Urejeno gibanje nabitih delcev: koncept in značilnosti

Veliko fizikalnih pojavov, tako mikroskopskih kot makroskopskih, je elektromagnetne narave. To so sile trenja in elastične sile, vsi kemijski procesi, elektrika, magnetizem, optika.

Ena od takšnih manifestacij elektromagnetne interakcije je urejena gibanje nabitih delcev. Je nujno potreben element skoraj vseh sodobnih tehnologij, saj se uporablja od organizacije našega vsakdanjega življenja do poletov v vesolje.

Splošni koncept pojava

Urejeno gibanje nabitih delcev imenujemo električni tok. To gibanje nabojev lahko poteka v različnih medijih s pomočjo delcev, včasih kvazi delcev.

Natančno urejeno, usmerjeno gibanje je nujen pogoj za tok. Nabiti delci so predmeti, ki imajo (tako kot nevtralni delci) termično kaotično gibanje. Vendar se tok pojavi šele takrat, ko v ozadju tega neprekinjenega neurejenega procesa pride do splošnega gibanja nabojev v določeni smeri.

V primeru gibanja katerega koli telesa, ki je na splošno električno nevtralno, se delci v njegovih atomih in molekulah seveda gibljejo usmerjeno, ker pa se nasprotni naboji v nevtralnem objektu medsebojno kompenzirajo, ne pride do prenosa naboja in tudi govoriti o toku v tem primeru nima smisla.

Kako nastane tok

Obravnavajmo najpreprostejšo različico vzbujanja z enosmernim tokom. Če na medij, v katerem so nosilci naboja, deluje električno polje, se v njem začne urejeno gibanje nabitih delcev. Pojav se imenuje odnašanje naboja.

Na kratko ga lahko opišemo na naslednji način. V različnih točkah polja nastane potencialna razlika (napetost), kar pomeni, da je interakcijska energija električnih nabojev, ki se nahajajo v teh točkah, s poljem, povezana z vrednostjo teh nabojev, različna. Ker vsak fizikalni sistem, kot vemo, teži k minimumu potencialne energije, ki ustreza ravnovesnemu stanju, se bodo nabiti delci začeli gibati proti izravnavi potencialov. Z drugimi besedami, polje opravi nekaj dela, da premakne te delce.

Ko se potenciali izenačijo, je električna poljska jakost enaka nič - izgine. Hkrati je urejeno gibanje nabitih delcev - tok. Da bi dobili stacionarno, tj. časovno neodvisno polje, je treba uporabiti vir toka, v katerem se zaradi sproščanja energije pri določenih procesih (npr. kemičnih procesih) naboji nenehno ločujejo in prihajajo na pola, kar ohranja obstoj električnega polja.

Tok se lahko proizvaja na različne načine. Tako sprememba magnetnega polja vpliva na naboje v prevodnem krogu, ki so vanj uvedeni, in povzroči, da se premikajo v določeni smeri. Ta tok se imenuje indukcijski tok.

Kvantitativne značilnosti toka

Glavni parameter, s katerim kvantitativno opišemo tok, je moč toka (včasih imenovana "magnituda" ali preprosto "tok"). Opredeljena je kot količina električne energije (velikost naboja ali število elementarnih nabojev), ki v enoti časa preide skozi določeno površino, običajno skozi prerez vodnikaI = Q/t. Tok se meri v amperih: 1 A = 1 kl/s (coulomb na sekundo). V tokokrogu je jakost toka neposredno povezana s potencialno razliko in obratno z upornostjo vodnika: I = U/R. Za celoten tokokrog je ta zveza (Ohmov zakon) izražena kot I = Ԑ/R+r, kjer je Ԑ elektromotorična sila vira, r pa njegova notranja upornost.

Razmerje med tokom in presekom vodnika, po katerem se nabiti delci gibljejo v pravokotni smeri, se imenuje gostota toka: j = I/S = Q/St. To je količina električne energije na enoto časa in na enoto površine. Čim večja sta poljska jakost E in električna prevodnost medija σ, tem večja je gostota toka: j = σ∙E. Za razliko od toka je to vektorska vrednost in poteka v smeri gibanja delcev s pozitivnim nabojem.

Smer toka in smer odnašanja

V električnem polju se predmeti z nabojem pod vplivom Coulombovih sil organizirano gibljejo proti polju vira električnega toka z nasprotnim predznakom naboja. Pozitivno nabiti delci drsi v smeri negativnega pola ("minus") in obratno, prosti negativni naboji so pritegnjeni k "plus" vir. Delci lahko potujejo tudi v dveh nasprotnih smereh hkrati, če so v prevodnem mediju nosilci naboja obeh znamenj.

Iz zgodovinskih razlogov velja, da tok potuje v isti smeri kot pozitivni naboji - od "plus" к "minus". Da bi se izognili zmedi, si je treba zapomniti, da čeprav v nam najbolj znanem primeru toka v kovinskih prevodnikih dejansko gibanje delcev - elektronov - poteka seveda v nasprotni smeri, vedno velja navedeno konvencionalno pravilo.

Širjenje toka in hitrost odnašanja

Prav tako ni nenavadno, da imate težave z razumevanjem hitrosti gibanja toka. Ne smemo zamenjati dveh različnih pojmov: hitrosti toka (električnega signala) in hitrosti gibanja delcev - nosilcev naboja. Prva je hitrost, s katero se elektromagnetna interakcija prenaša ali podobno, s katero se polje širi. Ta hitrost je blizu (vključno s sredstvom za širjenje) hitrosti svetlobe v vakuumu in znaša skoraj 300.000 km/s.

Po drugi strani pa delci svoje urejeno gibanje izvajajo zelo počasi (10^-4-10^-3 m/s). Hitrost odnašanja je odvisna od moči, s katero nanje deluje električno polje, vendar je v vseh primerih za več velikostnih razredov manjša od termičnega naključnega gibanja delcev (10⁵-10⁶ m/s). Pomembno je, da se zavedamo, da polje sproži hkratno premikanje vseh prostih nabojev, tako da se v celotnem vodniku naenkrat pojavi tok.

Vrste toka

Tokovi temeljijo predvsem na časovnem obnašanju nosilcev naboja.

• Tok se imenuje konstantni tok, ki ne spreminja niti velikosti (sile) niti smeri gibanja delcev. To je najpreprostejši način premikanja nabitih delcev in je vedno izhodišče za preučevanje električnega toka.
• Z izmeničnim tokom ti parametri se s časom spreminjajo. Temelji na pojavu elektromagnetne indukcije, ki se pojavi v zaprtem krogu zaradi spremembe (vrtenja) magnetnega polja. Električno polje v tem primeru periodično obrača vektor moči. V skladu s tem se predznaki potencialov spremenijo, velikost potencialov pa preide iz "plus " na "minus" vse vmesne vrednosti, vključno z ničlo. Zaradi tega pojava urejeno gibanje nabitih delcev nenehno spreminja smer. Velikost takega toka se spreminja (običajno sinusoidno, tj. harmonično) od največje do najmanjše vrednosti. Izmenični tok ima tako pomembno značilnost hitrosti izmenjave, kot je frekvenca - število popolnih ciklov izmenjave na sekundo.

Poleg tega najpomembnejšega Tokove je mogoče razlikovati tudi na podlagi merila narave gibanja nosilcev naboja glede na medij, v katerem se tok širi.

Prevodni tokovi

Najbolj znan primer toka je urejen, Smerno gibanje nabitih delcev delci pod vplivom električnega polja v telesu (mediju). To se imenuje prevodni tok.

V trdnih snoveh (kovine, grafit, številni kompleksni materiali) in nekaterih tekočinah (živo srebro in druge kovinske taline) so elektroni gibljivi nabiti delci. Urejeno gibanje v vodniku je njihovo premikanje glede na atome ali molekule snovi. Takšna prevodnost se imenuje elektronska. V polprevodnikih se prenos naboja prav tako dogaja zaradi gibanja elektronov, vendar je iz več razlogov za opis toka priročno uporabiti pojem luknje - pozitivnega kvazi delca, ki je premikajoča se elektronska praznina.

V elektrolitskih raztopinah tok teče zaradi negativnih in pozitivnih ionov, ki se gibljejo na različnih polih - anodi in katodi -, ki sta del raztopine.

Prenosni tokovi

Plin - običajno dielektrik - lahko postane tudi prevodnik, če je dovolj močno ioniziran. Prevodnost plina je mešane narave. Ioniziran plin je že plazma, v kateri potujejo elektroni in ioni, tj. vsi nabiti delci. Njihovo urejeno gibanje tvori plazemski kanal in se imenuje plinska razelektritev.

Usmerjeni prenos naboja lahko poteka ne le v mediju, temveč tudi v elektrolitu. Recimo, da se snop elektronov ali ionov, ki jih oddaja pozitivna ali negativna elektroda, giblje v vakuumu. Ta pojav se imenuje emisija elektronov in se pogosto uporablja na primer v vakuumskih napravah. To gibanje je seveda trenutno.

Drug primer je gibanje električno nabitega makroskopskega telesa. To je tudi tok, saj je v tem primeru izpolnjen pogoj usmerjenega prenosa naboja.

Vse navedene primere je treba obravnavati kot urejeno gibanje nabitih delcev. Ta tok se imenuje konvekcijski ali prenosni tok. Njegove lastnosti, na primer magnetne, so popolnoma enake lastnostim prevodnih tokov.

Trenutni odmik

Obstaja pojav, ki ni povezan s prenosom naboja in se pojavi vedno, ko obstaja časovno spremenljivo električno polje, ki ima lastnost "pravega" prevodnega ali prenosnega toka: vzbudi izmenično magnetno polje. To se zgodi na primer v tokokrogih izmeničnega toka med navitji kondenzatorjev. Pojav spremlja prenos energije in se imenuje premikalni tok.

V bistvu ta količina kaže, kako hitro se spreminja indukcija električnega polja na neki površini pravokotno na smer njegovega vektorja. Koncept električne indukcije vključuje vektorje poljske jakosti in polarizacije. V vakuumu se upošteva le moč. Kar zadeva elektromagnetne procese v snovi, je polarizacija molekul ali atomov, pri kateri pod vplivom polja pride do gibanja vezanih (ne prostih)!) prispevajo k toku prednapetosti v dielektriku ali vodniku.

Ime se je pojavilo v 19. stoletju in je konvencionalno, saj je pravi električni tok urejeno gibanje nabitih delcev. Odstopni tok nikakor ni povezan z odmikom naboja. Zato strogo gledano ni tok.

Manifestacije (dejanja) trenutnega

Urejen premik nabitih delcev vedno spremljajo neki fizikalni pojavi, ki se dejansko uporabljajo za presojo, ali proces poteka ali ne. Takšne pojave (trenutne ukrepe) lahko razdelimo v tri glavne skupine:

• Magnetni učinek. Gibajoči se električni naboj nujno ustvarja magnetno polje. Če kompas postavimo v bližino vodnika, po katerem teče tok, se bo puščica obrnila pravokotno na smer toka. Elektromagnetne naprave delujejo na podlagi tega pojava in omogočajo na primer pretvorbo električne energije v mehansko.
• Toplotni učinek. Tok deluje tako, da premaguje upornost vodnika, kar povzroči oddajanje toplotna energija. To je zato, ker se nabiti delci med premikanjem razpršijo na elementih rešetke ali molekulah prevodnika in jim oddajo kinetično energijo. Če bi bila rešetka na primer kovine popolnoma pravilna, bi jo elektroni komaj opazili (to je posledica valovne narave delcev). Vendar so atomi v vozliščih mreže podvrženi toplotnim vibracijam, ki motijo njeno pravilnost, in drugič, na gibanje elektronov vplivajo tudi napake v mreži - atomi nečistoč, dislokacije, vakance.
• Kemično delovanje opaženo v elektrolitih. Dihotomno nabiti ioni, na katere se razkroji elektrolitska raztopina, se ob uporabi električnega polja razredčijo na nasprotnih elektrodah, kar povzroči kemično disociacijo elektrolita.

Razen kadar je urejeno gibanje nabitih delcev predmet znanstvenih raziskav, je za ljudi zanimivo v svojih makroskopskih pojavnih oblikah. Za nas ni pomemben sam tok, temveč zgoraj našteti pojavi, ki jih povzroča s pretvorbo električne energije v druge oblike.

Vsa trenutna dejanja imajo v našem življenju dvojno vlogo. V nekaterih primerih je treba pred njimi zaščititi ljudi in stroje, v drugih primerih pa je neposreden namen doseči nek učinek, ki ga povzroči usmerjeni prenos električnih nabojev vseh vrst tehnične naprave.