Velká řada fyzikálních jevů, mikroskopických i makroskopických, má elektromagnetickou povahu. Patří mezi ně síly tření a pružnosti, všechny chemické procesy, elektřina, magnetismus, optika.
Jedním z takových projevů elektromagnetické interakce je uspořádaný pohyb nabitých částic. Je naprosto nezbytným prvkem téměř všech moderních technologií, které se používají v různých oblastech – od organizace našeho života až po lety do vesmíru.
Obecné pojetí fenoménu
Spořádaný pohyb nabitých částic se nazývá elektrický proud. Takový pohyb nábojů může být proveden v různých prostředích pomocí určitých částic, někdy kvazičástic.
Předpokladem pro aktuální jepřesně uspořádaný, řízený pohyb. Nabité částice jsou objekty, které (stejně jako neutrální) mají tepelný chaotický pohyb. K proudu však dochází pouze tehdy, když na pozadí tohoto nepřetržitého chaotického procesu dochází k obecnému pohybu nábojů v určitém směru.
Když se těleso pohybuje, elektricky neutrální jako celek, částice v jeho atomech a molekulách se samozřejmě pohybují ve směru, ale protože se opačné náboje v neutrálním objektu vzájemně kompenzují, nedochází k přenosu náboje, a můžeme mluvit o tom, že proud nedává smysl ani v tomto případě.
Jak se generuje proud
Zvažte nejjednodušší verzi buzení stejnosměrným proudem. Pokud je elektrické pole aplikováno na médium, kde jsou obecně přítomny nosiče náboje, začne v něm uspořádaný pohyb nabitých částic. Tento jev se nazývá drift náboje.
To lze stručně popsat následovně. V různých bodech pole vzniká rozdíl potenciálů (napětí), to znamená, že energie interakce elektrických nábojů umístěných v těchto bodech s polem, související s velikostí těchto nábojů, bude různá. Protože jakýkoli fyzikální systém, jak je známo, tíhne k minimu potenciální energie odpovídající rovnovážnému stavu, nabité částice se začnou pohybovat směrem k vyrovnání potenciálů. Jinými slovy, pole vykonává nějakou práci, aby tyto částice posunulo.
Když se potenciály vyrovnají, napětí zmizíelektrické pole - zmizí. Současně se také zastaví uspořádaný pohyb nabitých částic, proud. Pro získání stacionárního, tedy časově nezávislého pole, je nutné použít proudový zdroj, ve kterém se vlivem uvolňování energie v určitých procesech (například chemických) průběžně oddělují náboje a přivádějí se do póly, udržující existenci elektrického pole.
Proud lze získat různými způsoby. Takže změna magnetického pole ovlivňuje náboje ve vodivém obvodu, které jsou do něj zavedeny, a způsobuje jejich řízený pohyb. Takový proud se nazývá indukční.
Kvantitativní charakteristiky proudu
Hlavním parametrem, kterým je proud kvantitativně popsán, je síla proudu (někdy se říká „hodnota“nebo jednoduše „proud“). Je definováno jako množství elektřiny (množství náboje nebo počet elementárních nábojů), které projde za jednotku času určitým povrchem, obvykle průřezem vodiče: I=Q / t. Proud se měří v ampérech: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb za sekundu). V části elektrického obvodu je proudová síla přímo spojena s rozdílem potenciálu a nepřímo - s odporem vodiče: I \u003d U / R. Pro úplný 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 síly proudu k průřezu vodiče, kterým kolmo k němu dochází k uspořádanému pohybu nabitých částic, se nazývá proudová hustota: j=I/S=Q/St. Tato hodnota charakterizuje množství elektřiny, které proteče za jednotku času jednotkovou plochou. Čím vyšší je intenzita pole E a elektrická vodivost média σ, tím větší je proudová hustota: j=σ∙E. Na rozdíl od aktuální síly je tato veličina vektorová a má směr podél pohybu částic, které nesou kladný náboj.
Aktuální směr a směr driftu
V elektrickém poli objekty nesoucí náboj pod vlivem Coulombových sil udělají uspořádaný pohyb k pólu zdroje proudu, opačný ve znamení náboje. Částice nabité kladně driftují směrem k zápornému pólu ("mínus") a naopak volné záporné náboje jsou přitahovány k "plusu" zdroje. Částice se také mohou pohybovat ve dvou opačných směrech najednou, pokud jsou ve vodivém médiu nosiče náboje obou znaků.
Z historických důvodů se obecně uznává, že proud je směrován tak, jak se pohybují kladné náboje – od „plus“k „mínusu“. Aby nedošlo k záměně, je třeba připomenout, že ačkoliv v nejznámějším případě proudu v kovových vodičích dochází ke skutečnému pohybu částic - elektronů - samozřejmě v opačném směru, toto podmíněné pravidlo platí vždy.
Aktuální šíření a rychlost driftu
Často jsou problémy s pochopením toho, jak rychle se proud pohybuje. Neměly by se zaměňovat dva různé pojmy: rychlost šíření proudu (elektrsignál) a driftová rychlost částic - nosičů náboje. První je rychlost, kterou se elektromagnetická interakce přenáší nebo - což je stejné - pole se šíří. Je blízko (s přihlédnutím k prostředí šíření) rychlosti světla ve vakuu a je téměř 300 000 km/s.
Částice se pohybují velmi pomalu (10-4–10-3 m/s). Rychlost driftu závisí na intenzitě, s jakou na ně působí elektrické pole, ale ve všech případech je o několik řádů nižší než rychlost tepelného náhodného pohybu částic (105 –106m/s). Je důležité pochopit, že působením pole začíná současný drift všech volných nábojů, takže proud se okamžitě objeví v celém vodiči.
Typy proudu
Za prvé, proudy se liší chováním nosičů náboje v průběhu času.
- Konstantní proud je proud, který nemění ani velikost (sílu) ani směr pohybu částic. Toto je nejjednodušší způsob, jak přesunout nabité částice, a je to vždy začátek studia elektrického proudu.
- U střídavého proudu se tyto parametry mění s časem. Jeho generování je založeno na jevu elektromagnetické indukce, ke které dochází v uzavřeném okruhu v důsledku změny (rotace) magnetického pole. Elektrické pole v tomto případě periodicky obrací vektor intenzity. V souladu s tím se mění znaménka potenciálů a jejich hodnota přechází z „plus“na „mínus“všechny mezihodnoty, včetně nuly. Jako výsledekjev, uspořádaný pohyb nabitých částic neustále mění směr. Velikost takového proudu kolísá (obvykle sinusově, tedy harmonicky) od maxima k minimu. Střídavý proud má tak důležitou charakteristiku rychlosti těchto oscilací, jako je frekvence - počet úplných cyklů změny za sekundu.
Kromě této nejdůležitější klasifikace lze rozdíly mezi proudy provádět také 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, řízený pohyb nabitých částic působením elektrického pole uvnitř tělesa (média). Říká se tomu vodivý proud.
V pevných látkách (kovy, grafit, mnoho složitých materiálů) a některých kapalinách (rtuť a jiné kovové taveniny) jsou elektrony pohyblivé nabité částice. Uspořádaný pohyb ve vodiči je jejich drift vzhledem k atomům nebo molekulám látky. Vodivost tohoto druhu se nazývá elektronická. V polovodičích dochází také k přenosu náboje v důsledku pohybu elektronů, ale z řady důvodů je vhodné k popisu proudu použít koncept díry - kladná kvazičástice, což je pohybující se elektronové volné místo.
V elektrolytických roztocích se průchod proudu provádí díky pohybu záporných a kladných iontů k různým pólům - anodě a katodě, které jsou součástí roztoku.
Přenosové proudy
Plyn – za normálních podmínek dielektrikum – se také může stát vodičem, pokud je podroben dostatečně silné ionizaci. Elektrická vodivost plynu je smíšená. Ionizovaný plyn je již plazmou, ve které se pohybují jak elektrony, tak ionty, tedy všechny nabité částice. Jejich uspořádaný pohyb tvoří plazmový kanál a nazývá se plynový výboj.
K přímému pohybu nábojů může dojít nejen uvnitř prostředí. Předpokládejme, že paprsek elektronů nebo iontů se pohybuje ve vakuu, emitovaný kladnou nebo zápornou elektrodou. Tento jev se nazývá emise elektronů a hojně se využívá například ve vakuových zařízeních. Tento pohyb je samozřejmě aktuální.
Dalším případem je pohyb elektricky nabitého makroskopického tělesa. To je také aktuální, protože taková situace splňuje podmínku řízeného přenosu náboje.
Všechny výše uvedené příklady by měly být považovány za uspořádaný pohyb nabitých částic. Tento proud se nazývá konvekční nebo přenosový proud. Jeho vlastnosti, například magnetické, jsou zcela podobné vlastnostem vodivých proudů.
Zkreslený proud
Existuje jev, který nemá nic společného s přenosem náboje a vyskytuje se tam, kde existuje časově proměnlivé elektrické pole, které má vlastnost "skutečného" vedení nebo přenosových proudů: excituje střídavé magnetické pole. Tohle jese vyskytuje např. ve střídavých obvodech mezi deskami kondenzátorů. Tento jev je doprovázen přenosem energie a nazývá se posuvný proud.
Ve skutečnosti tato hodnota ukazuje, jak rychle se mění indukce elektrického pole na určitém povrchu kolmém ke směru jeho vektoru. Koncept elektrické indukce zahrnuje vektory intenzity pole a polarizace. Ve vakuu se bere v úvahu pouze napětí. Pokud jde o elektromagnetické procesy v hmotě, k vytěsňovacímu proudu v dielektriku nebo vodiči do určité míry přispívá polarizace molekul nebo atomů, při kterých při vystavení poli dochází k pohybu vázaných (nikoli volných!) nábojů.
Název vznikl v 19. století a je podmíněný, protože skutečný elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic. Výtlakový proud nemá nic společného s driftem náboje. Proto, přísně vzato, nejde o proud.
Projevy (akce) současného
Spořádaný pohyb nabitých částic je vždy doprovázen určitými fyzikálními jevy, které ve skutečnosti mohou být použity k posouzení, zda tento proces probíhá nebo ne. Takové jevy (aktuální akce) je možné rozdělit do tří hlavních skupin:
- Magnetická akce. Pohybující se elektrický náboj nutně vytváří magnetické pole. Pokud přiložíte kompas k vodiči, kterým protéká proud, šipka se otočí kolmo ke směru tohoto proudu. Na základě tohoto jevu fungují elektromagnetická zařízení umožňující např. přeměnu elektrické energiedo mechanického.
- Tepelný efekt. Proud pracuje na překonání odporu vodiče, což má za následek uvolnění tepelné energie. Je to proto, že během driftu dochází k rozptylu nabitých částic na prvcích krystalové mřížky nebo molekul vodičů a dávají jim kinetickou energii. Pokud by mřížka, řekněme, kovu byla dokonale pravidelná, elektrony by si toho prakticky nevšimly (je to důsledek vlnové povahy částic). Za prvé však samotné atomy v místech mřížky podléhají tepelným vibracím, které porušují její pravidelnost, a za druhé, na pohyb elektronů mají vliv také defekty mřížky – atomy nečistot, dislokace, vakance.
- Chemický účinek je pozorován v elektrolytech. Opačně nabité ionty, na které se při působení elektrického pole disociuje elektrolytický roztok, se oddělují 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. Pro nás není důležitý proud samotný, ale výše uvedené jevy, které způsobuje přeměnou elektrické energie na jiné formy.
Všechny současné akce hrají v našich životech dvojí roli. V některých případech je nutné před nimi chránit osoby a zařízení, v jiných je dosažení toho či onoho efektu způsobeného přímým přenosem elektrických nábojů přímé.účel široké škály technických zařízení.
