Uspořádaný pohyb nabitých částic: pojem a vlastnosti

Obrovské množství fyzikálních jevů mikroskopické i makroskopické povahy má elektromagnetickou povahu. Patří mezi ně třecí a elastické síly, všechny chemické procesy, elektřina, magnetismus, optika.

Jedním z takových projevů elektromagnetické interakce je uspořádané pohyb nabitých částic. Představuje zcela nezbytný prvek téměř všech moderních technologií, které se používají v různých oblastech-od organizace našeho života po vesmírné lety.

Obecná představa o fenoménu

Uspořádaný pohyb nabitých částic se nazývá elektrický proud. Takový pohyb nábojů lze provádět v různých prostředích pomocí určitých částic, někdy kvazičástic.

Předpokladem proudu je přesně uspořádaný, směrový pohyb. Nabité částice jsou objekty, které (stejně jako neutrální) mají tepelně chaotický pohyb. K proudu však dochází pouze tehdy, když na pozadí tohoto nepřetržitého neuspořádaného procesu dochází k obecnému pohybu nábojů v určitém směru.

Při pohybu jakéhokoli těla, obecně elektricky neutrálního, se částice ve složení jeho atomů a molekul samozřejmě pohybují směrně, ale protože se různé náboje v neutrálním objektu navzájem kompenzují, nedochází k žádnému přenosu náboje a v tomto případě také nemá smysl mluvit o proudu.

Jak vzniká proud

Zvažte nejjednodušší variantu stejnosměrného buzení. Pokud je na médium, kde jsou nosiče nábojů obecně přítomny, aplikováno elektrické pole, začne v něm uspořádaný pohyb nabitých částic. Tento jev se nazývá drift poplatků.

Stručně to lze popsat takto. V různých bodech pole vzniká potenciální rozdíl( napětí), to znamená, že interakční energie elektrických nábojů umístěných v těchto bodech s polem přiřazeným k velikosti těchto nábojů bude odlišná. Protože je známo, že každý fyzický systém usiluje o minimalizaci potenciální energie reagující na rovnovážný stav, nabité částice zahájí pohyb směřující k vyrovnání potenciálů. Jinými slovy, pole dělá nějakou práci při pohybu těchto částic.

Když se potenciály vyrovnají, síla elektrického pole se změní na nulu-zmizí. Současně se zastaví také řádný pohyb nabitých částic-proud. Aby bylo možné získat stacionární, to znamená časově nezávislé pole, je nutné použít zdroj proudu, ve kterém se díky uvolňování energie v určitých procesech (například chemických) náboje nepřetržitě oddělují a vstupují na póly, což podporuje existenci elektrického pole.

Proud lze získat různými způsoby. Změna magnetického pole tedy ovlivňuje náboje ve vodivém obvodu, který je v něm zaveden, a způsobuje jejich směrový pohyb. Takový proud se nazývá indukční.

Kvantitativní charakteristiky proudu

Hlavním parametrem, kterým je proud kvantitativně popsán, je proudová síla (někdy se říká "velikost" nebo jednoduše"proud"). Je definována jako množství elektřiny (množství náboje nebo počet elementárních nábojů) procházející za jednotku času přes nějaký povrch, obvykle přes průřez vodiče: I = Q/t. Měřený proud v ampérech: 1 a = 1 Kl / s (Coulomb za sekundu). V části elektrického obvodu je proudová síla dopředné závislosti spojena s potenciálním rozdílem a inverzí-s odporem vodiče: iU003d U / R. Pro celý obvod je tato závislost (Ohmův zákon) vyjádřena jako I = Ԑ / R + r, kde Ԑ je elektromotorická síla zdroje a r je jeho vnitřní odpor.

Poměr proudu k průřezu vodiče, kterým dochází k uspořádanému pohybu nabitých částic kolmo k němu, se nazývá proudová hustota: j = i / s = Q / St. Tato hodnota charakterizuje množství elektřiny, které protéká za jednotku času jednotkou plochy. Čím vyšší je intenzita pole E a elektrická vodivost média σ, tím větší je hustota proudu: J = σ∙E. Na rozdíl od proudové síly je tato veličina vektorová a má směr pohybu částic nesoucích kladný náboj.

Směr proudu a směr driftu

V elektrickém poli budou objekty nesoucí náboj působením Coulombových sil provádět uspořádaný pohyb k opačnému pólu zdroje proudu. Částice nabité Kladně se unášejí směrem k zápornému pólu ("minus") a naopak, volné záporné náboje jsou přitahovány k "plus" zdroje. Částice se mohou pohybovat ve dvou opačných směrech najednou, pokud jsou ve vodivém médiu přítomny nosiče náboje obou značek.

Z historických důvodů se obecně předpokládá, že proud je směrován tak, jak se pohybují kladné náboje-od "plus" k "minus". Abychom se vyhnuli nejasnostem, je třeba si uvědomit, že zatímco v nejznámějším případě proudu v kovových vodičích dochází ke skutečnému pohybu částic-elektronů-samozřejmě v opačném směru, uvedené podmíněné pravidlo platí vždy.

Šíření proudu a driftová rychlost

Není neobvyklé mít problémy s pochopením, jak rychle se proud pohybuje. Dva různé pojmy by neměly být zaměňovány: rychlost šíření proudu (elektrický signál) a rychlost driftu částic nosiče náboje. První je rychlost, jakou je přenášena elektromagnetická interakce, nebo - co je stejné-pole se šíří. Je blízko (s ohledem na médium šíření) rychlosti světla ve vakuu a je téměř 300 000 km / s.

Částice provádějí svůj uspořádaný pohyb velmi pomalu (10^-4–10^-3 m / s). Driftová rychlost závisí na napětí, s nímž na ně působí aplikované elektrické pole, ale ve všech případech je o několik řádů nižší než rychlost tepelného neuspořádaného pohybu částic (10⁵–10⁶ m / s). Je důležité pochopit, že působením pole začíná simultánní drift všech volných nábojů, takže proud vzniká okamžitě v celém vodiči.

Druhy proudu

Nejprve se proudy rozlišují podle chování nosičů náboje v čase.

• Konstantní se nazývá proud, který nemění ani velikost (sílu), ani směr pohybu částic. Toto je nejjednodušší možnost pohybu nabitých částic a od něj se vždy začíná učit elektrický proud.
• AC tyto parametry jsou mění se v čase. Jeho tvorba je založena na jevu elektromagnetické indukce vznikající v uzavřené smyčce v důsledku změny (rotace) magnetického pole. Elektrické pole v tomto případě periodicky mění vektor intenzity na opačný. V souladu s tím se mění znaky potenciálů a jejich velikost prochází od "plus" do "minus" všechny mezilehlé hodnoty, včetně nulové hodnoty. V důsledku tohoto jevu uspořádaný pohyb nabitých částic neustále mění směr. Harmonicky) od maxima po minimum. Střídavý proud má tak důležitou charakteristiku rychlosti těchto kmitů, jako je frekvence - počet úplných cyklů změny za sekundu.

Kromě této nejdůležitější klasifikace, rozdíly Mezi proudy lze také provést podle takového kritéria, jako je povaha pohybu nosičů náboje ve vztahu k médiu, ve kterém se proud šíří.

Vodivé proudy

Nejznámějším příkladem proudu je uspořádaný, směrový pohyb nabitých částic působením elektrického pole uvnitř těla (média). Nazývá se vodivý proud.

V pevných látkách (kovy, grafit, mnoho komplexních materiálů) a některých kapalinách (rtuť a jiné taveniny kovů) jsou elektrony pohyblivými nabitými částicemi. Uspořádaný pohyb ve vodiči je jejich drift vzhledem k atomům nebo molekulám hmoty. Vodivost tohoto druhu se nazývá elektronická. V polovodičích dochází také k přenosu náboje v důsledku pohybu elektronů, ale z mnoha důvodů je vhodné použít k popisu proudu koncept díry-pozitivní kvazičástice, což je pohybující se elektronické volné místo.

V elektrolytických roztocích se průchod proudu provádí v důsledku negativních a pozitivních iontů pohybujících se k různým pólům – anodě a katodě.

Přenosové proudy

Plyn-za normálních podmínek dielektrikum-se může také stát vodičem, pokud je vystaven dostatečně silné ionizaci. Plynová elektrická vodivost je smíšená. Ionizovaný plyn je již plazmou, ve které se pohybují elektrony i ionty, tj. Jejich řádný pohyb tvoří plazmový kanál a nazývá se výboj plynu.

Směrový pohyb nábojů může nastat nejen uvnitř prostředí. Řekněme, že ve vakuu se pohybuje paprsek elektronů nebo iontů emitovaných z kladné nebo záporné elektrody. Tento jev se nazývá emise elektronů a je široce používán například ve vakuových zařízeních. Takový pohyb je samozřejmě proud.

Dalším případem je pohyb elektricky nabitého makroskopického tělesa. To je také proud, protože taková situace splňuje podmínku směrového přenosu náboje.

Všechny uvedené příklady je třeba považovat za uspořádaný pohyb nabitých částic. Tento proud se nazývá konvekční nebo přenosový proud. Jeho vlastnosti, například magnetické, jsou zcela podobné vlastnostem vodivých proudů.

Předpětí proudu

Existuje jev, který nesouvisí s přenosem nábojů a vzniká tam, kde je elektrické pole měnící se v čase, které má vlastnost vlastní "skutečným" vodivým nebo přenosovým proudům: excituje střídavé magnetické pole. K tomu dochází například v obvodech střídavého proudu mezi deskami kondenzátorů. Tento jev je doprovázen přenosem energie a nazývá se zkreslený proud.

Tato hodnota ve skutečnosti ukazuje, jak rychle se indukce elektrického pole mění na nějakém povrchu kolmém ke směru jeho vektoru. Pojem elektrické indukce zahrnuje vektory intenzity pole a polarizace. Ve vakuu se bere v úvahu pouze napětí. Pokud jde o elektromagnetické procesy v hmotě, polarizace molekul nebo atomů, ve kterých při vystavení poli dochází k pohybu vázaných (ne volných!) nábojů, přispívá nějakým způsobem k předpětí proudu v dielektriku nebo vodiči.

Název vznikl v 19. století a má konvenční charakter, protože skutečný elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic. Zkreslený proud s driftem nábojů není nijak spojen. Proto není přísně vzato proudem.

Projevy (akce) proudu

Řádný pohyb nabitých částic je vždy doprovázen určitými fyzickými jevy, podle nichž lze ve skutečnosti posoudit, zda tento proces probíhá nebo ne. Tyto jevy (aktuální akce) lze rozdělit do tří hlavních skupin:

• Magnetické působení. Pohybující se elektrický náboj nutně vytváří magnetické pole. Pokud umístíte kompas vedle vodiče, kterým protéká proud, šipka se otočí kolmo ke směru tohoto proudu. Na základě tohoto jevu působí elektromagnetická zařízení, která například umožňují přeměnu elektrické energie na mechanickou energii.
• Tepelná akce. Proud pracuje na překonání odporu vodiče, jehož výsledkem je izolace tepelná energie. K tomu dochází, protože při driftu nabité částice zažívají rozptyl na krystalových mřížkových prvcích nebo molekulách vodiče a dávají jim kinetickou energii. Pokud by mřížka, řekněme, kovu, byla dokonale správná, elektrony by si toho sotva všimly (je to důsledek vlnové povahy částic). Zaprvé však atomy v mřížkových uzlech samy podléhají tepelným vibracím, které narušují jeho správnost, a zadruhé, mřížkové defekty-atomy nečistot, dislokace, volná místa-také ovlivňují pohyb elektronů.
• Chemické působení pozorováno v elektrolytech. Heterogenně nabité ionty, na které je elektrolytický roztok disociován, se při aplikaci elektrického pole zředí na protilehlé elektrody, což vede k chemickému rozkladu elektrolytu.

S výjimkou případů, kdy je uspořádaný pohyb nabitých částic předmětem vědeckého výzkumu, zajímá člověka o jeho makroskopické projevy. Důležitý pro nás není proud sám o sobě, ale výše uvedené jevy, které způsobuje, díky přeměnám elektrické energie na jiné druhy.

Všechny akce proudu hrají v našich životech dvojí roli. V některých případech je nutné chránit lidi a techniku před nimi, v jiných - získání konkrétního účinku způsobeného směrovým přenosem elektrických nábojů je přímým účelem nejrozmanitější technických zařízení.