Pelbagai besar fenomena fizikal, kedua-dua mikroskopik dan makroskopik, bersifat elektromagnet. Ini termasuk daya geseran dan keanjalan, semua proses kimia, elektrik, kemagnetan, optik.
Salah satu manifestasi interaksi elektromagnet sedemikian ialah pergerakan tertib zarah bercas. Ia adalah elemen yang sangat diperlukan bagi hampir semua teknologi moden yang digunakan dalam pelbagai bidang - daripada organisasi kehidupan kita hingga penerbangan angkasa lepas.
Konsep umum fenomena
Pergerakan tertib zarah bercas dipanggil arus elektrik. Pergerakan cas sedemikian boleh dilakukan dalam media yang berbeza melalui zarah tertentu, kadangkala zarah separa.
Prasyarat untuk semasa ialahpergerakan yang teratur dan terarah. Zarah bercas ialah objek yang (serta yang neutral) mempunyai gerakan huru-hara terma. Walau bagaimanapun, arus berlaku hanya apabila, dengan latar belakang proses huru-hara berterusan ini, terdapat pergerakan umum cas ke arah tertentu.
Apabila suatu jasad bergerak, secara keseluruhannya neutral secara elektrik, zarah-zarah dalam atom dan molekulnya, sudah tentu, bergerak ke satu arah, tetapi kerana cas-cas yang bertentangan dalam objek neutral saling mengimbangi satu sama lain, tiada pemindahan cas, dan kita boleh bercakap tentang arus juga tidak masuk akal dalam kes ini.
Cara arus dijana
Pertimbangkan versi pengujaan arus terus yang paling mudah. Jika medan elektrik digunakan pada medium di mana pembawa cas hadir dalam kes umum, gerakan tertib zarah bercas akan bermula di dalamnya. Fenomena ini dipanggil caj hanyut.
Ia boleh dihuraikan secara ringkas seperti berikut. Pada titik medan yang berbeza, perbezaan potensi (voltan) timbul, iaitu, tenaga interaksi cas elektrik yang terletak pada titik ini dengan medan, yang berkaitan dengan magnitud cas ini, akan berbeza. Oleh kerana mana-mana sistem fizikal, seperti yang diketahui, cenderung kepada tenaga potensi minimum yang sepadan dengan keadaan keseimbangan, zarah bercas akan mula bergerak ke arah penyamaan potensi. Dalam erti kata lain, medan melakukan beberapa kerja untuk menggerakkan zarah ini.
Apabila potensi disamakan, ketegangan itu hilangmedan elektrik - ia hilang. Pada masa yang sama, pergerakan tertib zarah bercas, arus, juga berhenti. Untuk mendapatkan pegun, iaitu medan bebas masa, adalah perlu untuk menggunakan sumber semasa di mana, disebabkan oleh pembebasan tenaga dalam proses tertentu (contohnya, kimia), cas diasingkan secara berterusan dan disalurkan kepada tiang, mengekalkan kewujudan medan elektrik.
Semasa boleh diperolehi dalam pelbagai cara. Jadi, perubahan dalam medan magnet menjejaskan cas dalam litar pengalir yang dimasukkan ke dalamnya dan menyebabkan pergerakan terarahnya. Arus sedemikian dipanggil induktif.
Ciri kuantitatif semasa
Parameter utama yang menggambarkan arus secara kuantitatif ialah kekuatan arus (kadangkala mereka menyebut "nilai" atau hanya "semasa"). Ia ditakrifkan sebagai jumlah elektrik (jumlah cas atau bilangan cas asas) yang melalui per unit masa melalui permukaan tertentu, biasanya melalui keratan rentas konduktor: I=Q / t. Arus diukur dalam ampere: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb sesaat). Di bahagian litar elektrik, kekuatan semasa secara langsung berkaitan dengan perbezaan potensi dan songsang - kepada rintangan konduktor: I \u003d U / R. Untuk litar lengkap, kebergantungan ini (hukum Ohm) dinyatakan sebagai I=Ԑ/R+r, dengan Ԑ ialah daya gerak elektrik punca dan r ialah rintangan dalamannya.
Nisbah kekuatan semasa kepada keratan rentas konduktor yang melaluinya pergerakan tertib zarah bercas berlaku berserenjang dengannya dipanggil ketumpatan arus: j=I/S=S/St. Nilai ini mencirikan jumlah elektrik yang mengalir setiap unit masa melalui satu unit luas. Semakin tinggi kekuatan medan E dan kekonduksian elektrik medium σ, semakin besar ketumpatan arus: j=σ∙E. Berbeza dengan kekuatan semasa, kuantiti ini ialah vektor dan mempunyai arah sepanjang pergerakan zarah yang membawa cas positif.
Arah semasa dan arah hanyut
Dalam medan elektrik, objek yang membawa cas, di bawah pengaruh daya Coulomb, akan membuat pergerakan tertib ke kutub punca arus, bertentangan dengan tanda cas. Zarah bercas positif hanyut ke arah kutub negatif ("tolak") dan, sebaliknya, caj negatif percuma tertarik kepada "tambah" sumber. Zarah juga boleh bergerak dalam dua arah bertentangan serentak jika terdapat pembawa cas kedua-dua tanda dalam medium pengalir.
Atas sebab sejarah, diterima umum bahawa arus diarahkan cara cas positif bergerak - daripada "tambah" kepada "tolak". Untuk mengelakkan kekeliruan, perlu diingat bahawa walaupun dalam kes arus yang paling biasa dalam konduktor logam, pergerakan sebenar zarah - elektron - berlaku, sudah tentu, dalam arah yang bertentangan, peraturan bersyarat ini sentiasa terpakai.
Propagasi semasa dan kelajuan hanyut
Selalunya terdapat masalah dengan memahami seberapa pantas arus bergerak. Dua konsep yang berbeza tidak boleh dikelirukan: kelajuan perambatan arus (elektrikisyarat) dan halaju hanyutan zarah - pembawa cas. Yang pertama ialah kelajuan di mana interaksi elektromagnet dihantar atau - yang sama - medan merambat. Ia hampir (dengan mengambil kira medium perambatan) dengan kelajuan cahaya dalam vakum dan hampir 300,000 km/s.
Zarah membuat pergerakan teraturnya dengan sangat perlahan (10-4–10-3 m/s). Halaju hanyut bergantung pada keamatan medan elektrik yang digunakan bertindak ke atasnya, tetapi dalam semua kes, ia adalah beberapa urutan magnitud lebih rendah daripada halaju gerakan rawak haba zarah (105 –106m/s). Adalah penting untuk memahami bahawa di bawah tindakan medan, hanyut serentak semua caj percuma bermula, jadi arus muncul serta-merta dalam keseluruhan konduktor.
Jenis semasa
Pertama sekali, arus dibezakan oleh kelakuan pembawa cas dari semasa ke semasa.
- Arus malar ialah arus yang tidak mengubah sama ada magnitud (kekuatan) atau arah pergerakan zarah. Ini ialah cara paling mudah untuk menggerakkan zarah bercas, dan ia sentiasa menjadi permulaan kepada kajian arus elektrik.
- Dalam arus ulang alik, parameter ini berubah mengikut masa. Penjanaannya adalah berdasarkan fenomena aruhan elektromagnet yang berlaku dalam litar tertutup akibat perubahan (putaran) medan magnet. Medan elektrik dalam kes ini secara berkala membalikkan vektor keamatan. Sehubungan itu, tanda-tanda potensi berubah, dan nilainya beralih daripada "tambah" kepada "tolak" semua nilai perantaraan, termasuk sifar. Akibatnyafenomena, pergerakan tertib zarah bercas bertukar arah sepanjang masa. Magnitud arus sedemikian berubah-ubah (biasanya secara sinusoid, iaitu, secara harmoni) dari maksimum kepada minimum. Arus ulang alik mempunyai ciri penting bagi kelajuan ayunan ini sebagai frekuensi - bilangan kitaran lengkap perubahan sesaat.
Selain klasifikasi yang paling penting ini, perbezaan antara arus juga boleh dibuat mengikut kriteria seperti sifat pergerakan pembawa cas berhubung dengan medium di mana arus merambat.
Arus pengaliran
Contoh arus yang paling terkenal ialah pergerakan zarah bercas yang teratur dan terarah di bawah tindakan medan elektrik di dalam badan (sederhana). Ia dipanggil arus pengaliran.
Dalam pepejal (logam, grafit, banyak bahan kompleks) dan beberapa cecair (merkuri dan cair logam lain), elektron ialah zarah bercas mudah alih. Pergerakan tertib dalam konduktor ialah hanyutannya berbanding atom atau molekul sesuatu bahan. Kekonduksian jenis ini dipanggil elektronik. Dalam semikonduktor, pemindahan cas juga berlaku disebabkan oleh pergerakan elektron, tetapi atas beberapa sebab adalah mudah untuk menggunakan konsep lubang untuk menggambarkan arus - kuasipartikel positif, iaitu kekosongan elektron yang bergerak.
Dalam larutan elektrolitik, laluan arus dilakukan kerana ion negatif dan positif bergerak ke kutub yang berbeza - anod dan katod, yang merupakan sebahagian daripada penyelesaian.
Arus pemindahan
Gas - dalam keadaan biasa dielektrik - juga boleh menjadi konduktor jika tertakluk kepada pengionan yang cukup kuat. Kekonduksian elektrik gas bercampur. Gas terion sudahpun menjadi plasma di mana kedua-dua elektron dan ion, iaitu, semua zarah bercas, bergerak. Pergerakan tertib mereka membentuk saluran plasma dan dipanggil pelepasan gas.
Pergerakan cas terarah boleh berlaku bukan sahaja di dalam persekitaran. Katakan pancaran elektron atau ion sedang bergerak dalam vakum, dipancarkan daripada elektrod positif atau negatif. Fenomena ini dipanggil pelepasan elektron dan digunakan secara meluas, sebagai contoh, dalam peranti vakum. Sudah tentu, pergerakan ini adalah arus.
Kes lain ialah pergerakan badan makroskopik bercas elektrik. Ini juga semasa, kerana situasi sedemikian memenuhi syarat pemindahan caj terarah.
Semua contoh di atas harus dianggap sebagai pergerakan tertib zarah bercas. Arus ini dipanggil perolakan atau arus pemindahan. Sifatnya, sebagai contoh, magnet, adalah sama sepenuhnya dengan arus pengaliran.
Arus bias
Terdapat fenomena yang tiada kaitan dengan pemindahan cas dan berlaku apabila terdapat medan elektrik yang berubah-ubah masa yang mempunyai sifat pengaliran atau arus pemindahan "sebenar": ia merangsang medan magnet berselang-seli. Ini adalahberlaku, sebagai contoh, dalam litar arus ulang alik antara plat kapasitor. Fenomena ini disertai dengan pemindahan tenaga dan dipanggil arus sesaran.
Malah, nilai ini menunjukkan betapa cepat aruhan medan elektrik berubah pada permukaan tertentu berserenjang dengan arah vektornya. Konsep aruhan elektrik merangkumi kekuatan medan dan vektor polarisasi. Dalam vakum, hanya ketegangan diambil kira. Bagi proses elektromagnet dalam jirim, polarisasi molekul atau atom, di mana, apabila terdedah kepada medan, pergerakan cas terikat (tidak bebas!) berlaku, memberikan sedikit sumbangan kepada arus anjakan dalam dielektrik atau konduktor.
Nama itu berasal dari abad ke-19 dan bersyarat, kerana arus elektrik sebenar ialah pergerakan tertib zarah bercas. Arus anjakan tiada kaitan dengan hanyut cas. Oleh itu, secara tegasnya, ia bukan arus.
Manifestasi (tindakan) semasa
Pergerakan tertib zarah bercas sentiasa disertai dengan fenomena fizikal tertentu, yang sebenarnya, boleh digunakan untuk menilai sama ada proses ini berlaku atau tidak. Adalah mungkin untuk membahagikan fenomena tersebut (tindakan semasa) kepada tiga kumpulan utama:
- Tindakan magnet. Caj elektrik yang bergerak semestinya menghasilkan medan magnet. Jika anda meletakkan kompas di sebelah konduktor yang mengalirkan arus, anak panah akan bertukar berserenjang dengan arah arus ini. Berdasarkan fenomena ini, peranti elektromagnet beroperasi, membenarkan, sebagai contoh, untuk menukar tenaga elektrikmenjadi mekanikal.
- Kesan terma. Arus berfungsi untuk mengatasi rintangan konduktor, mengakibatkan pembebasan tenaga haba. Ini kerana, semasa hanyut, zarah bercas mengalami serakan pada unsur-unsur kekisi kristal atau molekul konduktor dan memberikannya tenaga kinetik. Jika kekisi, katakan, logam adalah sekata sempurna, elektron boleh dikatakan tidak menyedarinya (ini adalah akibat sifat gelombang zarah). Walau bagaimanapun, pertama sekali, atom dalam tapak kekisi itu sendiri tertakluk kepada getaran terma yang melanggar keteraturannya, dan kedua, kecacatan kekisi - atom kekotoran, kehelan, kekosongan - turut menjejaskan pergerakan elektron.
- Tindakan kimia diperhatikan dalam elektrolit. Ion bercas bertentangan, di mana larutan elektrolitik diasingkan, apabila medan elektrik digunakan, diasingkan kepada elektrod bertentangan, yang membawa kepada penguraian kimia elektrolit.
Kecuali apabila pergerakan tertib zarah bercas adalah subjek penyelidikan saintifik, ia menarik minat seseorang dalam manifestasi makroskopiknya. Bukan arus itu sendiri yang penting bagi kita, tetapi fenomena yang disenaraikan di atas, yang menyebabkannya, disebabkan oleh perubahan tenaga elektrik kepada bentuk lain.
Semua tindakan semasa memainkan dua peranan dalam kehidupan kita. Dalam sesetengah kes, adalah perlu untuk melindungi orang dan peralatan daripada mereka, dalam yang lain, mendapatkan satu atau satu lagi kesan yang disebabkan oleh pemindahan cas elektrik yang diarahkan adalah secara langsung.tujuan pelbagai jenis peranti teknikal.
