Ogroman niz fizičkih pojava, i mikroskopskih i makroskopskih, elektromagnetske je prirode. To uključuje sile trenja i elastičnosti, sve kemijske procese, elektricitet, magnetizam, optiku.
Jedna od takvih manifestacija elektromagnetske interakcije je uređeno kretanje nabijenih čestica. To je apsolutno neophodan element gotovo svih modernih tehnologija koje se koriste u raznim područjima - od organizacije našeg života do svemirskih letova.
Opći koncept fenomena
Uređeno kretanje nabijenih čestica naziva se električna struja. Takvo kretanje naboja može se izvesti u različitim medijima pomoću određenih čestica, ponekad kvazi-čestica.
Preduvjet za trenutnu jeupravo uredno, usmjereno kretanje. Nabijene čestice su objekti koji (kao i neutralni) imaju toplinsko kaotično gibanje. Međutim, struja se javlja samo kada, na pozadini ovog kontinuiranog kaotičnog procesa, postoji opće kretanje naboja u nekom smjeru.
Kada se tijelo kreće, električno neutralno kao cjelina, čestice u njegovim atomima i molekulama, naravno, kreću se u smjeru, ali budući da se suprotni naboji u neutralnom objektu međusobno kompenziraju, nema prijenosa naboja, a možemo govoriti o struji nema smisla ni u ovom slučaju.
Kako se generira struja
Razmotrimo najjednostavniju verziju uzbude istosmjerne struje. Primijeni li se električno polje na medij u kojem su u općem slučaju prisutni nosioci naboja, u njemu će započeti uređeno gibanje nabijenih čestica. Fenomen se naziva drift naboja.
Može se ukratko opisati na sljedeći način. U različitim točkama polja nastaje razlika potencijala (napon), odnosno energija interakcije električnih naboja koji se nalaze u tim točkama s poljem, povezana s veličinom tih naboja, bit će različita. Budući da svaki fizički sustav, kao što je poznato, teži minimalnoj potencijalnoj energiji koja odgovara ravnotežnom stanju, nabijene čestice će se početi kretati prema izjednačavanju potencijala. Drugim riječima, polje radi neki posao da pomakne te čestice.
Kada se potencijali izjednače, napetost nestajeelektrično polje – nestaje. Istodobno se zaustavlja i uređeno kretanje nabijenih čestica, struja. Da bi se dobilo stacionarno, odnosno vremenski neovisno polje, potrebno je koristiti izvor struje u kojem se zbog oslobađanja energije u određenim procesima (npr. kemijskim) naboji kontinuirano odvajaju i dovode u polove, održavajući postojanje električnog polja.
Current se može dobiti na razne načine. Dakle, promjena magnetskog polja utječe na naboje u vodljivom krugu koji se unose u njega i uzrokuje njihovo usmjereno kretanje. Takva se struja naziva induktivna.
Kvantitativne karakteristike struje
Glavni parametar kojim se kvantitativno opisuje struja je jačina struje (ponekad kažu "vrijednost" ili jednostavno "struja"). Definira se kao količina električne energije (količina naboja ili broj elementarnih naboja) koja u jedinici vremena prolazi kroz određenu površinu, obično kroz presjek vodiča: I=Q / t. Struja se mjeri u amperima: 1 A \u003d 1 C / s (kulona u sekundi). U dijelu električnog kruga, jačina struje izravno je povezana s razlikom potencijala i obrnuto - s otporom vodiča: I \u003d U / R. Za kompletan krug, ova ovisnost (Ohmov zakon) izražava se kao I=Ԑ/R+r, gdje je Ԑ elektromotorna sila izvora, a r njegov unutarnji otpor.
Omjer jakosti struje i poprečnog presjeka vodiča kroz koji se odvija uređeno kretanje nabijenih čestica okomito na njega naziva se gustoća struje: j=I/S=Q/Sv. Ova vrijednost karakterizira količinu električne energije koja teče u jedinici vremena kroz jedinicu površine. Što je veća jakost polja E i električna vodljivost medija σ, to je veća gustoća struje: j=σ∙E. Za razliku od jačine struje, ova veličina je vektorska i ima smjer kretanja čestica koje nose pozitivan naboj.
Trenutni smjer i smjer kretanja
U električnom polju, objekti koji nose naboj, pod utjecajem Coulombovih sila, napravit će uređeno kretanje do pola izvora struje, suprotnog znaka naboja. Pozitivno nabijene čestice pomiču se prema negativnom polu ("minus") i, obrnuto, slobodni negativni naboji privlače se "plus" izvora. Čestice se također mogu kretati u dva suprotna smjera odjednom ako u vodljivom mediju postoje nosioci naboja oba znaka.
Iz povijesnih razloga, općenito je prihvaćeno da je struja usmjerena na način na koji se pozitivni naboji kreću - od "plus" do "minus". Kako bi se izbjegla zabuna, treba imati na umu da, iako se u najpoznatijem slučaju struje u metalnim vodičima, stvarno kretanje čestica - elektrona - događa, naravno, u suprotnom smjeru, ovo uvjetno pravilo uvijek vrijedi.
Trenutačno širenje i brzina pomicanja
Često postoje problemi s razumijevanjem brzine kretanja struje. Ne treba miješati dva različita pojma: brzina širenja struje (elektrsignal) i brzina drifta čestica – nositelja naboja. Prva je brzina kojom se elektromagnetska interakcija prenosi ili - što je isto - polje širi. Bliska je (uzimajući u obzir medij širenja) brzini svjetlosti u vakuumu i iznosi gotovo 300 000 km/s.
Čestice čine svoje uredno kretanje vrlo sporo (10-4–10-3 m/s). Brzina pomaka ovisi o intenzitetu s kojim na njih djeluje primijenjeno električno polje, ali je u svim slučajevima nekoliko redova veličine niža od brzine toplinskog slučajnog gibanja čestica (105 –106m/s). Važno je razumjeti da pod djelovanjem polja počinje istovremeni drift svih slobodnih naboja, pa se struja pojavljuje odmah u cijelom vodiču.
Vrste trenutnog
Prije svega, struje se razlikuju po ponašanju nositelja naboja tijekom vremena.
- Konstantna struja je struja koja ne mijenja ni veličinu (jačinu) ni smjer kretanja čestica. Ovo je najlakši način za pomicanje nabijenih čestica i uvijek je početak proučavanja električne struje.
- U izmjeničnoj struji ovi se parametri mijenjaju s vremenom. Njegovo stvaranje temelji se na fenomenu elektromagnetske indukcije koja se javlja u zatvorenom krugu zbog promjene (rotacije) magnetskog polja. Električno polje u ovom slučaju povremeno mijenja vektor intenziteta. Sukladno tome, predznaci potencijala se mijenjaju, a njihova vrijednost prelazi s "plus" na "minus" sve međuvrijednosti, uključujući nulu. Kao rezultatfenomen, uređeno kretanje nabijenih čestica cijelo vrijeme mijenja smjer. Veličina takve struje fluktuira (obično sinusno, odnosno harmonično) od maksimuma do minimuma. Izmjenična struja ima tako važnu karakteristiku brzine tih oscilacija kao što je frekvencija - broj kompletnih ciklusa promjene u sekundi.
Pored ove najvažnije klasifikacije, razlike između struja mogu se napraviti i prema kriteriju kao što je priroda kretanja nositelja naboja u odnosu na medij u kojem se struja širi.
provodne struje
Najpoznatiji primjer struje je uređeno, usmjereno kretanje nabijenih čestica pod djelovanjem električnog polja unutar tijela (medija). Zove se struja vodljivosti.
U čvrstim tvarima (metali, grafit, mnogi složeni materijali) i nekim tekućinama (živa i druge taline metala), elektroni su pokretne nabijene čestice. Uređeno kretanje u vodiču je njihov pomak u odnosu na atome ili molekule tvari. Vodljivost ove vrste naziva se elektronička. U poluvodičima se prijenos naboja također događa zbog gibanja elektrona, ali je iz više razloga zgodno koristiti koncept rupe za opisivanje struje – pozitivne kvazičestice, koja je prazna pozicija elektrona u pokretu.
U elektrolitskim otopinama, prolaz struje se provodi zbog negativnih i pozitivnih iona koji se kreću na različite polove - anodu i katodu, koji su dio otopine.
Prenos struje
Plin - u normalnim uvjetima dielektrik - također može postati vodič ako je podvrgnut dovoljno jakoj ionizaciji. Električna vodljivost plina je mješovita. Ionizirani plin je već plazma u kojoj se kreću i elektroni i ioni, odnosno sve nabijene čestice. Njihovo uređeno kretanje tvori plazma kanal i naziva se plinsko pražnjenje.
Usmjereno kretanje naboja može se dogoditi ne samo unutar okoliša. Pretpostavimo da se snop elektrona ili iona kreće u vakuumu, emitiran iz pozitivne ili negativne elektrode. Taj se fenomen naziva emisija elektrona i široko se koristi, na primjer, u vakuumskim uređajima. Naravno, ovaj pokret je struja.
Još jedan slučaj je kretanje električno nabijenog makroskopskog tijela. Ovo je također struja, budući da takva situacija zadovoljava uvjet usmjerenog prijenosa naboja.
Sve gore navedene primjere treba smatrati uređenim kretanjem nabijenih čestica. Ova struja se naziva konvekcijska ili prijenosna struja. Njegova svojstva, na primjer, magnetska, potpuno su slična onima vodljivih struja.
Bias current
Postoji fenomen koji nema nikakve veze s prijenosom naboja i javlja se tamo gdje postoji vremenski promjenjivo električno polje koje ima svojstvo "stvarnog" vođenja ili prijenosnih struja: ono pobuđuje izmjenično magnetsko polje. Ovo jejavlja se npr. u krugovima izmjenične struje između ploča kondenzatora. Fenomen je popraćen prijenosom energije i naziva se struja pomaka.
Zapravo, ova vrijednost pokazuje koliko se brzo mijenja indukcija električnog polja na određenoj površini okomito na smjer njezina vektora. Pojam električne indukcije uključuje vektore jakosti polja i polarizacije. U vakuumu se uzima u obzir samo napetost. Što se tiče elektromagnetskih procesa u materiji, polarizacija molekula ili atoma, u kojoj se, kada su izloženi polju, odvija kretanje vezanih (ne slobodnih!) naboja, daje određeni doprinos struji pomaka u dielektriku ili vodiču.
Ime je nastalo u 19. stoljeću i uvjetno je, budući da je prava električna struja uređeno kretanje nabijenih čestica. Struja pomaka nema nikakve veze s pomakom naboja. Dakle, strogo govoreći, nije struja.
Manifestacije (radnje) trenutne
Uređeno kretanje nabijenih čestica uvijek je popraćeno određenim fizičkim pojavama, po kojima se, zapravo, može prosuditi odvija li se taj proces ili ne. Moguće je podijeliti takve pojave (trenutne radnje) u tri glavne skupine:
- Magnetno djelovanje. Električni naboj koji se kreće nužno stvara magnetsko polje. Postavite li kompas pored vodiča kroz koji teče struja, strelica će se okrenuti okomito na smjer te struje. Na temelju ovog fenomena rade elektromagnetski uređaji koji omogućuju, na primjer, pretvaranje električne energijeu mehanički.
- Termički učinak. Struja radi na prevladavanju otpora vodiča, što rezultira oslobađanjem toplinske energije. To je zato što se tijekom drifta nabijene čestice raspršuju na elementima kristalne rešetke ili molekula vodiča i daju im kinetičku energiju. Da je rešetka, recimo, metala savršeno pravilna, elektroni to praktički ne bi primijetili (to je posljedica valne prirode čestica). Međutim, prvo, sami atomi na mjestima rešetke podliježu toplinskim vibracijama koje narušavaju njegovu pravilnost, a drugo, defekti rešetke - atomi nečistoća, dislokacije, prazna mjesta - također utječu na kretanje elektrona.
- Kemijsko djelovanje se opaža u elektrolitima. Suprotno nabijeni ioni, na koje je elektrolitička otopina disocirana, kada se primjenjuje električno polje, odvajaju se na suprotne elektrode, što dovodi do kemijske razgradnje elektrolita.
Osim kada je uređeno gibanje nabijenih čestica predmet znanstvenog istraživanja, ono zanima osobu u svojim makroskopskim manifestacijama. Za nas nije važna sama struja, već gore navedene pojave koje ona uzrokuje, zbog transformacije električne energije u druge oblike.
Sve trenutne radnje igraju dvostruku ulogu u našim životima. U nekim slučajevima potrebno je zaštititi ljude i opremu od njih, u drugima je postizanje jednog ili drugog učinka uzrokovanog usmjerenim prijenosom električnih naboja izravno.svrha širokog spektra tehničkih uređaja.
