A fizikai jelenségek széles skálája, mind a mikroszkopikus, mind a makroszkopikus, elektromágneses természetűek. Ide tartoznak a súrlódási és rugalmassági erők, minden kémiai folyamat, elektromosság, mágnesesség, optika.
Az elektromágneses kölcsönhatás egyik ilyen megnyilvánulása a töltött részecskék rendezett mozgása. Feltétlenül szükséges eleme szinte minden modern technológiának, amelyet különféle területeken használnak – életünk megszervezésétől az űrrepülésekig.
A jelenség általános fogalma
A töltött részecskék rendezett mozgását elektromos áramnak nevezzük. A töltések ilyen mozgása különböző közegekben végrehajtható bizonyos részecskék, néha kvázi részecskék segítségével.
Az áram előfeltételepontosan rendezett, irányított mozgás. A töltött részecskék olyan tárgyak, amelyek (ahogy a semlegesek is) termikusan kaotikus mozgást végeznek. Az áram azonban csak akkor lép fel, ha ennek a folyamatos kaotikus folyamatnak a hátterében a töltések valamilyen irányban általánosan elmozdulnak.
Amikor egy test mozog, egészében elektromosan semleges, az atomjaiban és molekuláiban lévő részecskék természetesen egy irányba mozognak, de mivel egy semleges tárgyban ellentétes töltések kompenzálják egymást, nincs töltésátvitel, és beszélhetünk arról, hogy az áramnak ebben az esetben sincs értelme.
Hogyan jön létre az áram
Tekintsük az egyenáramú gerjesztés legegyszerűbb változatát. Ha egy olyan közegre elektromos teret alkalmazunk, ahol általános esetben töltéshordozók vannak, abban a töltött részecskék rendezett mozgása indul meg. A jelenséget töltéssodródásnak nevezik.
Ezt a következőképpen lehet röviden leírni. A mező különböző pontjain potenciálkülönbség (feszültség) keletkezik, vagyis az ezeken a pontokon található elektromos töltések és a mező kölcsönhatásának energiája, a töltések nagyságához viszonyítva, eltérő lesz. Mivel minden fizikai rendszer, mint ismeretes, az egyensúlyi állapotnak megfelelő minimális potenciális energiára törekszik, a töltött részecskék elkezdenek mozogni a potenciálok kiegyenlítődése felé. Más szavakkal, a mező némi munkát végez ezen részecskék mozgatása érdekében.
Amikor a potenciálok kiegyenlítődnek, a feszültség megszűnikelektromos mező – eltűnik. Ezzel párhuzamosan a töltött részecskék rendezett mozgása, az áram is leáll. A stacionárius, azaz időfüggetlen mező eléréséhez olyan áramforrást kell alkalmazni, amelyben bizonyos folyamatok (például vegyi) energiafelszabadulása miatt folyamatosan töltéseket választanak le és táplálnak a pólusok, fenntartva az elektromos tér létezését.
Az áramot többféleképpen is meg lehet szerezni. Tehát a mágneses tér változása befolyásolja a bevezetett vezető áramkör töltéseit, és irányított mozgást okoz. Az ilyen áramot induktívnak nevezzük.
Az áram mennyiségi jellemzői
A fő paraméter, amellyel az áram mennyiségileg leírható, az áram erőssége (néha azt mondják, hogy "érték" vagy egyszerűen "áram"). Úgy definiálható, hogy egy adott felületen, általában a vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt áthaladó villamos energia mennyisége (a töltés mennyisége vagy az elemi töltések száma): I=Q / t. Az áramerősséget amperben mérik: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb per másodperc). Az elektromos áramkör szakaszában az áramerősség közvetlenül kapcsolódik a potenciálkülönbséghez, és fordítva - a vezető ellenállásához: I \u003d U / R. Egy teljes áramkör esetében ez a függés (Ohm törvénye) a következőképpen fejeződik ki: I=Ԑ/R+r, ahol Ԑ a forrás elektromotoros ereje, r pedig a belső ellenállása.
Az áramerősség és a vezető keresztmetszete arányát, amelyen keresztül a töltött részecskék rá merőlegesen rendezett mozgása történik, áramsűrűségnek nevezzük: j=I/S=Q/St. Ez az érték jellemzi az egységnyi területen átáramló villamos energia mennyiségét. Minél nagyobb az E térerő és a σ közeg elektromos vezetőképessége, annál nagyobb az áramsűrűség: j=σ∙E. Az áramerősségtől eltérően ez a mennyiség vektor, és iránya van a pozitív töltést hordozó részecskék mozgása mentén.
Aktuális irány és sodródási irány
Elektromos térben a töltést hordozó tárgyak Coulomb-erők hatására rendezett mozgást végeznek az áramforrás pólusa felé, a töltés előjelével ellentétes irányban. A pozitív töltésű részecskék a negatív pólus felé sodródnak ("mínusz"), és fordítva, a szabad negatív töltések vonzódnak a forrás "pluszához". A részecskék egyszerre két ellentétes irányba is mozoghatnak, ha mindkét előjelű töltéshordozók vannak a vezető közegben.
Történelmi okokból általánosan elfogadott, hogy az áramot a pozitív töltések mozgásának megfelelően irányítják – a „pluszból” a „mínuszba”. A félreértések elkerülése végett nem szabad elfelejteni, hogy bár a fémvezetők áramának legismertebb esetben a részecskék - az elektronok - valós mozgása természetesen az ellenkező irányban történik, ez a feltételes szabály mindig érvényes.
Aktuális terjedési és sodródási sebesség
Gyakran problémák merülnek fel annak megértésével, hogy milyen gyorsan mozog az áram. Két különböző fogalmat nem szabad összekeverni: az áram terjedési sebességét (elektromosjel) és a részecskék – töltéshordozók – sodródási sebessége. Az első az elektromágneses kölcsönhatás átviteli sebessége vagy - ami megegyezik - a tér terjedésének sebessége. Közel van (a terjedési közeget figyelembe véve) a fény vákuumban mért sebességéhez, és majdnem 300 000 km/s.
A részecskék nagyon lassan hajtják végre a rendezett mozgást (10-4–10-3 m/s). A sodródási sebesség attól függ, hogy az alkalmazott elektromos tér milyen intenzitással hat rájuk, de minden esetben több nagyságrenddel kisebb, mint a részecskék termikus véletlenszerű mozgásának sebessége (105 –106m/s). Fontos megérteni, hogy a mező hatására megindul az összes szabad töltés egyidejű sodródása, így az áram azonnal megjelenik a teljes vezetőben.
A jelenlegi típusai
Először is, az áramokat a töltéshordozók időbeli viselkedése különbözteti meg.
- Az állandó áram olyan áram, amely nem változtatja meg sem a részecskék mozgásának nagyságát (erősségét), sem irányát. Ez a legegyszerűbb módja a töltött részecskék mozgatásának, és mindig ez az elektromos áram vizsgálatának kezdete.
- Váltóáramban ezek a paraméterek idővel változnak. Létrehozása az elektromágneses indukció jelenségén alapul, amely zárt körben a mágneses tér megváltozása (forgása) következtében lép fel. Az elektromos tér ebben az esetben periodikusan megfordítja az intenzitásvektort. Ennek megfelelően a potenciálok előjelei megváltoznak, és értékük "plusz"-ról "mínuszra" kerül minden köztes értékre, beleértve a nullát is. Ennek eredményekéntjelenség, a töltött részecskék rendezett mozgása folyamatosan irányt változtat. Az ilyen áram nagysága (általában szinuszosan, azaz harmonikusan) a maximumtól a minimumig ingadozik. A váltakozó áramnak van egy olyan fontos jellemzője ezeknek a rezgések sebességének, mint a frekvencia - a teljes változási ciklusok száma másodpercenként.
Ezen a legfontosabb osztályozáson túlmenően az áramok közötti különbségek olyan kritériumok szerint is tehetők, mint a töltéshordozók mozgásának jellege ahhoz a közeghez képest, amelyben az áram terjed.
Vezetési áramok
Az áram leghíresebb példája a töltött részecskék rendezett, irányított mozgása egy testben (közegben) elektromos tér hatására. Ezt vezetési áramnak nevezik.
Szilárd anyagokban (fémek, grafit, sok összetett anyag) és egyes folyadékokban (higany és más fémolvadékok) az elektronok mozgékony töltésű részecskék. A rendezett mozgás a vezetőben az anyag atomjaihoz vagy molekuláihoz viszonyított eltolódása. Az ilyen típusú vezetőképességet elektronikusnak nevezik. A félvezetőkben a töltésátvitel az elektronok mozgása miatt is megtörténik, de számos okból célszerű a lyuk fogalmát használni az áram leírására – ez egy pozitív kvázirészecske, ami egy mozgó elektron üresedés.
Elektrolitikus oldatokban az áram áthaladása a negatív és pozitív ionok különböző pólusaira - az anódra és a katódra - mozogva történik, amelyek az oldat részét képezik.
Átviteli áramok
A gáz - normál körülmények között dielektrikum - szintén vezetővé válhat, ha kellően erős ionizációnak van kitéve. A gáz elektromos vezetőképessége vegyes. Az ionizált gáz már plazma, amelyben az elektronok és az ionok, vagyis az összes töltött részecske egyaránt mozog. Rendezett mozgásuk plazmacsatornát képez, és ezt gázkisülésnek nevezik.
A töltések irányított mozgása nem csak a környezetben történhet. Tegyük fel, hogy egy pozitív vagy negatív elektródából kibocsátott elektron- vagy ionnyaláb vákuumban mozog. Ezt a jelenséget elektronemissziónak nevezik, és széles körben alkalmazzák például vákuumkészülékekben. Természetesen ez a mozgás egy aktuális.
Egy másik eset egy elektromosan töltött makroszkopikus test mozgása. Ez is aktuális, hiszen egy ilyen helyzet kielégíti az irányított töltésátvitel feltételét.
Az összes fenti példát töltött részecskék rendezett mozgásának kell tekinteni. Ezt az áramot konvekciós vagy átviteli áramnak nevezik. Tulajdonságai, például mágnesessége, teljesen hasonlóak a vezetési áramok tulajdonságaihoz.
Áramtorzítás
Van egy jelenség, aminek semmi köze a töltésátvitelhez, és ott fordul elő, ahol van egy időben változó elektromos tér, amely "valódi" vezetési vagy transzferáramok tulajdonságával rendelkezik: váltakozó mágneses teret gerjeszt. Ezelőfordul például a kondenzátorok lemezei közötti váltakozó áramú áramkörökben. A jelenséget energiaátadás kíséri, és eltolási áramnak nevezik.
Valójában ez az érték azt mutatja, hogy milyen gyorsan változik az elektromos tér indukciója egy bizonyos felületen, amely merőleges a vektorának irányára. Az elektromos indukció fogalma magában foglalja a térerősséget és a polarizációs vektorokat. Vákuumban csak a feszültséget veszik figyelembe. Ami az anyagban zajló elektromágneses folyamatokat illeti, a molekulák vagy atomok polarizációja, amelyben egy térnek kitéve a kötött (nem szabad!) töltések mozgása megy végbe, némileg hozzájárul a dielektrikumban vagy vezetőben az elmozduló áramhoz.
A név a 19. századból származik, és feltételes, mivel a valódi elektromos áram töltött részecskék rendezett mozgása. Az elmozdulási áramnak semmi köze a töltéssodródáshoz. Ezért szigorúan véve ez nem egy áram.
Az aktuális megnyilvánulásai (műveletei)
A töltött részecskék rendezett mozgását mindig bizonyos fizikai jelenségek kísérik, amelyek alapján meg lehet ítélni, hogy ez a folyamat megtörténik-e vagy sem. Az ilyen jelenségeket (aktuális cselekvéseket) három fő csoportba lehet osztani:
- Mágneses akció. A mozgó elektromos töltés szükségszerűen mágneses teret hoz létre. Ha egy iránytűt egy olyan vezető mellé helyez, amelyen áram folyik, a nyíl merőlegesen fog elfordulni az áram irányára. E jelenség alapján elektromágneses eszközök működnek, amelyek lehetővé teszik például az elektromos energia átalakításátmechanikusba.
- Hőhatás. Az áram azért dolgozik, hogy leküzdje a vezető ellenállását, ami hőenergia felszabadulását eredményezi. Ennek az az oka, hogy a sodródás során a töltött részecskék a kristályrács elemein vagy a vezetőmolekulákon szóródnak, és mozgási energiát adnak nekik. Ha mondjuk egy fém rácsa teljesen szabályos lenne, akkor az elektronok gyakorlatilag nem vennék észre (ez a részecskék hullámtermészetének következménye). Egyrészt azonban maguk a rácshelyek atomjai hőrezgéseknek vannak kitéve, amelyek megsértik annak szabályszerűségét, másrészt a rácshibák - szennyező atomok, diszlokációk, ürességek - szintén befolyásolják az elektronok mozgását.
- Kémiai hatás figyelhető meg az elektrolitokban. Az ellentétes töltésű ionok, amelyekbe az elektrolitoldat elektromos tér hatására disszociál, egymással szemben lévő elektródákra válnak szét, ami az elektrolit kémiai bomlásához vezet.
Kivéve, ha a töltött részecskék rendezett mozgása tudományos kutatás tárgyát képezi, az embert annak makroszkopikus megnyilvánulásai érdeklik. Számunkra nem maga az áram a fontos, hanem a fent felsorolt jelenségek, amelyeket az elektromos energia más formákká való átalakulása miatt idéz elő.
Minden jelenlegi cselekvés kettős szerepet játszik életünkben. Egyes esetekben meg kell védeni az embereket és a berendezéseket tőlük, más esetekben az elektromos töltések irányított átvitele által okozott hatások elérése közvetlen.a legkülönfélébb műszaki eszközök céljaira.
