteit, alle chemiese prosesse, elektrisiteit, magnetisme, optika in.
Een van sulke manifestasies van elektromagnetiese interaksie is die geordende beweging van gelaaide deeltjies. Dit is 'n absoluut noodsaaklike element van byna alle moderne tegnologieë wat op verskeie terreine gebruik word - van die organisasie van ons lewe tot ruimtevlugte.
Algemene konsep van die verskynsel
Die geordende beweging van gelaaide deeltjies word elektriese stroom genoem. So 'n beweging van ladings kan in verskillende media uitgevoer word deur middel van sekere deeltjies, soms kwasi-deeltjies.
'n Voorvereiste vir die huidige ispresies geordende, gerigte beweging. Gelaaide deeltjies is voorwerpe wat (sowel as neutrale) termiese chaotiese beweging het. Die stroom vind egter slegs plaas wanneer daar teen die agtergrond van hierdie voortdurende chaotiese proses 'n algemene beweging van ladings in een of ander rigting is.
Wanneer 'n liggaam beweeg, elektries neutraal as 'n geheel, beweeg die deeltjies in sy atome en molekules natuurlik in 'n rigting, maar aangesien teenoorgestelde ladings in 'n neutrale voorwerp mekaar kompenseer, is daar geen lading-oordrag nie, en ons kan praat oor die stroom maak ook nie sin in hierdie geval nie.
Hoe die stroom gegenereer word
Oorweeg die eenvoudigste weergawe van gelykstroomopwekking. As 'n elektriese veld toegepas word op 'n medium waar ladingdraers in die algemene geval teenwoordig is, sal 'n geordende beweging van gelaaide deeltjies daarin begin. Die verskynsel word ladingsdrift genoem.
Dit kan kortliks soos volg beskryf word. Op verskillende punte van die veld ontstaan 'n potensiaalverskil (spanning), dit wil sê die energie van interaksie van elektriese ladings wat op hierdie punte met die veld geleë is, wat verband hou met die grootte van hierdie ladings, sal anders wees. Aangesien enige fisiese sisteem, soos bekend, neig na 'n minimum potensiële energie wat ooreenstem met die ewewigstoestand, sal gelaaide deeltjies begin beweeg na gelykmaking van potensiale. Met ander woorde, die veld doen 'n bietjie werk om hierdie deeltjies te beweeg.
Wanneer die potensiaal gelyk is, verdwyn die spanningelektriese veld - dit verdwyn. Terselfdertyd stop die geordende beweging van gelaaide deeltjies, die stroom, ook. Om 'n stilstaande, dit wil sê tyd-onafhanklike veld te verkry, is dit nodig om 'n stroombron te gebruik waarin, as gevolg van die vrystelling van energie in sekere prosesse (byvoorbeeld, chemiese) ladings voortdurend geskei en na die pole, wat die bestaan van 'n elektriese veld in stand hou.
Current kan op verskeie maniere verkry word. Dus, 'n verandering in die magnetiese veld beïnvloed die ladings in die geleidende stroombaan wat daarin ingebring word en veroorsaak hul gerigte beweging. So 'n stroom word induktief genoem.
Kwantitatiewe kenmerke van huidige
Die hoofparameter waarmee die stroom kwantitatief beskryf word, is die sterkte van die stroom (soms sê hulle "waarde" of bloot "stroom"). Dit word gedefinieer as die hoeveelheid elektrisiteit (die hoeveelheid lading of die aantal elementêre ladings) wat per tydseenheid deur 'n sekere oppervlak gaan, gewoonlik deur die deursnit van 'n geleier: I=Q / t. Die stroom word gemeet in ampère: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb per sekonde). In die gedeelte van die elektriese stroombaan is die stroomsterkte direk verwant aan die potensiaalverskil en omgekeerd - met die weerstand van die geleier: I \u003d U / R. Vir 'n volledige stroombaan word hierdie afhanklikheid (Ohm se wet) uitgedruk as I=Ԑ/R+r, waar Ԑ die elektromotoriese krag van die bron is en r die interne weerstand daarvan is.
Die verhouding van die stroomsterkte tot die deursnit van die geleier waardeur die geordende beweging van gelaaide deeltjies loodreg daarop plaasvind, word die stroomdigtheid genoem: j=I/S=V/St. Hierdie waarde kenmerk die hoeveelheid elektrisiteit wat per eenheid van tyd deur 'n eenheidsoppervlakte vloei. Hoe hoër die veldsterkte E en die elektriese geleidingsvermoë van die medium σ, hoe groter is die stroomdigtheid: j=σ∙E. Anders as die stroomsterkte, is hierdie hoeveelheid vektor, en het 'n rigting langs die beweging van deeltjies wat 'n positiewe lading dra.
Huidige rigting en dryfrigting
In 'n elektriese veld sal voorwerpe wat 'n lading dra, onder die invloed van Coulomb-kragte, 'n geordende beweging maak na die pool van die stroombron, teenoorgesteld in teken van lading. Partikels wat positief gelaai is, dryf na die negatiewe pool ("minus") en omgekeerd word vrye negatiewe ladings na die "plus" van die bron aangetrek. Deeltjies kan ook in twee teenoorgestelde rigtings gelyktydig beweeg as daar ladingdraers van beide tekens in die geleidende medium is.
Vir historiese redes word dit algemeen aanvaar dat die stroom gerig word soos positiewe ladings beweeg - van "plus" na "minus". Om verwarring te voorkom, moet onthou word dat alhoewel in die mees bekende geval van stroom in metaalgeleiers, die werklike beweging van deeltjies - elektrone - natuurlik in die teenoorgestelde rigting plaasvind, hierdie voorwaardelike reël altyd geld.
Huidige voortplanting en dryfspoed
Daar is dikwels probleme om te verstaan hoe vinnig die stroom beweeg. Twee verskillende konsepte moet nie verwar word nie: die spoed van voortplanting van stroom (elektriessein) en die dryfsnelheid van deeltjies - ladingsdraers. Die eerste is die spoed waarteen die elektromagnetiese interaksie oorgedra word of - wat dieselfde is - die veld voortplant. Dit is naby (met inagneming van die voortplantingsmedium) aan die spoed van lig in vakuum en is amper 300 000 km/s.
Partikels maak hul ordelike beweging baie stadig (10-4–10-3 m/s). Die dryfsnelheid hang af van die intensiteit waarmee die toegepaste elektriese veld op hulle inwerk, maar dit is in alle gevalle verskeie ordes van grootte minderwaardig as die snelheid van termiese ewekansige beweging van deeltjies (105 –106m/s). Dit is belangrik om te verstaan dat onder die aksie van die veld die gelyktydige drywing van alle gratis ladings begin, sodat die stroom onmiddellik in die hele geleier verskyn.
tipes huidige
In die eerste plek word strome onderskei deur die gedrag van ladingdraers oor tyd.
- 'n Konstante stroom is 'n stroom wat nie die grootte (sterkte) of die rigting van partikelbeweging verander nie. Dit is die maklikste manier om gelaaide deeltjies te beweeg, en dit is altyd die begin van die studie van elektriese stroom.
- In wisselstroom verander hierdie parameters met tyd. Die opwekking daarvan is gebaseer op die verskynsel van elektromagnetiese induksie wat in 'n geslote stroombaan voorkom as gevolg van 'n verandering (rotasie) van die magnetiese veld. Die elektriese veld in hierdie geval keer periodiek die intensiteitsvektor om. Gevolglik verander die tekens van die potensiaal, en hul waarde gaan van "plus" na "minus" alle intermediêre waardes, insluitend nul. As gevolg daarvanverskynsel, verander die geordende beweging van gelaaide deeltjies heeltyd van rigting. Die grootte van so 'n stroom fluktueer (gewoonlik sinusvormig, dit wil sê harmonies) van 'n maksimum tot 'n minimum. Wisselstroom het so 'n belangrike eienskap van die spoed van hierdie ossillasies soos frekwensie - die aantal volledige siklusse van verandering per sekonde.
Benewens hierdie belangrikste klassifikasie, kan verskille tussen strome ook gemaak word volgens so 'n maatstaf soos die aard van die beweging van ladingdraers in verhouding tot die medium waarin die stroom voortplant.
Geleidingsstrome
Die bekendste voorbeeld van 'n stroom is die geordende, gerigte beweging van gelaaide deeltjies onder die werking van 'n elektriese veld binne 'n liggaam (medium). Dit word geleidingstroom genoem.
In vaste stowwe (metale, grafiet, baie komplekse materiale) en sommige vloeistowwe (kwik en ander metaalsmelt), is elektrone mobiele gelaaide deeltjies. 'n Geordende beweging in 'n geleier is hul drywing relatief tot die atome of molekules van 'n stof. Geleiding van hierdie soort word elektronies genoem. In halfgeleiers vind ladingoordrag ook plaas as gevolg van die beweging van elektrone, maar om 'n aantal redes is dit gerieflik om die konsep van 'n gat te gebruik om die stroom te beskryf - 'n positiewe kwasideeltjie, wat 'n bewegende elektronleegheid is.
In elektrolitiese oplossings word die deurgang van stroom uitgevoer as gevolg van die negatiewe en positiewe ione wat na verskillende pole beweeg - die anode en katode, wat deel van die oplossing is.
Dra strome oor
Gas - onder normale omstandighede 'n diëlektrikum - kan ook 'n geleier word as dit aan 'n voldoende sterk ionisasie onderwerp word. Gas elektriese geleidingsvermoë is gemeng. 'n Geïoniseerde gas is reeds 'n plasma waarin beide elektrone en ione, dit wil sê alle gelaaide deeltjies, beweeg. Hulle geordende beweging vorm 'n plasmakanaal en word 'n gasontlading genoem.
Gerigte beweging van ladings kan nie net binne die omgewing plaasvind nie. Gestel 'n straal van elektrone of ione beweeg in vakuum, wat deur 'n positiewe of negatiewe elektrode uitgestraal word. Hierdie verskynsel word elektronemissie genoem en word wyd gebruik, byvoorbeeld, in vakuumtoestelle. Natuurlik is hierdie beweging 'n stroom.
Nog 'n geval is die beweging van 'n elektries gelaaide makroskopiese liggaam. Dit is ook 'n stroom, aangesien so 'n situasie aan die voorwaarde van gerigte heffing-oordrag voldoen.
Al die bogenoemde voorbeelde moet beskou word as 'n geordende beweging van gelaaide deeltjies. Hierdie stroom word konveksie of oordragstroom genoem. Sy eienskappe, byvoorbeeld magneties, is heeltemal soortgelyk aan dié van geleidingsstrome.
Vooroordeel huidige
Daar is 'n verskynsel wat niks met lading-oordrag te doen het nie en vind plaas waar daar 'n tydveranderende elektriese veld is wat die eienskap van "regte" geleiding of oordragstrome het: dit stimuleer 'n wisselende magneetveld. Dit iskom byvoorbeeld voor in wisselstroombane tussen die plate van kapasitors. Die verskynsel gaan gepaard met die oordrag van energie en word verplasingsstroom genoem.
Trouens, hierdie waarde wys hoe vinnig die elektriese veldinduksie verander op 'n sekere oppervlak loodreg op die rigting van sy vektor. Die konsep van elektriese induksie sluit die veldsterkte en polarisasievektore in. In 'n vakuum word slegs spanning in ag geneem. Wat elektromagnetiese prosesse in materie betref, lewer die polarisasie van molekules of atome, waarin, wanneer dit aan 'n veld blootgestel word, die beweging van gebonde (nie vry nie!) Ladings plaasvind, 'n mate van bydrae tot die verplasingsstroom in 'n diëlektrikum of geleier.
Die naam het in die 19de eeu ontstaan en is voorwaardelik, aangesien 'n regte elektriese stroom 'n geordende beweging van gelaaide deeltjies is. Verplasingsstroom het niks met ladingsverdryf te doen nie. Daarom is dit streng gesproke nie 'n stroom nie.
Manifestasies (handelinge) van huidige
Geordende beweging van gelaaide deeltjies gaan altyd gepaard met sekere fisiese verskynsels, wat in werklikheid gebruik kan word om te oordeel of hierdie proses plaasvind of nie. Dit is moontlik om sulke verskynsels (huidige aksies) in drie hoofgroepe te verdeel:
- Magnetiese aksie. 'n Bewegende elektriese lading skep noodwendig 'n magnetiese veld. As jy 'n kompas langs 'n geleier plaas waardeur stroom vloei, sal die pyl loodreg op die rigting van hierdie stroom draai. Op grond van hierdie verskynsel werk elektromagnetiese toestelle, wat byvoorbeeld toelaat om elektriese energie om te skakelin meganies.
- Termiese effek. Die stroom werk wel om die weerstand van die geleier te oorkom, wat lei tot die vrystelling van termiese energie. Dit is omdat gelaaide deeltjies tydens die drywing verstrooiing op die elemente van die kristalrooster of geleiermolekules ervaar en hulle kinetiese energie gee. As die rooster van byvoorbeeld 'n metaal heeltemal gereeld was, sou die elektrone dit feitlik nie opmerk nie (dit is 'n gevolg van die golfaard van die deeltjies). Eerstens is die atome in die roosterplekke self egter onderworpe aan termiese vibrasies wat die reëlmatigheid daarvan skend, en tweedens beïnvloed roosterdefekte - onsuiwerheidsatome, ontwrigtings, leeghede - ook die beweging van elektrone.
- Chemiese werking word in elektroliete waargeneem. Teenoorgelaaide ione, waarin die elektrolitiese oplossing gedissosieer word, wanneer 'n elektriese veld toegepas word, word na teenoorgestelde elektrodes geskei, wat lei tot chemiese ontbinding van die elektroliet.
Behalwe wanneer die geordende beweging van gelaaide deeltjies die onderwerp van wetenskaplike navorsing is, interesseer dit 'n persoon in sy makroskopiese manifestasies. Dit is nie die stroom self wat vir ons belangrik is nie, maar die verskynsels wat hierbo gelys is, wat dit veroorsaak, as gevolg van die transformasie van elektriese energie in ander vorme.
Alle huidige aksies speel 'n dubbele rol in ons lewens. In sommige gevalle is dit nodig om mense en toerusting teen hulle te beskerm, in ander is die verkryging van een of ander effek wat veroorsaak word deur die gerigte oordrag van elektriese ladings direk.doel van 'n wye verskeidenheid tegniese toestelle.
