مجموعة كبيرة ومتنوعة من الظواهر الفيزيائية ، سواء المجهرية أو العيانية ، هي كهرومغناطيسية بطبيعتها. وتشمل هذه قوى الاحتكاك والمرونة ، وجميع العمليات الكيميائية ، والكهرباء ، والمغناطيسية ، والبصريات.
أحد مظاهر التفاعل الكهرومغناطيسي هو الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة. إنه عنصر ضروري للغاية في جميع التقنيات الحديثة تقريبًا المستخدمة في مختلف المجالات - من تنظيم حياتنا إلى الرحلات الفضائية.
المفهوم العام للظاهرة
تسمى الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة التيار الكهربائي. يمكن تنفيذ حركة الشحنات هذه في وسائط مختلفة عن طريق جسيمات معينة ، وأحيانًا شبه جسيمات.
أحد المتطلبات الأساسية للتيار هوحركة منظمة بدقة وموجهة. الجسيمات المشحونة هي أشياء (بالإضافة إلى الجسيمات المحايدة) لها حركة فوضوية حرارية. ومع ذلك ، فإن التيار يحدث فقط عندما تكون هناك حركة عامة للرسوم في اتجاه ما ، على خلفية هذه العملية الفوضوية المستمرة.
عندما يتحرك الجسم ، محايد كهربائيًا ككل ، تتحرك الجسيمات في ذراته وجزيئاته ، بالطبع ، في اتجاه ، ولكن نظرًا لأن الشحنات المعاكسة في جسم محايد تعوض بعضها البعض ، فلا يوجد نقل شحنة ، ويمكننا الحديث عن التيار لا معنى له في هذه الحالة ايضا
كيف يتم إنشاء التيار
النظر في أبسط نسخة من الإثارة الحالية المباشرة. إذا تم تطبيق مجال كهربائي على وسط حيث توجد حاملات الشحنة في الحالة العامة ، فستبدأ فيه حركة منظمة للجسيمات المشحونة. تسمى هذه الظاهرة بانجراف الشحنة.
يمكن وصفها بإيجاز على النحو التالي. في نقاط مختلفة من المجال ، ينشأ فرق جهد (جهد) ، أي أن طاقة تفاعل الشحنات الكهربائية الموجودة في هذه النقاط مع المجال ، المرتبطة بحجم هذه الشحنات ، ستكون مختلفة. نظرًا لأن أي نظام فيزيائي ، كما هو معروف ، يميل إلى الحد الأدنى من الطاقة الكامنة المقابلة لحالة التوازن ، ستبدأ الجسيمات المشحونة في التحرك نحو معادلة الإمكانات. بمعنى آخر ، يقوم الحقل ببعض الأعمال لتحريك هذه الجسيمات.
عندما تتساوى الإمكانات ، يتلاشى التوترالمجال الكهربائي - يختفي. في الوقت نفسه ، تتوقف أيضًا الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة ، التيار. من أجل الحصول على حقل ثابت ، أي مجال مستقل عن الوقت ، من الضروري استخدام مصدر حالي يتم فيه ، بسبب إطلاق الطاقة في عمليات معينة (على سبيل المثال ، الكيميائية) ، فصل الشحنات باستمرار وتغذيتها إلى أعمدة الحفاظ على وجود مجال كهربائي.
يمكن الحصول على التيار بعدة طرق. لذلك ، يؤثر التغيير في المجال المغناطيسي على الشحنات في الدائرة الموصلة التي تدخل فيه ويسبب حركتها الموجهة. يسمى هذا التيار الاستقرائي.
الخصائص الكمية الحالية
المعلمة الرئيسية التي يتم من خلالها وصف التيار كميًا هي قوة التيار (أحيانًا يقولون "القيمة" أو ببساطة "التيار"). يتم تعريفه على أنه مقدار الكهرباء (مقدار الشحنة أو عدد الرسوم الأولية) التي تمر لكل وحدة زمنية عبر سطح معين ، عادةً من خلال المقطع العرضي للموصل: I=Q / t. يقاس التيار بالأمبير: 1 A \u003d 1 C / s (كولوم في الثانية). في قسم الدائرة الكهربائية ، ترتبط القوة الحالية ارتباطًا مباشرًا بفرق الجهد وعكسًا - بمقاومة الموصل: I \u003d U / R. بالنسبة لدائرة كاملة ، يتم التعبير عن هذا الاعتماد (قانون أوم) على النحو التالي I=Ԑ / R + r ، حيث Ԑ هي القوة الدافعة الكهربائية للمصدر و r هي مقاومته الداخلية.
نسبة القوة الحالية إلى المقطع العرضي للموصل الذي تحدث من خلاله الحركة المرتبة للجسيمات المشحونة بشكل عمودي عليها تسمى كثافة التيار: j=I / S=س / ش. تحدد هذه القيمة مقدار الكهرباء التي تتدفق لكل وحدة زمنية عبر مساحة الوحدة. كلما زادت شدة المجال E والتوصيل الكهربائي للوسيط ، زادت كثافة التيار: j=σ ∙E. على عكس القوة الحالية ، هذه الكمية متجهة ولها اتجاه على طول حركة الجسيمات التي تحمل شحنة موجبة.
الاتجاه الحالي واتجاه الانجراف
في المجال الكهربي ، تقوم الأجسام التي تحمل شحنة ، تحت تأثير قوى كولوم ، بحركة منظمة إلى قطب المصدر الحالي ، في الاتجاه المعاكس في علامة الشحنة. تنجرف الجسيمات المشحونة إيجابًا نحو القطب السالب ("ناقص") ، وعلى العكس من ذلك ، تنجذب الشحنات السالبة الحرة إلى "زائد" المصدر. يمكن للجسيمات أيضًا أن تتحرك في اتجاهين متعاكسين في وقت واحد إذا كانت هناك حاملات شحن لكلتا العلامتين في وسيط التوصيل.
لأسباب تاريخية ، من المقبول عمومًا أن التيار يتم توجيهه بالطريقة التي تنتقل بها الشحنات الإيجابية - من "زائد" إلى "ناقص". لتجنب الارتباك ، يجب أن نتذكر أنه على الرغم من أنه في الحالة الأكثر شيوعًا للتيار في الموصلات المعدنية ، فإن الحركة الحقيقية للجسيمات - الإلكترونات - تحدث ، بالطبع ، في الاتجاه المعاكس ، هذه القاعدة الشرطية تنطبق دائمًا.
الانتشار الحالي وسرعة الانجراف
غالبًا ما توجد مشكلات في فهم مدى سرعة التحركات الحالية. لا ينبغي الخلط بين مفهومين مختلفين: سرعة انتشار التيار (كهربائيإشارة) وسرعة انجراف الجسيمات - ناقلات الشحنة. الأول هو السرعة التي ينتقل بها التفاعل الكهرومغناطيسي أو - وهي نفسها - ينتشر المجال. إنها قريبة (مع الأخذ بعين الاعتبار وسيط الانتشار) من سرعة الضوء في الفراغ وتبلغ قرابة 300000 كم / ثانية.
تجعل الجسيمات حركتها المنظمة ببطء شديد (10-4–10-3م / ث). تعتمد سرعة الانجراف على شدة تأثير المجال الكهربائي المطبق عليها ، ولكن في جميع الحالات تكون عدة أوامر من حيث الحجم أقل من سرعة الحركة العشوائية الحرارية للجسيمات (105–106م / ث). من المهم أن نفهم أنه تحت تأثير المجال ، يبدأ الانجراف المتزامن لجميع الشحنات المجانية ، لذلك يظهر التيار فورًا في الموصل بأكمله.
أنواع الحالي
بادئ ذي بدء ، تتميز التيارات بسلوك ناقلات الشحن بمرور الوقت.
- التيار الثابت هو تيار لا يغير حجم (قوة) أو اتجاه حركة الجسيمات. هذه أسهل طريقة لتحريك الجسيمات المشحونة وهي دائما بداية دراسة التيار الكهربائي.
- في التيار المتردد ، تتغير هذه المعلمات مع مرور الوقت. يعتمد توليدها على ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي التي تحدث في دائرة مغلقة بسبب تغيير (دوران) المجال المغناطيسي. يعكس المجال الكهربائي في هذه الحالة بشكل دوري متجه الشدة. وعليه ، تتغير إشارات الإمكانات ، وتنتقل قيمتها من "زائد" إلى "ناقص" جميع القيم الوسيطة ، بما في ذلك الصفر. نتيجة لالظاهرة ، الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة تغير اتجاهها طوال الوقت. يتقلب حجم مثل هذا التيار (عادةً جيبيًا ، أي بشكل متناسق) من الحد الأقصى إلى الحد الأدنى. يحتوي التيار المتردد على خاصية مهمة لسرعة هذه التذبذبات مثل التردد - عدد الدورات الكاملة للتغيير في الثانية.
بالإضافة إلى هذا التصنيف الأكثر أهمية ، يمكن أيضًا إجراء اختلافات بين التيارات وفقًا لمعيار مثل طبيعة حركة ناقلات الشحن فيما يتعلق بالوسط الذي ينتشر فيه التيار.
تيارات التوصيل
أشهر مثال على التيار هو الحركة المنظمة والموجهة للجسيمات المشحونة تحت تأثير مجال كهربائي داخل جسم (وسط). يطلق عليه تيار التوصيل.
في المواد الصلبة (المعادن ، الجرافيت ، العديد من المواد المعقدة) وبعض السوائل (الزئبق وغيره من المواد المنصهرة) ، الإلكترونات عبارة عن جزيئات مشحونة متحركة. الحركة المنظمة في الموصل هي انجرافها بالنسبة إلى ذرات أو جزيئات المادة. الموصلية من هذا النوع تسمى الإلكترونية. في أشباه الموصلات ، يحدث نقل الشحنة أيضًا بسبب حركة الإلكترونات ، ولكن لعدد من الأسباب من الملائم استخدام مفهوم الثقب لوصف التيار - شبه جسيم موجب ، وهو شاغر إلكتروني متحرك.
في المحاليل الإلكتروليتية ، يتم مرور التيار بسبب انتقال الأيونات السالبة والموجبة إلى أقطاب مختلفة - الأنود والكاثود ، وهما جزء من الحل.
نقل التيارات
الغاز - في ظل الظروف العادية - يمكن أن يصبح العازل أيضًا موصلًا إذا تعرض لتأين قوي بدرجة كافية. يتم خلط الموصلية الكهربائية للغاز. الغاز المتأين هو بالفعل بلازما تتحرك فيها كل من الإلكترونات والأيونات ، أي جميع الجسيمات المشحونة. حركتهم المنظمة تشكل قناة بلازما وتسمى تفريغ الغاز.
يمكن أن تحدث الحركة الموجهة للشحنات ليس فقط داخل البيئة. لنفترض أن حزمة من الإلكترونات أو الأيونات تتحرك في الفراغ ، تنبعث من قطب كهربائي موجب أو سالب. تسمى هذه الظاهرة انبعاث الإلكترون وتستخدم على نطاق واسع ، على سبيل المثال ، في أجهزة التفريغ. طبعا هذه الحركة تيار
حالة أخرى هي حركة الجسم العياني المشحون كهربائيًا. هذا أيضًا تيار ، لأن مثل هذا الموقف يفي بشرط نقل الرسوم الموجه.
يجب اعتبار جميع الأمثلة المذكورة أعلاه كحركة منظمة للجسيمات المشحونة. هذا التيار يسمى الحمل الحراري أو نقل التيار. خصائصه ، على سبيل المثال ، المغناطيسية ، تشبه تمامًا خصائص التيارات التوصيل.
الانحياز الحالي
هناك ظاهرة لا علاقة لها بنقل الشحنة وتحدث عندما يكون هناك مجال كهربائي متغير بمرور الوقت له خاصية التوصيل أو النقل "الحقيقي": إنه يثير مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا. هذا هويحدث ، على سبيل المثال ، في دوائر التيار المتناوب بين ألواح المكثفات. الظاهرة مصحوبة بانتقال للطاقة وتسمى بتيار الإزاحة
في الواقع ، تُظهر هذه القيمة مدى سرعة تغير تحريض المجال الكهربائي على سطح معين عموديًا على اتجاه متجه. يشمل مفهوم الحث الكهربائي شدة المجال ونواقل الاستقطاب. في الفراغ ، يتم أخذ التوتر فقط في الاعتبار. أما بالنسبة للعمليات الكهرومغناطيسية في المادة ، فإن استقطاب الجزيئات أو الذرات ، حيث تحدث حركة الشحنات المقيدة (غير الحرة!) عند تعرضها لمجال ما ، مما يساهم في حدوث بعض الإسهام في تيار الإزاحة في مادة عازلة أو موصل.
نشأ الاسم في القرن التاسع عشر وهو مشروط ، لأن التيار الكهربائي الحقيقي هو حركة منظمة للجسيمات المشحونة. تيار الإزاحة لا علاقة له بانجراف الشحن. لذلك ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، إنه ليس تيارًا.
مظاهر (أفعال) الحالية
الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة دائمًا ما تكون مصحوبة بظواهر فيزيائية معينة ، والتي ، في الواقع ، يمكن استخدامها للحكم على ما إذا كانت هذه العملية تحدث أم لا. من الممكن تقسيم هذه الظواهر (الأفعال الحالية) إلى ثلاث مجموعات رئيسية:
- عمل مغناطيسي. تخلق الشحنة الكهربائية المتحركة بالضرورة مجالًا مغناطيسيًا. إذا وضعت بوصلة بجوار موصل يمر من خلاله التيار ، فإن السهم سوف يتحول بشكل عمودي على اتجاه هذا التيار. بناءً على هذه الظاهرة ، تعمل الأجهزة الكهرومغناطيسية ، مما يسمح ، على سبيل المثال ، بتحويل الطاقة الكهربائيةفي الميكانيكية.
- التأثير الحراري. يعمل التيار على التغلب على مقاومة الموصل ، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة الحرارية. هذا لأنه ، أثناء الانجراف ، تتعرض الجسيمات المشحونة للتشتت على عناصر الشبكة البلورية أو جزيئات الموصل ومنحها طاقة حركية. إذا كانت شبكة المعدن ، على سبيل المثال ، منتظمة تمامًا ، فلن تلاحظها الإلكترونات عمليًا (وهذا نتيجة للطبيعة الموجية للجسيمات). ومع ذلك ، أولاً ، تخضع الذرات الموجودة في المواقع الشبكية نفسها للاهتزازات الحرارية التي تنتهك انتظامها ، وثانيًا ، تؤثر عيوب الشبكة - ذرات الشوائب ، والاضطرابات ، والشواغر - أيضًا على حركة الإلكترونات.
- لوحظ تأثير كيميائي في الإلكتروليتات. يتم فصل الأيونات ذات الشحنة المعاكسة ، والتي يتم فيها فصل المحلول الإلكتروليتي ، عند تطبيق مجال كهربائي ، إلى أقطاب كهربائية معاكسة ، مما يؤدي إلى التحلل الكيميائي للإلكتروليت.
إلا عندما تكون الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة موضوع بحث علمي ، فإنها تثير اهتمام الشخص في مظاهرها العيانية. ليس التيار في حد ذاته هو المهم بالنسبة لنا ، لكن الظواهر المذكورة أعلاه هي التي تسببها ، بسبب تحول الطاقة الكهربائية إلى أشكال أخرى.
تلعب جميع الإجراءات الحالية دورًا مزدوجًا في حياتنا. في بعض الحالات ، من الضروري حماية الأشخاص والمعدات منهم ، وفي حالات أخرى ، يكون الحصول على تأثير أو آخر ناتج عن النقل الموجه للشحنات الكهربائية مباشرًا.الغرض من مجموعة متنوعة من الأجهزة التقنية.
