Впорядкований рух заряджених частинок: поняття та характеристики

Величезна безліч фізичних явищ як мікроскопічного, так і макроскопічного характеру мають електромагнітну природу. До них відносяться сили тертя і пружності, всі хімічні процеси, електрика, магнетизм, оптика.

Одне з таких проявів електромагнітної взаємодії-впорядковане рух заряджених частинок. Воно являє собою абсолютно необхідний елемент практично всіх сучасних технологій, що знаходять застосування в самих різних областях - від організації нашого побуту до космічних польотів.

Загальне поняття про феномен

Впорядкований рух заряджених частинок називають електричним струмом. Таке переміщення зарядів може здійснюватися в різних середовищах за допомогою тих чи інших частинок, іноді-квазічастинок.

Обов`язковою умовою струму є саме впорядковане, спрямований рух. Заряджені частинки-це об`єкти ,які (як, втім, і нейтральні) володіють тепловим хаотичним рухом. Однак струм виникає, тільки коли на тлі цього безперервного безладного процесу відбувається загальне переміщення зарядів в деякому напрямку.

При русі будь-якого тіла, в цілому електрично нейтрального, частинки в складі його атомів і молекул, звичайно, рухаються направлено, але, оскільки різнойменні заряди в нейтральному об`єкті компенсують один одного, ніякого перенесення заряду немає, і говорити про струм в цьому випадку також не має сенсу.

Як виникає струм

Розглянемо найпростіший варіант збудження постійного струму. Якщо до середовища, де в загальному випадку присутні носії зарядів, прикласти електричне поле, в ній почнеться впорядкований рух заряджених частинок. Явище називається дрейфом зарядів.

Коротко його можна описати наступним чином. У різних точках поля виникає різниця потенціалів (напруга), тобто енергія взаємодії електричних зарядів, розташованих в цих точках, з полем, віднесена до величини цих зарядів, буде різною. Оскільки будь-яка фізична система, як відомо, прагне до мінімуму потенційної енергії, що відповідає рівноважному стану, заряджені частинки почнуть рух, спрямований до вирівнювання потенціалів. Інакше кажучи, поле робить деяку роботу по переміщенню цих частинок.

Коли потенціали вирівнюються, звертається в нуль напруженість електричного поля - воно зникає. Разом з тим припиняється і впорядкований рух заряджених частинок-струм. Для того щоб отримати стаціонарне, тобто не залежне від часу, поле, необхідно використовувати джерело струму, в якому, завдяки виділенню енергії в тих чи інших процесах (наприклад, хімічних), заряди безперервно поділяються і надходять на полюси, підтримуючи існування електричного поля.

Струм можна отримувати різними способами. Так, зміна магнітного поля впливає на заряди у внесеному в нього провідному контурі і викликає їх спрямований рух. Такий струм називається індукційним.

Кількісні характеристики струму

Головний параметр, за допомогою якого струм описують кількісно – - це сила струму (іноді говорять "величина" або просто "струм"». Вона визначається як кількість електрики (величина заряду або число елементарних зарядів), що проходить за одиницю часу крізь деяку поверхню, зазвичай через перетин провідника: I = Q/t. Вимірюється струм в амперах: 1 А = 1 Кл / з (кулон в секунду). На ділянці електричного кола сила струму прямою залежністю пов`язана з різницею потенціалів і зворотного - з опором провідника: I = U / R. Для повного кола ця залежність (закон Ома) виражається як I = Ԑ / R + r, де Ԑ-електрорушійна сила джерела і r-його внутрішній опір.

Відношення сили струму до перетину провідника, через який відбувається перпендикулярно йому впорядкований рух заряджених частинок, називають щільністю струму: j = I / S = Q / St. Дана величина характеризує кількість електрики, яке протікає за одиницю часу через одиницю площі. Чим вище напруженість поля E і електропровідність середовища σ, тим більше і щільність струму: j = σ∙E. На відміну від сили струму, ця величина-векторна, і має напрямок по руху частинок, що несуть позитивний заряд.

Напрямок струму та напрямок дрейфу

В електричному полі об`єкти, що переносять заряд, під дією кулонівських сил будуть здійснювати до протилежного за знаком заряду полюса джерела струму впорядкований рух. Частинки, заряджені позитивно, дрейфують у бік негативного полюса ("мінус") і, навпаки, вільні негативні заряди притягуються до "плюс" джерело. Частинки можуть переміщатися і в двох протилежних напрямках відразу, якщо в провідному середовищі присутні носії зарядів обох знаків.

З історичних причин прийнято вважати, що струм спрямований так, як рухаються позитивні заряди – від "плюс" до "мінус". Щоб уникнути плутанини, слід пам`ятати, що хоча в найбільш знайомому всім нам випадку струму в металевих провідниках реальне переміщення частинок-електронів-відбувається, звичайно, в зворотному напрямку, зазначене умовне правило діє завжди.

Поширення струму і дрейфова швидкість

Нерідко виникають проблеми і з розумінням того, наскільки швидко рухається струм. Не слід плутати два різних поняття: швидкість поширення струму (електричного сигналу) і швидкість дрейфу частинок-носіїв зарядів. Перше-це швидкість, з якою передається електромагнітна взаємодія або - що те ж саме-поширюється поле. Вона близька (з урахуванням середовища поширення) до швидкості світла у вакуумі і становить майже 300 000 км / з.

Частинки ж роблять своє впорядковане рух дуже повільно (10^-4–10^-3 м/с). Дрейфова швидкість залежить від напруженості, з якою діє на них прикладене електричне поле, але у всіх випадках вона на кілька порядків поступається швидкості теплового безладного руху частинок (10⁵–10⁶ м/с). Важливо розуміти, що під дією поля починається одночасний дрейф всіх вільних зарядів, тому струм виникає відразу у всьому провіднику.

Види струму

В першу чергу струми розрізняють по поведінці носіїв заряду в часі.

• Постійним називають струм, що не змінює ні величину (силу), ні напрямок переміщення частинок. Це найпростіший варіант переміщення заряджених частинок, і з нього завжди починають вивчення електричного струму.
• У змінного струму ці параметри змінюються в часі. В основі його генерування лежить явище електромагнітної індукції, що виникає в замкнутому контурі, завдяки зміні (обертанню) магнітного поля. Електричне поле в цьому випадку періодично змінює вектор напруженості на протилежний. Відповідно, змінюються знаки потенціалів, а величина їх проходить від "плюс" до "мінус" всі проміжні значення, в тому числі і нульове. В результаті цього явища впорядкований рух заряджених частинок весь час змінює напрямок. Величина такого струму коливається (зазвичай синусоїдально, тобто гармонійно) від максимуму до мінімуму. Змінний струм має таку важливу характеристику швидкості цих коливань, як частота - кількість повних циклів зміни в секунду.

Крім цієї найважливішої класифікації, відмінності між струмами можна проводити і за таким критерієм, як характер руху носіїв заряду по відношенню до середовища, в якій струм поширюється.

Струм провідності

Найбільш відомий приклад струму-це впорядковане, спрямований рух заряджених частинок під дією електричного поля всередині будь-якого тіла (середовища). Воно іменується струмом провідності.

У твердих тілах (метали, графіт, багато складних матеріалів) та деяких рідинах (ртуть та інші розплави металів) електрони є рухомими зарядженими частинками. Впорядкований рух у провіднику-це їх дрейф відносно атомів або молекул речовини. Провідність такого роду називають Електронної. У напівпровідниках перенесення зарядів також відбувається за рахунок руху електронів, але по ряду причин зручно користуватися для опису струму поняттям дірки-позитивної квазічастинки, що представляє собою переміщається електронну вакансію.

В електролітичних розчинах проходження струму здійснюється за рахунок рухомих до різних полюсів-анода і катода-негативних і позитивних іонів – що входять до складу розчину.

Струми перенесення

Газ-в звичайних умовах діелектрик - також може стати провідником, якщо піддати його досить сильної іонізації. Газова електропровідність носить змішаний характер. Іонізований газ - це вже Плазма, в якій рухаються і електрони, і іони, тобто всі заряджені частинки. Впорядкований рух їх формує плазмовий канал і називається газовим розрядом.

Спрямоване переміщення зарядів може відбуватися не тільки всередині середовища. Припустимо, у вакуумі рухається пучок електронів або іонів, що випускаються з позитивного або негативного електрода. Це явище носить назву електронної емісії і широко використовується, наприклад, у вакуумних приладах. Безумовно, такий рух являє собою струм.

Ще один випадок-переміщення електрично зарядженого макроскопічного тіла. Це - теж струм, оскільки подібна ситуація задовольняє умові спрямованого перенесення зарядів.

Всі наведені приклади необхідно розглядати як впорядкований рух заряджених частинок. Називається такий струм конвекційним або струмом перенесення. Його властивості, наприклад, магнітні, абсолютно аналогічні таким у струмів провідності.

Струм зміщення

Існує явище, яке не має відношення до перенесення зарядів і виникає там, де є в наявності змінюється в часі електричне поле, яке має властивість, властивим "справжнім" струмів провідності або перенесення: воно збуджує змінне магнітне поле. Це відбувається, наприклад, в ланцюгах змінного струму між обкладок конденсаторів. Явище супроводжується передачею енергії і називається струмом зміщення.

По суті, дана величина показує, як швидко змінюється індукція електричного поля на деякій поверхні, перпендикулярній до напрямку її вектора. Поняття електричної індукції включає в себе вектори напруженості поля і поляризації. У вакуумі враховується тільки напруженість. Що ж стосується електромагнітних процесів в речовині, то поляризація молекул або атомів, в яких при впливі поля має місце рух пов`язаних (не вільних!) зарядів, вносить певний вклад в струм зміщення в діелектрику або провіднику.

Назва виникла в XIX столітті і носить умовний характер, так як дійсний електричний струм-це впорядкований рух заряджених частинок. Струм зміщення з дрейфом зарядів ніяк не пов`язаний. Тому він, строго кажучи, струмом не є.

Прояви (дії) струму

Впорядкований рух заряджених частинок завжди супроводжується тими чи іншими фізичними явищами, за якими, власне, і можна судити про те, протікає цей процес чи ні. Можна розділити такі явища (дії струму) на три основні групи:

• Магнітна дія. Рухомий електричний заряд обов`язково створює магнітне поле. Якщо помістити компас поруч з провідником, по якому протікає струм, стрілка зробить поворот перпендикулярно напрямку цього струму. На основі даного явища діють електромагнітні пристрої, що дозволяють, наприклад, перетворити електричну енергію в механічну.
• Теплова дія. Струм здійснює роботу з подолання опору провідника, результатом чого стає виділення теплової енергії. Це відбувається тому, що при дрейфі заряджені частинки відчувають розсіювання на елементах кристалічної решітки або молекулах провідника і віддають їм кінетичну енергію. Якби решітка, скажімо, металу, була ідеально правильною, електрони практично не помічали б її (це наслідок хвильової природи частинок). Однак, по-перше, атоми в вузлах решітки самі схильні до теплових коливань, що порушує її правильність, а по – друге, дефекти решітки-домішкові атоми, дислокації – вакансії - теж впливають на рух електронів.
• Хімічна дія спостерігається в електролітах. Різнойменно заряджені іони, на які дисоційований електролітичний розчин, при накладенні електричного поля розводяться на протилежні електроди, що призводить до хімічного розкладання електроліту.

За винятком випадків, коли впорядкований рух заряджених частинок є предметом наукових досліджень, воно цікавить людину в своїх макроскопічних проявах. Важливий для нас не ток сам по собі, а перераховані вище явища, яке він викликає, завдяки перетворенням електричної енергії в інші види.

Всі дії струму грають двояку роль в нашому житті. В одних випадках від них необхідно захищати людей і техніку, в інших – отримання того чи іншого ефекту, що викликається спрямованим перенесенням електричних зарядів, є прямим призначенням найрізноманітніших технічних пристроїв.