تنوع عظیمی از پدیده های فیزیکی، هم میکروسکوپی و هم ماکروسکوپی، ماهیت الکترومغناطیسی دارند. اینها شامل نیروهای اصطکاک و الاستیسیته، تمام فرآیندهای شیمیایی، الکتریسیته، مغناطیس، اپتیک است.
یکی از این تظاهرات برهمکنش الکترومغناطیسی، حرکت منظم ذرات باردار است. این عنصر کاملاً ضروری تقریباً در تمام فناوری های مدرن است که در زمینه های مختلف - از سازماندهی زندگی ما گرفته تا پروازهای فضایی - استفاده می شود.
مفهوم کلی پدیده
حرکت منظم ذرات باردار جریان الکتریکی نامیده می شود. چنین حرکتی از بارها را می‌توان در رسانه‌های مختلف با استفاده از ذرات خاص، گاهی اوقات شبه ذرات، انجام داد.
یک پیش نیاز برای جریان استحرکت دقیقا منظم و جهت دار ذرات باردار اجسامی هستند که (و همچنین ذرات خنثی) دارای حرکت آشفته حرارتی هستند. با این حال، جریان تنها زمانی اتفاق می‌افتد که در پس‌زمینه این فرآیند آشفته پیوسته، یک حرکت کلی بارها در جهتی وجود داشته باشد.
وقتی جسمی حرکت می کند، به عنوان یک کل از نظر الکتریکی خنثی است، البته ذرات موجود در اتم ها و مولکول های آن در یک جهت حرکت می کنند، اما از آنجایی که بارهای مخالف در یک جسم خنثی یکدیگر را جبران می کنند، انتقال بار وجود ندارد. و ما می توانیم در مورد جریان صحبت در این مورد نیز معنی ندارد.
نحوه تولید جریان
ساده ترین نسخه تحریک جریان مستقیم را در نظر بگیرید. اگر یک میدان الکتریکی به محیطی اعمال شود که در حالت کلی حامل های بار در آن حضور دارند، حرکت منظمی از ذرات باردار در آن آغاز می شود. این پدیده رانش بار نامیده می شود.
می توان به طور خلاصه به شرح زیر توضیح داد. در نقاط مختلف میدان، اختلاف پتانسیل (ولتاژ) ایجاد می شود، یعنی انرژی برهمکنش بارهای الکتریکی واقع در این نقاط با میدان، مربوط به بزرگی این بارها، متفاوت خواهد بود. از آنجایی که هر سیستم فیزیکی، همانطور که مشخص است، به حداقل انرژی پتانسیل مربوط به حالت تعادل تمایل دارد، ذرات باردار شروع به حرکت به سمت یکسان سازی پتانسیل ها خواهند کرد. به عبارت دیگر، میدان برای حرکت دادن این ذرات کار می کند.
وقتی پتانسیل ها برابر می شوند، تنش از بین می رودمیدان الکتریکی - ناپدید می شود. در همان زمان، حرکت منظم ذرات باردار، جریان، نیز متوقف می شود. برای به دست آوردن یک میدان ثابت، یعنی مستقل از زمان، باید از منبع جریانی استفاده کرد که در آن، به دلیل آزاد شدن انرژی در فرآیندهای خاص (مثلاً شیمیایی)، بارها به طور مداوم جدا شده و به قطب ها، وجود میدان الکتریکی را حفظ می کنند.
جریان را می توان از راه های مختلفی به دست آورد. بنابراین، تغییر در میدان مغناطیسی بر بارهای موجود در مدار رسانای وارد شده به آن تأثیر می گذارد و باعث حرکت جهت دار آنها می شود. چنین جریانی القایی نامیده می شود.
ویژگی های کمی جریان
پارامتر اصلی که توسط آن جریان به صورت کمی توصیف می شود، قدرت جریان است (گاهی اوقات می گویند "مقدار" یا به سادگی "جریان"). به عنوان مقدار الکتریسیته (مقدار بار یا تعداد بارهای اولیه) که در واحد زمان از یک سطح معین عبور می کند، معمولاً از طریق مقطع یک هادی تعریف می شود: I=Q / t. جریان در آمپر اندازه گیری می شود: 1 A \u003d 1 C / s (کولن در ثانیه). در بخش مدار الکتریکی، قدرت جریان مستقیماً با اختلاف پتانسیل و برعکس - با مقاومت هادی مرتبط است: I \u003d U / R. برای یک مدار کامل، این وابستگی (قانون اهم) به صورت I=⁇/R+r بیان می شود، که در آن ⁇ نیروی محرکه الکتریکی منبع و r مقاومت داخلی آن است.
نسبت قدرت جریان به مقطع هادی که حرکت منظم ذرات باردار از طریق آن عمود بر آن انجام می شود، چگالی جریان نامیده می شود: j=I/S=Q/St. این مقدار مقدار برقی را که در واحد زمان در یک واحد مساحت جریان می‌یابد مشخص می‌کند. هر چه شدت میدان E و رسانایی الکتریکی محیط σ بیشتر باشد، چگالی جریان بیشتر است: j=σ∙E. برخلاف قدرت فعلی، این کمیت بردار است و جهتی در امتداد حرکت ذرات حامل بار مثبت دارد.
جهت فعلی و جهت رانش
در یک میدان الکتریکی، اجسامی که حامل بار هستند، تحت تأثیر نیروهای کولن، حرکت منظمی را به قطب منبع جریان، برخلاف علامت بار، انجام می دهند. ذرات دارای بار مثبت به سمت قطب منفی ("منهای") حرکت می کنند و برعکس، بارهای منفی آزاد به سمت "به علاوه" منبع جذب می شوند. اگر حامل‌های بار هر دو علامت در محیط رسانا وجود داشته باشد، ذرات می‌توانند همزمان در دو جهت مخالف حرکت کنند.
به دلایل تاریخی، عموماً پذیرفته شده است که جریان به طریقی هدایت می شود که بارهای مثبت حرکت می کنند - از "بعلاوه" به "منفی". برای جلوگیری از سردرگمی، باید به خاطر داشت که اگرچه در آشناترین حالت جریان در هادی های فلزی، حرکت واقعی ذرات - الکترون ها - اتفاق می افتد، البته در جهت مخالف، این قانون شرطی همیشه اعمال می شود.
انتشار فعلی و سرعت رانش
اغلب مشکلاتی در درک سرعت حرکت جریان وجود دارد. دو مفهوم مختلف را نباید اشتباه گرفت: سرعت انتشار جریان (الکتریکسیگنال) و سرعت رانش ذرات - حامل های بار. اولی سرعتی است که در آن برهمکنش الکترومغناطیسی منتقل می شود یا - که همان است - میدان منتشر می شود. این سرعت (با در نظر گرفتن محیط انتشار) به سرعت نور در خلاء نزدیک است و تقریباً 300000 کیلومتر بر ثانیه است.
ذرات حرکت منظم خود را بسیار آهسته انجام می دهند (10-4–10-3 متر بر ثانیه). سرعت رانش بستگی به شدتی دارد که میدان الکتریکی اعمال شده روی آنها اثر می‌کند، اما در همه موارد چندین مرتبه کمتر از سرعت حرکت تصادفی حرارتی ذرات است (105 –106متر بر ثانیه). درک این نکته مهم است که تحت عمل میدان، رانش همزمان همه شارژهای رایگان آغاز می شود، بنابراین جریان بلافاصله در کل هادی ظاهر می شود.
انواع جریان
اول از همه، جریان ها با رفتار حامل های بار در طول زمان متمایز می شوند.
- جریان ثابت جریانی است که نه بزرگی (قدرت) و نه جهت حرکت ذرات را تغییر نمی دهد. این ساده ترین راه برای جابجایی ذرات باردار است و همیشه آغاز مطالعه جریان الکتریکی است.
- در جریان متناوب، این پارامترها با زمان تغییر می کنند. تولید آن بر اساس پدیده القای الکترومغناطیسی است که در یک مدار بسته به دلیل تغییر (چرخش) میدان مغناطیسی رخ می دهد. میدان الکتریکی در این مورد به صورت دوره ای بردار شدت را معکوس می کند. بر این اساس، علائم پتانسیل ها تغییر می کند و مقدار آنها از "بعلاوه" به "منهای" همه مقادیر میانی از جمله صفر می رسد. در نتیجهپدیده، حرکت منظم ذرات باردار همیشه تغییر جهت می دهد. بزرگی چنین جریانی (معمولاً به صورت سینوسی، یعنی هارمونیک) از حداکثر به حداقل در نوسان است. جریان متناوب دارای ویژگی مهمی از سرعت این نوسانات مانند فرکانس است - تعداد چرخه های کامل تغییر در ثانیه.
علاوه بر این مهم‌ترین طبقه‌بندی، می‌توان با توجه به معیاری مانند ماهیت حرکت حامل‌های بار نسبت به محیطی که جریان در آن منتشر می‌شود، تفاوت‌هایی بین جریان‌ها ایجاد کرد.
جریان های رسانایی
مشهورترین مثال جریان، حرکت منظم و جهت دار ذرات باردار تحت تأثیر میدان الکتریکی در داخل یک جسم (میانگین) است. جریان هدایت نامیده می شود.
در جامدات (فلزات، گرافیت، بسیاری از مواد پیچیده) و برخی مایعات (جیوه و سایر مذاب های فلزی)، الکترون ها ذرات باردار متحرک هستند. حرکت منظم در یک رسانا، رانش آنها نسبت به اتم ها یا مولکول های یک ماده است. رسانایی به این نوع الکترونیکی نامیده می شود. در نیمه هادی ها، انتقال بار نیز به دلیل حرکت الکترون ها اتفاق می افتد، اما به دلایل متعددی، استفاده از مفهوم حفره برای توصیف جریان راحت است - شبه ذره مثبت، که جای خالی الکترون متحرک است..
در محلول های الکترولیتی، عبور جریان به دلیل حرکت یون های منفی و مثبت به قطب های مختلف - آند و کاتد که بخشی از محلول هستند، انجام می شود.
جریان انتقال
گاز - در شرایط عادی یک دی الکتریک - اگر تحت یک یونیزاسیون به اندازه کافی قوی قرار گیرد، می تواند به هادی تبدیل شود. هدایت الکتریکی گاز مخلوط است. یک گاز یونیزه شده در حال حاضر پلاسمایی است که در آن الکترون ها و یون ها، یعنی همه ذرات باردار، حرکت می کنند. حرکت منظم آنها یک کانال پلاسما را تشکیل می دهد و تخلیه گاز نامیده می شود.
حرکت مستقیم بارها می تواند نه تنها در داخل محیط اتفاق بیفتد. فرض کنید پرتوی از الکترون ها یا یون ها در خلاء در حال حرکت است که از یک الکترود مثبت یا منفی ساطع می شود. این پدیده گسیل الکترون نامیده می شود و به طور گسترده ای به عنوان مثال در دستگاه های خلاء استفاده می شود. البته این حرکت یک جریان است.
مورد دیگر حرکت یک جسم ماکروسکوپی با بار الکتریکی است. این نیز یک جریان است، زیرا چنین وضعیتی شرط انتقال شارژ مستقیم را برآورده می کند.
همه مثال های بالا را باید به عنوان حرکت منظم ذرات باردار در نظر گرفت. این جریان را جریان همرفتی یا انتقالی می نامند. خواص آن، به عنوان مثال، مغناطیسی، کاملاً شبیه به جریان های رسانایی است.
جریان سوگیری
پدیده ای وجود دارد که ربطی به انتقال بار ندارد و در جایی رخ می دهد که یک میدان الکتریکی متغیر با زمان وجود دارد که خاصیت رسانش یا جریان های انتقال "واقعی" را دارد: یک میدان مغناطیسی متناوب را تحریک می کند. این هستبه عنوان مثال، در مدارهای جریان متناوب بین صفحات خازن رخ می دهد. این پدیده با انتقال انرژی همراه است و جریان جابجایی نامیده می شود.
در واقع، این مقدار نشان می دهد که القای میدان الکتریکی با چه سرعتی در یک سطح خاص عمود بر جهت بردار آن تغییر می کند. مفهوم القای الکتریکی شامل بردارهای قدرت میدان و پلاریزاسیون است. در خلاء، فقط کشش در نظر گرفته می شود. در مورد فرآیندهای الکترومغناطیسی در ماده، قطبش مولکول‌ها یا اتم‌ها، که در آن هنگام قرار گرفتن در معرض میدان، حرکت بارهای محدود (نه آزاد!) انجام می‌شود، تا حدودی در جریان جابجایی در یک دی الکتریک یا رسانا نقش دارد.
این نام در قرن نوزدهم ایجاد شد و مشروط است، زیرا جریان الکتریکی واقعی حرکت منظم ذرات باردار است. جریان جابجایی ربطی به رانش شارژ ندارد. بنابراین، به طور دقیق، آن یک جریان نیست.
تظاهرات (اعمال) فعلی
حرکت منظم ذرات باردار همیشه با پدیده های فیزیکی خاصی همراه است که در واقع می توان از آنها برای قضاوت در مورد اینکه آیا این فرآیند در حال انجام است یا خیر استفاده کرد. می توان این گونه پدیده ها (عملکردهای فعلی) را به سه گروه اصلی تقسیم کرد:
- عمل مغناطیسی. بار الکتریکی متحرک لزوماً یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. اگر قطب نما را در کنار هادی قرار دهید که جریان از آن عبور می کند، فلش عمود بر جهت این جریان خواهد چرخید. بر اساس این پدیده، دستگاه های الکترومغناطیسی کار می کنند، به عنوان مثال، اجازه می دهند انرژی الکتریکی را تبدیل کنندبه مکانیکی.
- اثر حرارتی. جریان برای غلبه بر مقاومت هادی کار می کند و در نتیجه انرژی گرمایی آزاد می شود. این به این دلیل است که در طول رانش، ذرات باردار روی عناصر شبکه بلوری یا مولکول‌های رسانا پراکنده می‌شوند و به آنها انرژی جنبشی می‌دهند. اگر شبکه مثلاً یک فلز کاملاً منظم بود، الکترون‌ها عملاً متوجه آن نمی‌شدند (این نتیجه ماهیت موجی ذرات است). با این حال، اولاً، اتم‌های خود در محل‌های شبکه در معرض ارتعاشات حرارتی هستند که نظم آن را نقض می‌کند، و ثانیاً، نقص‌های شبکه - اتم‌های ناخالصی، جابجایی، جاهای خالی - نیز بر حرکت الکترون‌ها تأثیر می‌گذارند.
- عمل شیمیایی در الکترولیت ها مشاهده می شود. یون‌های باردار مخالف، که محلول الکترولیتی در آن تفکیک می‌شود، هنگام اعمال میدان الکتریکی، به الکترودهای مخالف جدا می‌شوند که منجر به تجزیه شیمیایی الکترولیت می‌شود.
به جز زمانی که حرکت منظم ذرات باردار موضوع تحقیقات علمی باشد، شخص را در تظاهرات ماکروسکوپی آن علاقه مند می کند. این خود جریان نیست که برای ما مهم است، بلکه پدیده های ذکر شده در بالا است که به دلیل تبدیل انرژی الکتریکی به اشکال دیگر باعث می شود.
همه اعمال فعلی نقشی دوگانه در زندگی ما دارند. در برخی موارد، محافظت از افراد و تجهیزات در برابر آنها ضروری است، در برخی دیگر، به دست آوردن یک یا آن اثر ناشی از انتقال مستقیم بارهای الکتریکی مستقیم است.هدف از طیف گسترده ای از دستگاه های فنی.
