Hem mikroskobik hem de makroskopik çok çeşitli fiziksel olaylar, doğaları gereği elektromanyetiktir. Bunlara sürtünme ve elastikiyet kuvvetleri, tüm kimyasal işlemler, elektrik, manyetizma, optik dahildir.
Elektromanyetik etkileşimin bu tür tezahürlerinden biri, yüklü parçacıkların düzenli hareketidir. Hayatımızın organizasyonundan uzay uçuşlarına kadar çeşitli alanlarda kullanılan hemen hemen tüm modern teknolojilerin kesinlikle gerekli bir unsurudur.
Olayın genel konsepti
Yüklü parçacıkların düzenli hareketine elektrik akımı denir. Bu tür bir yük hareketi, belirli parçacıklar, bazen yarı parçacıklar aracılığıyla farklı ortamlarda gerçekleştirilebilir.
Akım için bir ön koşultam olarak düzenli, yönlendirilmiş hareket. Yüklü parçacıklar (nötr olanlar gibi) termal kaotik harekete sahip nesnelerdir. Bununla birlikte, akım yalnızca, bu sürekli kaotik sürecin arka planına karşı, bir yönde genel bir yük hareketi olduğunda ortaya çıkar.
Bir bütün olarak elektriksel olarak nötr olan bir cisim hareket ettiğinde, atomlarındaki ve moleküllerindeki parçacıklar elbette bir yönde hareket eder, ancak nötr bir nesnedeki zıt yükler birbirini dengelediğinden, yük aktarımı olmaz, ve akımdan bahsedebiliriz bu durumda da mantıklı değil.
Akım nasıl üretilir
Doğru akım uyarmasının en basit versiyonunu düşünün. Genel durumda yük taşıyıcıların bulunduğu bir ortama bir elektrik alanı uygulanırsa, içinde yüklü parçacıkların düzenli bir hareketi başlayacaktır. Bu fenomene yük kayması denir.
Kısaca şöyle tarif edilebilir. Alanın farklı noktalarında, potansiyel bir fark (voltaj) ortaya çıkar, yani bu noktalarda bulunan elektrik yüklerinin alanla etkileşiminin enerjisi, bu yüklerin büyüklüğü ile ilgili olarak farklı olacaktır. Bilindiği gibi herhangi bir fiziksel sistem, denge durumuna karşılık gelen minimum potansiyel enerjiye eğilimli olduğundan, yüklü parçacıklar potansiyellerin eşitlenmesine doğru hareket etmeye başlayacaktır. Başka bir deyişle, alan bu parçacıkları hareket ettirmek için bazı işler yapar.
Potansiyeller eşitlendiğinde gerilim ortadan kalkarelektrik alanı - kaybolur. Aynı zamanda yüklü parçacıkların düzenli hareketi olan akım da durur. Durağan, yani zamandan bağımsız bir alan elde etmek için, belirli işlemlerde (örneğin kimyasal) enerjinin serbest bırakılması nedeniyle yüklerin sürekli olarak ayrıldığı ve beslendiği bir akım kaynağı kullanmak gerekir. kutuplar, bir elektrik alanının varlığını sürdürür.
Akım çeşitli şekillerde elde edilebilir. Böylece, manyetik alandaki bir değişiklik, içine giren iletken devredeki yükleri etkiler ve yönlendirilmiş hareketlerine neden olur. Böyle bir akıma endüktif denir.
Akımın nicel özellikleri
Akımın nicel olarak tanımlandığı ana parametre akımın gücüdür (bazen "değer" veya basitçe "akım" derler). Belirli bir yüzeyden, genellikle bir iletkenin enine kesitinden birim zamanda geçen elektrik miktarı (yük miktarı veya temel yük sayısı) olarak tanımlanır: I=Q/t. Akım amper cinsinden ölçülür: 1 A \u003d 1 C / s (saniyede coulomb). Elektrik devresi bölümünde, akım gücü doğrudan potansiyel farkla ve tersine - iletkenin direnciyle ilişkilidir: I \u003d U / R. Tam bir devre için, bu bağımlılık (Ohm yasası) I=Ԑ/R+r olarak ifade edilir, burada Ԑ kaynağın elektromotor kuvveti ve r onun iç direncidir.
Akım kuvvetinin, içinden yüklü parçacıkların düzenli hareketinin kendisine dik olarak gerçekleştiği iletkenin enine kesitine oranına akım yoğunluğu denir: j=I/S=Q/St. Bu değer, birim alandan birim zaman başına akan elektrik miktarını karakterize eder. σ ortamının alan gücü E ve elektriksel iletkenliği ne kadar yüksek olursa, akım yoğunluğu da o kadar büyük olur: j=σ∙E. Mevcut gücün aksine, bu miktar vektördür ve pozitif yük taşıyan parçacıkların hareketi boyunca bir yöne sahiptir.
Akım yönü ve sürüklenme yönü
Bir elektrik alanında, Coulomb kuvvetlerinin etkisi altında yük taşıyan nesneler, akım kaynağının kutbuna, yük işaretinin tersi yönünde düzenli bir hareket yapacaktır. Pozitif yüklü parçacıklar, negatif kutba ("eksi") doğru sürüklenir ve tersine, serbest negatif yükler kaynağın "artısına" çekilir. İletken ortamda her iki işaretin de yük taşıyıcıları varsa, parçacıklar aynı anda iki zıt yönde de hareket edebilir.
Tarihi nedenlerden dolayı, akımın pozitif yüklerin hareket etme şekline yönlendirildiği genel olarak kabul edilir - "artı"dan "eksi"ye. Karışıklığı önlemek için, metal iletkenlerdeki en bilinen akım durumunda, parçacıkların - elektronların - gerçek hareketinin elbette zıt yönde gerçekleşmesine rağmen, bu koşullu kuralın her zaman geçerli olduğu unutulmamalıdır.
Mevcut yayılma ve sürüklenme hızı
Genellikle akımın ne kadar hızlı hareket ettiğini anlamada sorunlar vardır. İki farklı kavram karıştırılmamalıdır: akımın yayılma hızı (elektriksinyal) ve parçacıkların sürüklenme hızı - yük taşıyıcıları. Birincisi, elektromanyetik etkileşimin iletildiği veya - ki aynı olan - alanın yayıldığı hızdır. (Yayılma ortamı dikkate alındığında) ışığın boşluktaki hızına yakındır ve neredeyse 300.000 km/s'dir.
Parçacıklar düzenli hareketlerini çok yavaş yaparlar (10-4–10-3 m/s). Sürüklenme hızı, uygulanan elektrik alanının onlara etki ettiği yoğunluğa bağlıdır, ancak her durumda parçacıkların termal rastgele hareketinin hızından birkaç büyüklük sırası daha düşüktür (105). –106m/sn). Alanın etkisi altında, tüm serbest yüklerin eşzamanlı kaymasının başladığını anlamak önemlidir, bu nedenle akım hemen tüm iletkende görünür.
Akım türleri
Her şeyden önce, akımlar yük taşıyıcıların zaman içindeki davranışlarıyla ayırt edilir.
- Sabit akım, partikül hareketinin büyüklüğünü (kuvvetini) veya yönünü değiştirmeyen bir akımdır. Bu, yüklü parçacıkları hareket ettirmenin en kolay yoludur ve her zaman elektrik akımı çalışmasının başlangıcıdır.
- Alternatif akımda bu parametreler zamanla değişir. Üretimi, manyetik alanın değişmesi (dönmesi) nedeniyle kapalı bir devrede meydana gelen elektromanyetik indüksiyon olgusuna dayanmaktadır. Bu durumda elektrik alanı, yoğunluk vektörünü periyodik olarak tersine çevirir. Buna göre potansiyellerin işaretleri değişir ve değerleri sıfır dahil tüm ara değerlere "artı"dan "eksi"ye geçer. Sonuç olarakfenomen, yüklü parçacıkların düzenli hareketi her zaman yön değiştirir. Böyle bir akımın büyüklüğü (genellikle sinüzoidal olarak, yani harmonik olarak) maksimumdan minimuma dalgalanır. Alternatif akım, bu salınımların hızının frekans - saniyedeki tam değişim döngüsünün sayısı gibi önemli bir özelliğine sahiptir.
Bu en önemli sınıflandırmaya ek olarak, akımın yayıldığı ortama göre yük taşıyıcıların hareketinin doğası gibi bir kritere göre de akımlar arasındaki farklar yapılabilir.
İletim akımları
Akımın en ünlü örneği, bir cisim (ortam) içindeki bir elektrik alanının etkisi altında yüklü parçacıkların düzenli, yönlendirilmiş hareketidir. İletim akımı denir.
Katılarda (metaller, grafit, birçok karmaşık malzeme) ve bazı sıvılarda (cıva ve diğer metal eriyikleri), elektronlar hareketli yüklü parçacıklardır. Bir iletkendeki düzenli bir hareket, onların bir maddenin atomlarına veya moleküllerine göre kaymasıdır. Bu tür iletkenliğe elektronik denir. Yarı iletkenlerde, elektronların hareketinden dolayı yük transferi de meydana gelir, ancak birkaç nedenden dolayı akımı tanımlamak için bir delik kavramını kullanmak uygundur - hareketli bir elektron boşluğu olan pozitif bir yarı parçacık.
Elektrolitik çözeltilerde, akımın geçişi, çözümün bir parçası olan anot ve katot olmak üzere farklı kutuplara hareket eden negatif ve pozitif iyonlar nedeniyle gerçekleştirilir.
Transfer akımları
Gaz - normal koşullar altında bir dielektrik - yeterince güçlü bir iyonizasyona maruz kaldığında iletken de olabilir. Gaz elektrik iletkenliği karıştırılır. İyonize bir gaz zaten hem elektronların hem de iyonların, yani tüm yüklü parçacıkların hareket ettiği bir plazmadır. Sıralı hareketleri bir plazma kanalı oluşturur ve buna gaz boşalması denir.
Yüklerin yönlendirilmiş hareketi sadece çevre içinde gerçekleşemez. Bir pozitif veya negatif elektrottan yayılan bir elektron veya iyon demetinin vakumda hareket ettiğini varsayalım. Bu fenomene elektron emisyonu denir ve örneğin vakum cihazlarında yaygın olarak kullanılır. Elbette bu hareket bir akımdır.
Başka bir durum, elektrik yüklü makroskobik bir cismin hareketidir. Bu aynı zamanda bir akımdır, çünkü böyle bir durum yönlendirilmiş yük transferi koşulunu karşılar.
Yukarıdaki tüm örnekler, yüklü parçacıkların düzenli bir hareketi olarak düşünülmelidir. Bu akıma konveksiyon veya transfer akımı denir. Özellikleri, örneğin manyetik, iletim akımlarının özelliklerine tamamen benzer.
Önyargı akımı
Yük aktarımı ile ilgisi olmayan ve "gerçek" iletim veya aktarım akımları özelliğine sahip zamanla değişen bir elektrik alanının olduğu yerde meydana gelen bir fenomen vardır: alternatif bir manyetik alanı uyarır. Buörneğin kapasitörlerin plakaları arasındaki alternatif akım devrelerinde meydana gelir. Bu fenomene enerji transferi eşlik eder ve buna yer değiştirme akımı denir.
Aslında bu değer, vektörünün yönüne dik belirli bir yüzeyde elektrik alan indüksiyonunun ne kadar hızlı değiştiğini gösterir. Elektriksel indüksiyon kavramı, alan kuvveti ve polarizasyon vektörlerini içerir. Vakumda sadece gerilim dikkate alınır. Maddedeki elektromanyetik süreçlere gelince, bir alana maruz kaldıklarında bağlı (serbest değil!) Yüklerin hareketinin gerçekleştiği moleküllerin veya atomların polarizasyonu, bir dielektrik veya iletkendeki yer değiştirme akımına bir miktar katkıda bulunur.
Ad 19. yüzyılda ortaya çıkmıştır ve koşulludur, çünkü gerçek bir elektrik akımı yüklü parçacıkların düzenli bir hareketidir. Yer değiştirme akımının yük kayması ile ilgisi yoktur. Bu nedenle, kesinlikle konuşmak gerekirse, bu bir akım değildir.
Mevcut tezahürleri (eylemleri)
Yüklü parçacıkların düzenli hareketine her zaman, aslında bu sürecin gerçekleşip gerçekleşmediğini yargılamak için kullanılabilen belirli fiziksel fenomenler eşlik eder. Bu tür olayları (mevcut eylemler) üç ana gruba ayırmak mümkündür:
- Manyetik hareket. Hareket eden bir elektrik yükü zorunlu olarak bir manyetik alan yaratır. İçinden akım geçen bir iletkenin yanına bir pusula yerleştirirseniz, ok bu akımın yönüne dik olarak dönecektir. Bu fenomene dayanarak, elektromanyetik cihazlar, örneğin elektrik enerjisini dönüştürmeye izin vererek çalışır.mekanik.
- Termal etki. Akım, iletkenin direncinin üstesinden gelmek için çalışır ve termal enerjinin serbest kalmasına neden olur. Bunun nedeni, sürüklenme sırasında yüklü parçacıkların kristal kafes veya iletken moleküllerin elemanları üzerinde saçılma yaşaması ve onlara kinetik enerji vermesidir. Diyelim ki bir metalin kafesi tamamen düzenli olsaydı, elektronlar pratikte bunu fark etmeyeceklerdi (bu, parçacıkların dalga doğasının bir sonucudur). Bununla birlikte, ilk olarak, kafes bölgelerindeki atomların kendileri, düzenliliğini ihlal eden termal titreşimlere maruz kalırlar ve ikinci olarak, kafes kusurları - safsızlık atomları, dislokasyonlar, boşluklar - elektronların hareketini de etkiler.
- Elektrolitlerde kimyasal etki gözlenir. Bir elektrik alanı uygulandığında, elektrolitik çözeltinin ayrıştığı zıt yüklü iyonlar, elektrolitin kimyasal ayrışmasına yol açan zıt elektrotlara ayrılır.
Yüklü parçacıkların düzenli hareketinin bilimsel araştırma konusu olması dışında, makroskopik tezahürlerinde bir kişiyi ilgilendirir. Bizim için önemli olan akımın kendisi değil, elektrik enerjisinin başka biçimlere dönüşmesi nedeniyle ortaya çıktığı, yukarıda sıralanan olaylardır.
Mevcut tüm eylemler hayatımızda ikili bir rol oynar. Bazı durumlarda, insanları ve ekipmanı onlardan korumak gerekir, bazılarında ise elektrik yüklerinin yönlendirilmiş transferinden kaynaklanan bir veya daha fazla etki elde etmek doğrudandır.çok çeşitli teknik cihazların amacı.
