Veliki broj fizičkih fenomena, i mikroskopskih i makroskopskih, elektromagnetne je prirode. To uključuje sile trenja i elastičnosti, sve hemijske procese, elektricitet, magnetizam, optiku.
Jedna od takvih manifestacija elektromagnetne interakcije je uređeno kretanje naelektrisanih čestica. To je apsolutno neophodan element gotovo svih savremenih tehnologija koje se koriste u raznim oblastima - od organizacije našeg života do svemirskih letova.
Opšti koncept fenomena
Uređeno kretanje naelektrisanih čestica naziva se električna struja. Takvo kretanje naboja može se izvesti u različitim medijima pomoću određenih čestica, ponekad kvazi-čestica.
Preduslov za trenutni jeprecizno uredno, usmereno kretanje. Nabijene čestice su objekti koji (kao i neutralni) imaju termički haotično kretanje. Međutim, struja se javlja samo kada, na pozadini ovog kontinuiranog haotičnog procesa, postoji opšte kretanje naelektrisanja u nekom pravcu.
Kada se tijelo kreće, električno neutralno u cjelini, čestice u njegovim atomima i molekulama, naravno, kreću se u jednom smjeru, ali pošto suprotni naboji u neutralnom objektu kompenzuju jedno drugo, nema prijenosa naboja, a o struji možemo pričati ni u ovom slučaju nema smisla.
Kako se generira struja
Razmotrimo najjednostavniju verziju pobude jednosmjernom strujom. Ako se na medij u kojem su u opštem slučaju prisutni nosioci naboja primeni električno polje, u njemu će započeti uređeno kretanje naelektrisanih čestica. Fenomen se naziva drift naboja.
Može se ukratko opisati na sljedeći način. U različitim tačkama polja nastaje razlika potencijala (napon), odnosno energija interakcije električnih naboja koji se nalaze u tim tačkama s poljem, u odnosu na veličinu ovih naboja, bit će različita. Pošto svaki fizički sistem, kao što je poznato, teži minimumu potencijalne energije koja odgovara ravnotežnom stanju, naelektrisane čestice će početi da se kreću ka izjednačavanju potencijala. Drugim riječima, polje radi neki posao da pomjeri ove čestice.
Kada se potencijali izjednače, napetost nestajeelektrično polje - nestaje. Istovremeno, prestaje i uređeno kretanje nabijenih čestica, struja. Da bi se dobilo stacionarno, odnosno vremenski nezavisno polje, potrebno je koristiti izvor struje u kojem se usled oslobađanja energije u određenim procesima (npr. hemijskim) naelektrisanja neprekidno odvajaju i dovode u polove, održavajući postojanje električnog polja.
Current se može dobiti na različite načine. Dakle, promjena magnetskog polja utječe na naboje u provodnom krugu koji se unose u njega i uzrokuje njihovo usmjereno kretanje. Takva struja se 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 naelektrisanja) koja u jedinici vremena prolazi kroz određenu površinu, obično kroz poprečni presjek provodnika: I=Q / t. Struja se mjeri u amperima: 1 A \u003d 1 C / s (kulona u sekundi). U dijelu električnog kruga, jačina struje je direktno povezana s razlikom potencijala i obrnuto - s otporom vodiča: I \u003d U / R. Za kompletno kolo, ova zavisnost (Ohmov zakon) se izražava kao I=Ԑ/R+r, gdje je Ԑ elektromotorna sila izvora, a r njegov unutrašnji otpor.
Odnos jačine struje i poprečnog preseka provodnika kroz koji se odvija uređeno kretanje naelektrisanih čestica okomito na njega naziva se gustina struje: j=I/S=Q/St. Ova vrijednost karakterizira količinu električne energije koja teče u jedinici vremena kroz jedinicu površine. Što je veća jačina polja E i električna provodljivost medija σ, to je veća gustina 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 naelektrisanje, pod uticajem Kulonovih sila, izvršiće uređeno kretanje do pola izvora struje, suprotnog znaka naelektrisanja. Pozitivno nabijene čestice pomiču 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 provodnom mediju postoje nosioci naboja oba znaka.
Iz istorijskih razloga, opšte je prihvaćeno da je struja usmerena na način na koji se pozitivni naboji kreću - od "plus" do "minus". Da ne bi bilo zabune, treba imati na umu da iako se u najpoznatijem slučaju struje u metalnim provodnicima, stvarno kretanje čestica - elektrona - događa, naravno, u suprotnom smjeru, ovo uvjetno pravilo uvijek vrijedi.
Trenutna propagacija i brzina drifta
Često postoje problemi sa razumijevanjem koliko brzo se struja kreće. Ne treba miješati dva različita koncepta: brzina širenja struje (elektrsignal) i brzina drifta čestica - nosilaca naboja. Prva je brzina kojom se prenosi elektromagnetna interakcija ili - što je isto - polje širi. Ona je blizu (uzimajući u obzir medijum širenja) brzini svetlosti u vakuumu i iznosi skoro 300.000 km/s.
Čestice čine svoje uredno kretanje vrlo sporo (10-4–10-3 m/s). Brzina drifta zavisi od intenziteta kojim na njih deluje primenjeno električno polje, ali je u svim slučajevima nekoliko redova veličine niža od brzine toplotnog slučajnog kretanja čestica (105 –106m/s). Važno je shvatiti da pod dejstvom polja počinje simultani drift svih slobodnih naelektrisanja, pa se struja pojavljuje odmah u celom provodniku.
Vrste trenutnog
Pre svega, struje se razlikuju po ponašanju nosilaca naboja tokom 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.
- Kod naizmjenične struje, ovi parametri se mijenjaju s vremenom. Njegovo stvaranje temelji se na fenomenu elektromagnetne indukcije koja se javlja u zatvorenom kolu zbog promjene (rotacije) magnetskog polja. Električno polje u ovom slučaju periodično mijenja vektor intenziteta. Shodno tome, predznaci potencijala se mijenjaju, a njihova vrijednost prelazi sa "plus" na "minus" svih međuvrijednosti, uključujući nulu. Kao rezultatfenomen, uređeno kretanje nabijenih čestica mijenja smjer cijelo vrijeme. Veličina takve struje fluktuira (obično sinusno, odnosno harmonično) od maksimuma do minimuma. Naizmjenična struja ima tako važnu karakteristiku brzine ovih oscilacija kao što je frekvencija - broj kompletnih ciklusa promjene u sekundi.
Pored ove najvažnije klasifikacije, razlike između struja se mogu praviti i prema kriterijumu kao što je priroda kretanja nosilaca naboja u odnosu na medij u kojem se struja širi.
Konduktivne struje
Najpoznatiji primjer struje je uređeno, usmjereno kretanje nabijenih čestica pod djelovanjem električnog polja unutar tijela (medija). Zove se struja provodljivosti.
U čvrstim materijama (metali, grafit, mnogi složeni materijali) i nekim tečnostima (živa i drugi metalni taline), elektroni su pokretne naelektrisane čestice. Uređeno kretanje u provodniku je njihov pomak u odnosu na atome ili molekule supstance. Provodljivost ove vrste naziva se elektronska. U poluprovodnicima, prijenos naelektrisanja se također dešava zbog kretanja elektrona, ali je iz više razloga zgodno koristiti koncept rupe za opisivanje struje – pozitivna kvazičestica, koja je pokretni elektron, praznina.
U elektrolitičkim rastvorima, prolaz struje se vrši usled kretanja negativnih i pozitivnih jona na različite polove - anodu i katodu, koji su deo rastvora.
Prenos struje
Gas - pod normalnim uslovima dielektrik - takođe može postati provodnik ako je podvrgnut dovoljno jakoj jonizaciji. Električna provodljivost plina je mješovita. Jonizovani gas je već plazma u kojoj se kreću i elektroni i joni, odnosno sve naelektrisane čestice. Njihovo uređeno kretanje formira plazma kanal i naziva se gasno pražnjenje.
Usmjereno kretanje naboja može se dogoditi ne samo unutar okoline. Pretpostavimo da se snop elektrona ili jona kreće u vakuumu, emitiran iz pozitivne ili negativne elektrode. Ovaj fenomen se 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, jer takva situacija zadovoljava uslov 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 osobinama provodnih 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 "stvarne" provodljivosti ili prijenosnih struja: ono pobuđuje naizmjenično magnetno polje. Ovo jejavlja se, na primjer, u krugovima naizmjenične struje između ploča kondenzatora. Fenomen je praćen prijenosom energije i naziva se struja pomaka.
U stvari, ova vrijednost pokazuje koliko se brzo mijenja indukcija električnog polja na određenoj površini okomito na smjer njenog vektora. Koncept električne indukcije uključuje vektore jačine polja i polarizacije. U vakuumu se uzima u obzir samo napetost. Što se tiče elektromagnetnih procesa u materiji, polarizacija molekula ili atoma, u kojoj se, kada su izloženi polju, odvija kretanje vezanih (ne slobodnih!) naboja, daje izvestan doprinos struji pomeranja u dielektriku ili provodniku.
Ime je nastalo u 19. veku i uslovno je, jer je prava električna struja uređeno kretanje naelektrisanih čestica. Struja pomaka nema nikakve veze sa driftom naboja. Dakle, strogo govoreći, to nije struja.
Manifestacije (radnje) trenutnog
Uređeno kretanje naelektrisanih čestica uvek je praćeno određenim fizičkim pojavama, po kojima se, zapravo, može proceniti da li se ovaj proces odvija ili ne. Moguće je podijeliti takve pojave (trenutne akcije) u tri glavne grupe:
- Magnetna akcija. Pokretni električni naboj nužno stvara magnetsko polje. Ako postavite kompas pored provodnika kroz koji teče struja, strelica će se okrenuti okomito na smjer te struje. Na osnovu ovog fenomena rade elektromagnetski uređaji koji omogućavaju, na primjer, pretvaranje električne energijeu mehanički.
- Termički efekat. Struja radi na savladavanju otpora provodnika, što rezultira oslobađanjem toplinske energije. To je zato što se, tokom drifta, nabijene čestice raspršuju na elementima kristalne rešetke ili molekula provodnika i daju im kinetičku energiju. Kada bi rešetka, recimo, metala bila savršeno pravilna, elektroni to praktično ne bi primijetili (ovo je posljedica valne prirode čestica). Međutim, prvo, atomi na samim mjestima rešetke podliježu toplinskim vibracijama koje narušavaju njenu pravilnost, a drugo, defekti rešetke - atomi nečistoća, dislokacije, praznine - također utiču na kretanje elektrona.
- Hemijsko djelovanje je uočeno u elektrolitima. Suprotno nabijeni ioni, na koje je elektrolitski rastvor disociran, kada se primeni električno polje, odvajaju se na suprotne elektrode, što dovodi do hemijskog raspadanja elektrolita.
Osim kada je uređeno kretanje naelektrisanih čestica predmet naučnog istraživanja, ono zanima osobu u svojim makroskopskim manifestacijama. Za nas nije bitna sama struja, već gore navedene pojave koje ona izaziva, zbog transformacije električne energije u druge oblike.
Sve trenutne radnje igraju dvostruku ulogu u našim životima. U nekim slučajevima je potrebno zaštititi ljude i opremu od njih, u drugim je postizanje jednog ili drugog efekta uzrokovanog usmjerenim prijenosom električnih naboja direktno.namjena širokog spektra tehničkih uređaja.
