Een enorme verscheidenheid aan fysieke verschijnselen, zowel microscopisch als macroscopisch, zijn elektromagnetisch van aard. Deze omvatten wrijvingskrachten en elasticiteit, alle chemische processen, elektriciteit, magnetisme, optica.
Een van dergelijke manifestaties van elektromagnetische interactie is de geordende beweging van geladen deeltjes. Het is een absoluut noodzakelijk onderdeel van bijna alle moderne technologieën die op verschillende gebieden worden gebruikt - van de organisatie van ons leven tot ruimtevluchten.
Algemeen concept van het fenomeen
De geordende beweging van geladen deeltjes wordt elektrische stroom genoemd. Een dergelijke ladingsbeweging kan in verschillende media worden uitgevoerd door middel van bepaalde deeltjes, soms quasi-deeltjes.
Een voorwaarde voor de huidige isnauwkeurig geordende, gerichte beweging. Geladen deeltjes zijn objecten die (evenals neutrale) thermische chaotische beweging hebben. De stroom treedt echter alleen op wanneer, tegen de achtergrond van dit continue chaotische proces, er een algemene beweging van ladingen in een bepaalde richting is.
Als een lichaam beweegt, als geheel elektrisch neutraal, bewegen de deeltjes in zijn atomen en moleculen natuurlijk in een richting, maar aangezien tegengestelde ladingen in een neutraal object elkaar compenseren, is er geen ladingsoverdracht, en we kunnen praten over de stroom heeft ook geen zin in dit geval.
Hoe de stroom wordt opgewekt
Overweeg de eenvoudigste versie van gelijkstroomopwekking. Als een elektrisch veld wordt aangelegd op een medium waar in het algemeen ladingsdragers aanwezig zijn, zal daarin een geordende beweging van geladen deeltjes beginnen. Het fenomeen wordt ladingsdrift genoemd.
Het kan als volgt kort worden beschreven. Op verschillende punten van het veld ontstaat een potentiaalverschil (spanning), dat wil zeggen dat de energie van interactie van elektrische ladingen die zich op deze punten met het veld bevinden, gerelateerd aan de grootte van deze ladingen, anders zal zijn. Aangezien elk fysiek systeem, zoals bekend, neigt naar een minimum aan potentiële energie die overeenkomt met de evenwichtstoestand, zullen geladen deeltjes beginnen te bewegen in de richting van vereffening van potentialen. Met andere woorden, het veld doet wat werk om deze deeltjes te verplaatsen.
Wanneer de potentialen gelijk worden gemaakt, verdwijnt de spanningelektrisch veld - het verdwijnt. Tegelijkertijd stopt ook de geordende beweging van geladen deeltjes, de stroom. Om een stationair, dat wil zeggen tijdonafhankelijk veld te verkrijgen, is het noodzakelijk om een stroombron te gebruiken waarin, door het vrijkomen van energie bij bepaalde processen (bijvoorbeeld chemische), ladingen continu worden gescheiden en naar de polen, waardoor het bestaan van een elektrisch veld behouden blijft.
Stroom kan op verschillende manieren worden verkregen. Een verandering in het magnetische veld beïnvloedt dus de ladingen in het geleidende circuit dat erin wordt geïntroduceerd en veroorzaakt hun gerichte beweging. Zo'n stroom wordt inductief genoemd.
Kwantitatieve kenmerken van stroom
De belangrijkste parameter waarmee de stroom kwantitatief wordt beschreven, is de sterkte van de stroom (soms zeggen ze "waarde" of gewoon "stroom"). Het wordt gedefinieerd als de hoeveelheid elektriciteit (de hoeveelheid lading of het aantal elementaire ladingen) die per tijdseenheid door een bepaald oppervlak gaat, meestal door de doorsnede van een geleider: I=Q / t. De stroom wordt gemeten in ampère: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb per seconde). In het gedeelte van het elektrische circuit is de stroomsterkte direct gerelateerd aan het potentiaalverschil en omgekeerd - aan de weerstand van de geleider: I \u003d U / R. Voor een compleet circuit wordt deze afhankelijkheid (de wet van Ohm) uitgedrukt als I=Ԑ/R+r, waarbij Ԑ de elektromotorische kracht van de bron is en r de interne weerstand ervan.
De verhouding van de stroomsterkte tot de doorsnede van de geleider waardoor de geordende beweging van geladen deeltjes loodrecht daarop plaatsvindt, wordt de stroomdichtheid genoemd: j=I/S=Vraag/St. Deze waarde kenmerkt de hoeveelheid elektriciteit die per tijdseenheid door een oppervlakte-eenheid stroomt. Hoe hoger de veldsterkte E en de elektrische geleidbaarheid van het medium σ, hoe groter de stroomdichtheid: j=σ∙E. In tegenstelling tot de huidige sterkte is deze grootheid vector en heeft een richting langs de beweging van deeltjes die een positieve lading dragen.
Huidige richting en driftrichting
In een elektrisch veld zullen objecten die een lading dragen, onder invloed van Coulomb-krachten, een geordende beweging maken naar de pool van de stroombron, tegenovergesteld in teken van lading. Positief geladen deeltjes drijven naar de negatieve pool ("min") en omgekeerd worden vrije negatieve ladingen aangetrokken door de "plus" van de bron. Deeltjes kunnen ook in twee tegengestelde richtingen tegelijk bewegen als er ladingsdragers van beide tekens in het geleidende medium zijn.
Om historische redenen wordt algemeen aangenomen dat de stroom wordt geleid zoals positieve ladingen bewegen - van "plus" naar "min". Om verwarring te voorkomen, moet eraan worden herinnerd dat, hoewel in het meest bekende geval van stroom in metalen geleiders, de echte beweging van deeltjes - elektronen - natuurlijk in de tegenovergestelde richting plaatsvindt, deze voorwaardelijke regel altijd van toepassing is.
Huidige voortplanting en driftsnelheid
Vaak zijn er problemen met het begrijpen hoe snel de stroom beweegt. Twee verschillende concepten moeten niet worden verward: de voortplantingssnelheid van stroom (elektrische)signaal) en de driftsnelheid van deeltjes - ladingsdragers. De eerste is de snelheid waarmee de elektromagnetische interactie wordt uitgezonden of - wat hetzelfde is - het veld zich voortplant. Het komt (rekening houdend met het voortplantingsmedium) dicht bij de lichtsnelheid in vacuüm en is bijna 300.000 km/s.
Deeltjes maken hun geordende beweging heel langzaam (10-4–10-3 m/s). De driftsnelheid hangt af van de intensiteit waarmee het aangelegde elektrische veld erop inwerkt, maar is in alle gevallen enkele ordes van grootte lager dan de snelheid van thermische willekeurige beweging van deeltjes (105 –106m/s). Het is belangrijk om te begrijpen dat onder de actie van het veld de gelijktijdige drift van alle gratis ladingen begint, dus de stroom verschijnt onmiddellijk in de hele geleider.
Soorten stroom
Allereerst worden stromen onderscheiden door het gedrag van ladingsdragers in de tijd.
- Een constante stroom is een stroom die de grootte (sterkte) of de richting van de deeltjesbeweging niet verandert. Dit is de gemakkelijkste manier om geladen deeltjes te verplaatsen, en het is altijd het begin van de studie van elektrische stroom.
- Bij wisselstroom veranderen deze parameters met de tijd. De generatie ervan is gebaseerd op het fenomeen van elektromagnetische inductie dat optreedt in een gesloten circuit als gevolg van een verandering (rotatie) van het magnetische veld. Het elektrische veld keert in dit geval periodiek de intensiteitsvector om. Dienovereenkomstig veranderen de tekens van de potentialen en hun waarde gaat van "plus" naar "min" alle tussenliggende waarden, inclusief nul. Als gevolgfenomeen verandert de geordende beweging van geladen deeltjes voortdurend van richting. De grootte van een dergelijke stroom fluctueert (meestal sinusvormig, dat wil zeggen harmonisch) van een maximum naar een minimum. Wisselstroom heeft zo'n belangrijk kenmerk van de snelheid van deze oscillaties als frequentie - het aantal volledige cycli van verandering per seconde.
Naast deze belangrijkste classificatie kunnen verschillen tussen stromen ook gemaakt worden volgens een criterium als de aard van de beweging van ladingsdragers in relatie tot het medium waarin de stroom zich voortplant.
Geleidingsstromen
Het bekendste voorbeeld van een stroom is de geordende, gerichte beweging van geladen deeltjes onder invloed van een elektrisch veld in een lichaam (medium). Het wordt geleidingsstroom genoemd.
In vaste stoffen (metalen, grafiet, veel complexe materialen) en sommige vloeistoffen (kwik en andere metaalsmelten) zijn elektronen mobiele geladen deeltjes. Een geordende beweging in een geleider is hun drift ten opzichte van de atomen of moleculen van een stof. Dergelijke geleidbaarheid wordt elektronisch genoemd. In halfgeleiders vindt ladingsoverdracht ook plaats als gevolg van de beweging van elektronen, maar om een aantal redenen is het handig om het concept van een gat te gebruiken om de stroom te beschrijven - een positief quasideeltje, dat een bewegende elektronenleegte is.
In elektrolytische oplossingen wordt de stroomdoorgang uitgevoerd doordat de negatieve en positieve ionen naar verschillende polen gaan - de anode en kathode, die deel uitmaken van de oplossing.
Stromen overdragen
Gas - onder normale omstandigheden een diëlektricum - kan ook een geleider worden als het wordt blootgesteld aan een voldoende sterke ionisatie. De elektrische geleidbaarheid van gas is gemengd. Een geïoniseerd gas is al een plasma waarin zowel elektronen als ionen, dat wil zeggen alle geladen deeltjes, bewegen. Hun geordende beweging vormt een plasmakanaal en wordt een gasontlading genoemd.
Gerichte verplaatsing van ladingen kan niet alleen in de omgeving plaatsvinden. Stel dat een bundel elektronen of ionen zich in vacuüm beweegt, uitgezonden door een positieve of negatieve elektrode. Dit fenomeen wordt elektronenemissie genoemd en wordt veel gebruikt, bijvoorbeeld in vacuümapparaten. Natuurlijk is deze beweging een stroming.
Een ander geval is de beweging van een elektrisch geladen macroscopisch lichaam. Dit is ook een stroom, aangezien een dergelijke situatie voldoet aan de voorwaarde van gerichte ladingsoverdracht.
Alle bovenstaande voorbeelden moeten worden beschouwd als een geordende beweging van geladen deeltjes. Deze stroom wordt convectie- of overdrachtsstroom genoemd. De eigenschappen ervan, bijvoorbeeld magnetisch, zijn volledig vergelijkbaar met die van geleidingsstromen.
Bias stroom
Er is een fenomeen dat niets te maken heeft met ladingsoverdracht en dat optreedt wanneer er een in de tijd variërend elektrisch veld is dat de eigenschap heeft van "echte" geleiding of overdrachtsstromen: het wekt een wisselend magnetisch veld op. Dit iskomt bijvoorbeeld voor in wisselstroomcircuits tussen de platen van condensatoren. Het fenomeen gaat gepaard met de overdracht van energie en wordt verplaatsingsstroom genoemd.
In feite laat deze waarde zien hoe snel de elektrische veldinductie verandert op een bepaald oppervlak loodrecht op de richting van zijn vector. Het concept van elektrische inductie omvat de veldsterkte- en polarisatievectoren. In een vacuüm wordt alleen rekening gehouden met spanning. Wat betreft elektromagnetische processen in materie, de polarisatie van moleculen of atomen, waarin, wanneer ze worden blootgesteld aan een veld, de beweging van gebonden (niet gratis!) Ladingen plaatsvindt, levert enige bijdrage aan de verplaatsingsstroom in een diëlektricum of geleider.
De naam is ontstaan in de 19e eeuw en is voorwaardelijk, aangezien een echte elektrische stroom een geordende beweging van geladen deeltjes is. Verdringingsstroom heeft niets te maken met ladingsdrift. Daarom is het strikt genomen geen stroom.
Manifestaties (acties) van de huidige
Geordende beweging van geladen deeltjes gaat altijd gepaard met bepaalde fysieke verschijnselen, die in feite kunnen worden gebruikt om te beoordelen of dit proces plaatsvindt of niet. Het is mogelijk om dergelijke verschijnselen (huidige acties) in drie hoofdgroepen in te delen:
- Magnetische actie. Een bewegende elektrische lading creëert noodzakelijkerwijs een magnetisch veld. Als je een kompas naast een geleider plaatst waar stroom doorheen loopt, draait de pijl loodrecht op de richting van deze stroom. Op basis van dit fenomeen werken elektromagnetische apparaten, waardoor bijvoorbeeld elektrische energie kan worden omgezetin mechanisch.
- Thermisch effect. De stroom werkt om de weerstand van de geleider te overwinnen, wat resulteert in het vrijkomen van thermische energie. Dit komt omdat geladen deeltjes tijdens de drift verstrooiing ervaren op de elementen van het kristalrooster of geleidermoleculen en ze kinetische energie geven. Als het rooster van bijvoorbeeld een metaal volkomen regelmatig zou zijn, zouden de elektronen het praktisch niet opmerken (dit is een gevolg van het golfkarakter van de deeltjes). Ten eerste zijn de atomen in de roosterplaatsen zelf echter onderhevig aan thermische trillingen die de regelmaat ervan schenden, en ten tweede beïnvloeden roosterdefecten - onzuiverheidsatomen, dislocaties, vacatures - ook de beweging van elektronen.
- Chemische werking wordt waargenomen in elektrolyten. Tegengesteld geladen ionen, waarin de elektrolytische oplossing wordt gedissocieerd, wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, worden gescheiden naar tegenoverliggende elektroden, wat leidt tot chemische ontleding van de elektrolyt.
Behalve wanneer de geordende beweging van geladen deeltjes het onderwerp is van wetenschappelijk onderzoek, interesseert het een persoon in zijn macroscopische manifestaties. Het is niet de stroom zelf die belangrijk voor ons is, maar de hierboven genoemde verschijnselen, die ze veroorzaakt door de omzetting van elektrische energie in andere vormen.
Alle huidige acties spelen een dubbele rol in ons leven. In sommige gevallen is het noodzakelijk om mensen en apparatuur tegen hen te beschermen, in andere gevallen is het verkrijgen van een of ander effect veroorzaakt door de gerichte overdracht van elektrische ladingen direct.doel van een breed scala aan technische apparaten.
