Veliko različnih fizikalnih pojavov, tako mikroskopskih kot makroskopskih, je po naravi elektromagnetnih. Sem spadajo sile trenja in elastičnosti, vsi kemični procesi, elektrika, magnetizem, optika.
Ena od takih manifestacij elektromagnetne interakcije je urejeno gibanje nabitih delcev. Je absolutno nujen element skoraj vseh sodobnih tehnologij, ki se uporabljajo na različnih področjih – od organizacije našega življenja do vesoljskih poletov.
Splošni koncept pojava
Urejeno gibanje nabitih delcev se imenuje električni tok. Takšno gibanje nabojev se lahko izvede v različnih medijih s pomočjo določenih delcev, včasih kvazi delcev.
Predpogoj za trenutno jenatančno urejeno, usmerjeno gibanje. Nabiti delci so predmeti, ki (tako kot nevtralni) imajo toplotno kaotično gibanje. Vendar se tok pojavi šele, ko v ozadju tega neprekinjenega kaotičnega procesa pride do splošnega premikanja nabojev v neko smer.
Ko se telo giblje, električno nevtralno kot celota, se delci v njegovih atomih in molekulah seveda premikajo v smeri, a ker nasprotni naboji v nevtralnem objektu kompenzirajo drug drugega, ni prenosa naboja, in lahko govorimo o toku, tudi v tem primeru nima smisla.
Kako nastane tok
Razmislite o najpreprostejši različici enosmernega vzbujanja. Če na medij, kjer so v splošnem primeru prisotni nosilci naboja, nanesemo električno polje, se v njem začne urejeno gibanje nabitih delcev. Pojav se imenuje premik naboja.
Na kratko je mogoče opisati, kot sledi. Na različnih točkah polja nastane potencialna razlika (napetost), to pomeni, da bo energija interakcije električnih nabojev, ki se nahajajo na teh točkah, s poljem, povezana z velikostjo teh nabojev, različna. Ker vsak fizični sistem, kot je znano, teži k minimalni potencialni energiji, ki ustreza ravnotežnemu stanju, se bodo nabiti delci začeli premikati proti izenačevanju potencialov. Z drugimi besedami, polje opravi nekaj dela za premikanje teh delcev.
Ko se potenciali izenačijo, napetost izgineelektrično polje - izgine. Hkrati se ustavi tudi urejeno gibanje nabitih delcev, tok. Za pridobitev stacionarnega, torej časovno neodvisnega polja, je treba uporabiti vir toka, v katerem se zaradi sproščanja energije v določenih procesih (na primer kemičnih) naboji neprekinjeno ločujejo in dovajajo v poli, ki ohranjajo obstoj električnega polja.
Tok je mogoče pridobiti na različne načine. Torej sprememba magnetnega polja vpliva na naboje v prevodnem vezju, ki se vnese vanj, in povzroči njihovo usmerjeno gibanje. Takšen tok se imenuje induktivni.
Kvantitativne značilnosti toka
Glavni parameter, s katerim je tok kvantitativno opisan, je moč toka (včasih pravijo "vrednost" ali preprosto "tok"). Opredeljen je kot količina električne energije (količina naboja ali število elementarnih nabojev), ki preide na enoto časa skozi določeno površino, običajno skozi presek prevodnika: I=Q / t. Tok se meri v amperih: 1 A \u003d 1 C / s (kulonov na sekundo). V odseku električnega tokokroga je jakost toka neposredno povezana s potencialno razliko in obratno - z uporom prevodnika: I \u003d U / R. Za celotno vezje je ta odvisnost (Ohmov zakon) izražena kot I=Ԑ/R+r, kjer je Ԑ elektromotorna sila vira in r njegov notranji upor.
Razmerje med jakostjo toka in presekom prevodnika, skozi katerega poteka urejeno gibanje nabitih delcev pravokotno nanj, se imenuje gostota toka: j=I/S=Q/St. Ta vrednost označuje količino električne energije, ki teče na enoto časa skozi enoto površine. Večja kot je poljska jakost E in električna prevodnost medija σ, večja je gostota toka: j=σ∙E. Za razliko od trenutne jakosti je ta količina vektorska in ima smer vzdolž gibanja delcev, ki nosijo pozitiven naboj.
Trenutna smer in smer odnašanja
V električnem polju bodo predmeti, ki nosijo naboj, pod vplivom Coulombovih sil naredili urejeno gibanje do pola tokovnega vira, nasprotnega po predznaku naboja. Pozitivno nabiti delci se premikajo proti negativnemu polu ("minus") in, nasprotno, prosti negativni naboji privlačijo "plus" vira. Delci se lahko premikajo tudi v dveh nasprotnih smereh hkrati, če so v prevodnem mediju nosilci naboja obeh znakov.
Iz zgodovinskih razlogov je splošno sprejeto, da je tok usmerjen tako, kot se premikajo pozitivni naboji - od "plus" do "minus". Da bi se izognili zmedi, je treba spomniti, da čeprav v najbolj znanem primeru toka v kovinskih vodnikih dejansko gibanje delcev - elektronov - poteka, seveda v nasprotni smeri, to pogojno pravilo vedno velja.
Trenutno širjenje in hitrost premikanja
Pogosto obstajajo težave z razumevanjem, kako hitro se tok premika. Ne smemo zamenjevati dveh različnih konceptov: hitrost širjenja toka (elektrsignala) in hitrosti premikanja delcev - nosilcev naboja. Prva je hitrost, s katero se elektromagnetna interakcija prenaša ali – kar je enako – se polje širi. Je blizu (ob upoštevanju medija za širjenje) hitrosti svetlobe v vakuumu in je skoraj 300.000 km/s.
Delci naredijo svoje urejeno gibanje zelo počasi (10-4–10-3 m/s). Hitrost odmika je odvisna od jakosti, s katero nanje deluje uporabljeno električno polje, vendar je v vseh primerih za več vrst manj manjša od hitrosti toplotnega naključnega gibanja delcev (105 –106m/s). Pomembno je razumeti, da se pod delovanjem polja začne hkratni premik vseh prostih nabojev, tako da se tok takoj pojavi v celotnem prevodniku.
Vrste trenutnih
Najprej se tokovi razlikujejo po obnašanju nosilcev naboja skozi čas.
- Konstantni tok je tok, ki ne spremeni niti velikosti (moči) niti smeri gibanja delcev. To je najlažji način za premikanje nabitih delcev in je vedno začetek preučevanja električnega toka.
- Pri izmeničnem toku se ti parametri s časom spreminjajo. Njegovo ustvarjanje temelji na pojavu elektromagnetne indukcije, ki nastane v zaprtem krogu zaradi spremembe (rotacije) magnetnega polja. Električno polje v tem primeru občasno obrne vektor intenzivnosti. V skladu s tem se predznaki potencialov spreminjajo in njihova vrednost prehaja iz "plus" v "minus" vse vmesne vrednosti, vključno z ničlo. Kot rezultatpojav, urejeno gibanje nabitih delcev ves čas spreminja smer. Velikost takšnega toka niha (običajno sinusno, torej harmonično) od maksimuma do minimuma. Izmenični tok ima tako pomembno značilnost hitrosti teh nihanj, kot je frekvenca - število popolnih ciklov spremembe na sekundo.
Poleg te najpomembnejše razvrstitve je mogoče razlikovati med tokovi tudi po takem kriteriju, kot je narava gibanja nosilcev naboja glede na medij, v katerem se tok širi.
prevodni tokovi
Najbolj znan primer toka je urejeno, usmerjeno gibanje nabitih delcev pod delovanjem električnega polja znotraj telesa (medija). Imenuje se prevodni tok.
V trdnih snoveh (kovine, grafit, številni kompleksni materiali) in nekaterih tekočinah (živo srebro in druge kovinske taline) so elektroni mobilni nabiti delci. Urejeno gibanje v prevodniku je njihov premik glede na atome ali molekule snovi. Takšna prevodnost se imenuje elektronska. V polprevodnikih do prenosa naboja pride tudi zaradi gibanja elektronov, vendar je zaradi številnih razlogov za opis toka priročno uporabiti koncept luknje – pozitivni kvazidelec, ki je gibajoč se prosti prostor elektronov.
V elektrolitskih raztopinah se pretok toka izvaja zaradi premikanja negativnih in pozitivnih ionov na različne pol - anodo in katodo, ki sta del raztopine.
Prenos tokov
Plin - v normalnih pogojih dielektrik - lahko postane tudi prevodnik, če je izpostavljen dovolj močni ionizaciji. Električna prevodnost plina je mešana. Ioniziran plin je že plazma, v kateri se gibljejo tako elektroni kot ioni, torej vsi nabiti delci. Njihovo urejeno gibanje tvori plazemski kanal in se imenuje plinska razelektritev.
Usmerjeno gibanje nabojev se lahko zgodi ne samo znotraj okolja. Recimo, da se snop elektronov ali ionov giblje v vakuumu, ki ga oddaja pozitivna ali negativna elektroda. Ta pojav se imenuje elektronska emisija in se pogosto uporablja, na primer, v vakuumskih napravah. Seveda je to gibanje tok.
Drug primer je gibanje električno nabitega makroskopskega telesa. To je tudi tok, saj taka situacija izpolnjuje pogoj usmerjenega prenosa naboja.
Vse zgornje primere je treba obravnavati kot urejeno gibanje nabitih delcev. Ta tok se imenuje konvekcijski ali prenosni tok. Njegove lastnosti, na primer magnetne, so popolnoma podobne lastnostim prevodnih tokov.
Pristranski tok
Obstaja pojav, ki nima nobene zveze s prenosom naboja in se pojavi tam, kjer obstaja časovno spremenljivo električno polje, ki ima lastnost "prave" prevodnosti ali prenosnih tokov: vzbuja izmenično magnetno polje. To jese pojavi na primer v tokokrogih izmeničnega toka med ploščami kondenzatorjev. Pojav spremlja prenos energije in se imenuje tok izpodrivanja.
Pravzaprav ta vrednost kaže, kako hitro se spreminja indukcija električnega polja na določeni površini pravokotno na smer njenega vektorja. Koncept električne indukcije vključuje vektorje jakosti polja in polarizacije. V vakuumu se upošteva samo napetost. Kar zadeva elektromagnetne procese v snovi, polarizacija molekul ali atomov, pri katerih, ko so izpostavljeni polju, poteka gibanje vezanih (ne brezplačnih!) nabojev, prispeva k premikalnemu toku v dielektriku ali prevodniku.
Ime izvira iz 19. stoletja in je pogojno, saj je pravi električni tok urejeno gibanje nabitih delcev. Pomikalni tok nima nič opraviti z odnašanjem naboja. Zato, strogo gledano, ni tok.
Manifestacije (dejanja) trenutnega
Urejeno gibanje nabitih delcev vedno spremljajo določeni fizikalni pojavi, po katerih je pravzaprav mogoče presoditi, ali ta proces poteka ali ne. Takšne pojave (trenutna dejanja) je mogoče razdeliti v tri glavne skupine:
- Magnetno delovanje. Premikajoči se električni naboj nujno ustvari magnetno polje. Če postavite kompas zraven prevodnika, skozi katerega teče tok, se bo puščica obrnila pravokotno na smer tega toka. Na podlagi tega pojava delujejo elektromagnetne naprave, ki omogočajo na primer pretvorbo električne energijev mehansko.
- Termični učinek. Tok deluje tako, da premaga upor prevodnika, kar povzroči sproščanje toplotne energije. To je zato, ker se med odnašanjem nabiti delci razpršijo po elementih kristalne mreže ali molekul prevodnikov in jim dajo kinetično energijo. Če bi bila mreža, recimo, kovine popolnoma pravilna, je elektroni praktično ne bi opazili (to je posledica valovne narave delcev). Vendar pa so, prvič, atomi na mestih mreže podvrženi toplotnim vibracijam, ki kršijo njeno pravilnost, in drugič, napake v mreži - atomi nečistoč, dislokacije, prosta mesta - vplivajo tudi na gibanje elektronov.
- Kemično delovanje opazimo v elektrolitih. Nasprotno nabiti ioni, na katere se razpade elektrolitska raztopina, se ob uporabi električnega polja ločijo na nasprotne elektrode, kar vodi do kemične razgradnje elektrolita.
Razen kadar je urejeno gibanje nabitih delcev predmet znanstvenega raziskovanja, zanima človeka v svojih makroskopskih manifestacijah. Za nas ni pomemben sam tok, temveč zgoraj našteti pojavi, ki jih povzroča zaradi pretvorbe električne energije v druge oblike.
Vsa trenutna dejanja imajo v našem življenju dvojno vlogo. V nekaterih primerih je treba pred njimi zaščititi ljudi in opremo, v drugih pa je doseganje enega ali drugega učinka, ki ga povzroča usmerjen prenos električnih nabojev, neposreden.namen najrazličnejših tehničnih naprav.
