Подредено движение на заредени частици: концепция и характеристики

Голям брой физични явления, както микроскопични, така и макроскопични, са електромагнитни по природа. Те включват сили на триене и еластичност, всички химични процеси, електричество, магнетизъм, оптика.

Едно такова проявление на електромагнитното взаимодействие е подредената движението на заредени частици. Той е абсолютно необходим елемент на почти всички съвременни технологии, които могат да се прилагат в различни области - от организацията на ежедневието ни до космическите пътувания.

Обща концепция на явлението

Подреденото движение на заредени частици се нарича електрически ток. Такова движение на заряди може да се извършва в различни среди с помощта на определени частици, понякога - квазичастици.

Точно подреденото, насочено движение е предпоставка за сегашния. Заредените частици са обекти, които (подобно на неутралните частици) имат хаотично топлинно движение. Ток обаче възниква само когато на фона на този непрекъснат хаотичен процес има общо движение на зарядите в определена посока.

При движението на всяко тяло, което по принцип е електрически неутрално, частиците в неговите атоми и молекули, разбира се, се движат в посока, но тъй като разнородните заряди в неутрален обект се компенсират взаимно, няма пренос на заряд и да се говори за ток в този случай също няма смисъл.

Как се генерират токове

Нека разгледаме най-простия случай на възбуждане с постоянен ток. Ако към среда, в която по принцип има носители на заряд, се приложи електрично поле, започва подредено движение на заредени частици. Това явление се нарича дрейф на заряда.

Накратко тя може да бъде описана по следния начин. В различни точки на полето възниква потенциална разлика (напрежение), т.е. енергията на взаимодействие на електрическите заряди, разположени в тези точки, с полето, свързана със стойността на тези заряди, ще бъде различна. Тъй като всяка физическа система, както знаем, се стреми към минимум на потенциалната енергия, съответстващ на равновесно състояние, заредените частици ще започнат да се движат към равновесното състояние на потенциалите. С други думи, полето извършва някаква работа, за да придвижи тези частици.

Когато потенциалите се изравнят, напрегнатостта на електрическото поле се свежда до нула - то изчезва. В същото време спира и плавният поток от заредени частици, т.е. токът. За да се получи стационарно, т.е. независещо от времето поле, е необходимо да се използва източник на ток, в който поради освобождаването на енергия при определени процеси (например химични процеси) зарядите непрекъснато се разделят и достигат до полюсите, поддържайки съществуването на електрическо поле.

Токът може да се определи количествено чрез по различни начини. Например промяната в магнитното поле влияе върху зарядите в проводяща верига, въведени в него, и ги кара да се движат в определена посока. Този ток се нарича индуциран ток.

Количествени характеристики на тока

Основният начин, по който се определя токът, е чрез неговата големина (понякога наричана "магнитуд" или просто "ток"). Тя се определя като количеството електричество (количество заряд или брой елементарни заряди), което преминава през дадена повърхност за единица време, обикновено в напречно сечение на проводника: I = Q/t. Токът се измерва в ампери: 1 A = 1 кулон в секунда. В една електрическа верига силата на тока е пряко свързана с потенциалната разлика и обратно пропорционална на съпротивлението на проводника: I = U/R. За пълна верига тази зависимост (закон на Ом) се изразява като I = Ԑ/R+r, където Ԑ е електродвижещата сила на източника, а r е вътрешното му съпротивление.

Отношението на интензитета на тока към сечението на проводник, през който заредените частици се движат перпендикулярно на него, се нарича плътност на тока: j = I/S = Q/St. Тази величина описва количеството електроенергия, което преминава за единица време през единица площ. Колкото по-голяма е напрегнатостта на полето E и проводимостта на средата σ, толкова по-голяма е плътността на тока: j = σ∙E. За разлика от тока, тази величина е векторна и има посока на движение на частиците, носещи положителен заряд.

Посоката на тока и посоката на дрейфа

В електрическо поле обектите, носещи заряд, под действието на силите на Кулон, извършват подредено движение към противоположния полюс на източника на ток. Положително заредените частици се движат към отрицателния полюс ("минус") и, обратно, свободните отрицателни заряди се привличат към "към плюса" източник. Частиците могат да се движат и в две противоположни посоки едновременно, ако в проводящата среда има носители на заряд с двата знака.

По исторически причини е прието, че токът се насочва по начина, по който се движат положителните заряди - от "плюс" к "минус". За да избегнем объркване, трябва да помним, че макар в най-познатия случай на ток в метални проводници реалното движение на частиците, електроните, да е, разбира се, в обратна посока, горното общо правило е винаги валидно.

Разпространение на тока и скорост на дрейфа

Често се срещат и проблеми с разбирането на това колко бързо се разпространява даден ток. Не трябва да се смесват две различни понятия: скорост на тока (електрически сигнал) и скорост на движение на частиците, носещи заряд. Първата е скоростта, с която се предава електромагнитното взаимодействие или - което е едно и също нещо - полето се разпространява. Тя е близка (с оглед на средата на разпространение) до скоростта на светлината във вакуум и е около 300 000 km/s.

Частиците, от друга страна, извършват нареденото си движение много бавно (10^-4-10^-3 m/s). Скоростта на дрейфа зависи от силата, с която приложеното електрическо поле въздейства върху тях, но във всички случаи тя е с няколко порядъка по-бавна от термичното случайно движение на частиците (10⁵-10⁶ m/s). Важно е да се разбере, че полето започва едновременно дрейфане на всички свободни заряди, така че в целия проводник се появява ток наведнъж.

Видове ток

Токовете се различават преди всичко по времевото поведение на носителите на заряд.

• Постоянен ток е ток, който не променя нито големината (силата), нито посоката на движение на частиците. Това е най-простият случай на дрейф на заредени частици и винаги е отправна точка за изучаване на електрическия ток.
• При променлив ток тези параметри Промяна във времето. Генерирането му се основава на явлението електромагнитна индукция, възникващо в затворена верига поради промяна (завъртане) на магнитното поле. Електрическото поле в този случай периодично обръща вектора на силата. Съответно знаците на потенциалите се променят, а големината им се променя от "плюс" към "минус" всички междинни стойности, включително нула. В резултат на това явление подреденото движение на заредените частици постоянно променя посоката си. Този ток се колебае (обикновено синусоидално, т.е. хармонично) от максимум до минимум. Променливият ток има такава важна характеристика на скоростта на тези трептения, като честотата - броят на пълните цикли на промяна за секунда.

Освен на този най-важен За да се класифицират токовете, разграничението между тях може да се направи и според такъв критерий като характера на движението на носителите на заряд спрямо средата, в която се разпространява токът.

Токове на проводимост

Най-добре познатият пример за ток е подреденият, посоката на движение на заредените носители на частици под въздействието на електрическо поле в тяло (среда). Нарича се ток на проводимост.

В твърдите тела (метали, графит, много сложни материали) и някои течности (живак и други метални стопилки) електроните са подвижни заредени частици. Подреденото движение в проводника е дрейфът им спрямо атомите или молекулите на веществото. Този вид проводимост се нарича електронна проводимост. В полупроводниците преносът на заряд също се осъществява за сметка на движението на електроните, но по някои причини е удобно да се използва терминът дупка - положителна квазичастица, представляваща пътуващ свободен електрон - за описание на тока.

В електролитните разтвори токът протича благодарение на отрицателните и положителните йони, които се движат към противоположните полюси - анода и катода.

Прехвърляне на токове

Един газ - обикновено диелектрик - може да се превърне в проводник, ако бъде подложен на достатъчно силна йонизация. Проводимостта на газовете е със смесен характер. Йонизираният газ вече е плазма, в която се движат както електрони, така и йони, т.е. всички заредени частици. Подреденото им движение образува плазмен канал и се нарича газов разряд.

Насоченият пренос на заряд може да се осъществи не само в средата. Да предположим например, че във вакуум се движи сноп електрони или йони, излъчени от положителен или отрицателен електрод. Това явление се нарича електронна емисия и се използва широко, например във вакуумни устройства. Този поток несъмнено представлява ток.

Друг случай е движението на електрично заредено макроскопично тяло. Това също е ток, тъй като подобна ситуация отговаря на условието за насочен пренос на заряд.

Всички тези примери трябва да се разглеждат като подредено движение на заредени частици. Това течение се нарича конвекционно или трансферно. Свойствата му, например магнитните, са абсолютно същите като тези на токовете на проводимост.

Ток на изместване

Съществува явление, несвързано с преноса на заряд, което възниква винаги, когато има променливо във времето електрическо поле, което има свойството на "реален" ток на провеждане или пренос: то възбужда променливо магнитно поле. Това се случва например в променливотокови вериги между обвивките на кондензаторите. Явлението е съпроводено с пренос на енергия и се нарича ток на отклонение.

По същество тази величина показва колко бързо се променя индукцията на електрическото поле върху някаква повърхност, перпендикулярна на посоката на неговия вектор. Концепцията за електрическа индукция включва вектори на напрегнатост на полето и поляризация. Във вакуум се взема предвид само силата. Що се отнася до електромагнитните процеси в материята, може да се наблюдава поляризация на молекули или атоми, при която свързани (а не свободни) магнитни частици се движат под въздействието на поле!) от заряди, допринася за тока на отклонение в диелектрика или проводника.

Наименованието е възникнало през 19. век и е произволно, тъй като действителният електрически ток е подредено движение на заредени частици. Токът на преместване няма нищо общо с дрейфа на зарядите. Затова, строго погледнато, той не е ток.

Проявлението (действието) на даден ток

Подреденото движение на заредени частици винаги се съпровожда от едни или други физични явления, които всъщност се използват, за да се прецени дали процесът протича или не. Можем да разделим тези явления (текущи действия) на три основни групи:

• Магнитен ефект. Движещ се електрически заряд задължително създава магнитно поле. Ако компасът се постави близо до проводник, по който тече ток, стрелката ще се завърти перпендикулярно на посоката на тока. Въз основа на това явление работят електромагнитни устройства, които позволяват например преобразуването на електрическа енергия в механична.
• Термично действие. Токът извършва работа по преодоляване на съпротивлението на проводника, в резултат на което се излъчва топлинна енергия. Това се дължи на факта, че при дрейфа си заредените частици изпитват разсейване върху елементите на решетката или молекулите на проводника и им отдават кинетична енергия. Ако решетката на метала, да речем, беше напълно правилна, електроните едва ли щяха да я забележат (това е следствие от вълновата природа на частиците). На първо място обаче атомите във възлите на решетката са подложени на топлинни вибрации, които нарушават нейната регулярност, и на второ място дефектите на решетката - примесни атоми, дислокации, ваканции - също влияят върху движението на електроните.
• Химическо действие наблюдавани в електролити. Диференциално заредените йони, на които е дисоцииран електролитният разтвор, при прилагане на електрическо поле се разреждат в противоположните електроди, което води до химическо разлагане на електролита.

Освен когато организираното движение на заредени частици е обект на научно изследване, то представлява интерес за човека в макроскопичните си проявления. За нас е важен не самият ток, а изброените по-горе явления, които той предизвиква чрез преобразуването на електрическата енергия в други видове енергия.

Всички действия с електричество имат двойна роля в живота ни. В някои случаи е необходимо да се предпазят хората и машините от тях, а в други - пряката цел на електричеството е да се получи някакъв ефект, предизвикан от насоченото предаване на електрическите заряди от всякакъв вид технически устройства.