מגוון עצום של תופעות פיזיקליות, הן מיקרוסקופיות והן מקרוסקופיות, הן אלקטרומגנטיות בטבען. אלה כוללים כוחות חיכוך וגמישות, כל התהליכים הכימיים, חשמל, מגנטיות, אופטיקה.
אחד מביטויים כאלה של אינטראקציה אלקטרומגנטית הוא תנועה מסודרת של חלקיקים טעונים. זהו מרכיב הכרחי לחלוטין כמעט בכל הטכנולוגיות המודרניות המשמשות בתחומים שונים - מארגון חיינו ועד לטיסות לחלל.
תפיסה כללית של התופעה
התנועה המסודרת של חלקיקים טעונים נקראת זרם חשמלי. תנועה כזו של מטענים יכולה להתבצע במדיות שונות באמצעות חלקיקים מסוימים, לפעמים כמו-חלקיקים.
תנאי מוקדם עבור הנוכחי הואתנועה סדורה ומכוונת בדיוק. חלקיקים טעונים הם עצמים (כמו גם ניטרליים) בעלי תנועה כאוטית תרמית. עם זאת, הזרם מתרחש רק כאשר, על רקע תהליך כאוטי מתמשך זה, יש תנועה כללית של מטענים בכיוון כלשהו.
כשגוף נע, נייטרלי חשמלית בכללותו, החלקיקים באטומים ובמולקולות שלו, כמובן, נעים בכיוון, אבל מכיוון שמטענים מנוגדים באובייקט ניטרלי מפצים זה את זה, אין העברת מטען, ואנחנו יכולים לדבר על הזרם לא הגיוני גם במקרה הזה.
איך הזרם נוצר
שקול את הגרסה הפשוטה ביותר של עירור זרם ישר. אם מופעל שדה חשמלי על תווך שבו נמצאים נושאי מטען במקרה הכללי, תתחיל בו תנועה מסודרת של חלקיקים טעונים. התופעה נקראת סחף מטען.
ניתן לתאר בקצרה כדלקמן. בנקודות שונות של השדה נוצר הפרש פוטנציאל (מתח), כלומר אנרגיית האינטראקציה של מטענים חשמליים הממוקמים בנקודות אלו עם השדה, הקשורה לגודל המטענים הללו, תהיה שונה. מכיוון שכל מערכת פיזיקלית, כידוע, נוטה למינימום של אנרגיה פוטנציאלית התואמת למצב שיווי המשקל, חלקיקים טעונים יתחילו לנוע לקראת השוואת פוטנציאלים. במילים אחרות, השדה עושה עבודה כדי להזיז את החלקיקים האלה.
כאשר הפוטנציאלים משתווים, המתח נעלםשדה חשמלי - הוא נעלם. במקביל, נעצרת גם התנועה המסודרת של חלקיקים טעונים, הזרם. על מנת לקבל שדה נייח, כלומר, בלתי תלוי בזמן, יש צורך להשתמש במקור זרם שבו, עקב שחרור אנרגיה בתהליכים מסוימים (לדוגמה, כימיקלים), מטענים מופרדים באופן רציף ומוזרמים ל- עמודים, שומרים על קיומו של שדה חשמלי.
Current ניתן להשיג בדרכים שונות. אז, שינוי בשדה המגנטי משפיע על המטענים במעגל המוליך המוכנס אליו וגורם לתנועה המכוונת שלהם. זרם כזה נקרא אינדוקטיבי.
מאפיינים כמותיים של נוכחי
הפרמטר העיקרי שלפיו הזרם מתואר בצורה כמותית הוא עוצמת הזרם (לפעמים אומרים "ערך" או פשוט "זרם"). הוא מוגדר ככמות החשמל (כמות המטען או מספר המטענים האלמנטריים) העוברת ביחידת זמן דרך משטח מסוים, בדרך כלל דרך חתך רוחב של מוליך: I=Q / t. הזרם נמדד באמפר: 1 A \u003d 1 C / s (קולומב לשנייה). בקטע של המעגל החשמלי, עוצמת הזרם קשורה ישירות להבדל הפוטנציאל ולהיפך - להתנגדות של המוליך: I \u003d U / R. עבור מעגל שלם, תלות זו (חוק אוהם) באה לידי ביטוי כ-I=Ԑ/R+r, כאשר Ԑ הוא הכוח האלקטרו-מוטורי של המקור ו-r הוא ההתנגדות הפנימית שלו.
היחס בין עוצמת הזרם לחתך הרוחב של המוליך שדרכו מתרחשת התנועה המסודרת של חלקיקים טעונים בניצב לו נקרא צפיפות הזרם: j=I/S=Q/St. ערך זה מאפיין את כמות החשמל שזורמת ליחידת זמן דרך יחידת שטח. ככל שעוצמת השדה E והמוליכות החשמלית של המדיום σ גבוהים יותר, כך צפיפות הזרם גדולה יותר: j=σ∙E. בניגוד לעוצמת הזרם, כמות זו היא וקטורית, ויש לה כיוון לאורך תנועת החלקיקים הנושאים מטען חיובי.
כיוון נוכחי וכיוון סחיפה
בשדה חשמלי, עצמים הנושאים מטען, בהשפעת כוחות קולומב, יבצעו תנועה מסודרת אל הקוטב של מקור הזרם, הפוך בסימן מטען. חלקיקים טעונים חיובית נסחפים לעבר הקוטב השלילי ("מינוס") ולהפך, מטענים שליליים חופשיים נמשכים ל"פלוס" של המקור. חלקיקים יכולים גם לנוע בשני כיוונים מנוגדים בבת אחת אם יש נושאי מטען של שני הסימנים בתווך המוליך.
מסיבות היסטוריות, מקובל בדרך כלל שהזרם מכוון בדרך שבה מטענים חיוביים נעים - מ"פלוס" ל"מינוס". כדי למנוע בלבול, יש לזכור שלמרות שבמקרה המוכר ביותר של זרם במוליכי מתכת, התנועה האמיתית של חלקיקים - אלקטרונים - מתרחשת, כמובן, בכיוון ההפוך, כלל מותנה זה חל תמיד
התפשטות נוכחית ומהירות סחיפה
לעתים קרובות יש בעיות בהבנה באיזו מהירות התנועה הנוכחית נעה. אין לבלבל בין שני מושגים שונים: מהירות התפשטות הזרם (חשמליאות) ומהירות הסחף של חלקיקים - נושאי מטען. הראשון הוא המהירות שבה מועברת האינטראקציה האלקטרומגנטית או - שהיא זהה - השדה מתפשט. הוא קרוב (בהתחשב במדיום ההתפשטות) למהירות האור בוואקום והוא כמעט 300,000 קמ ש.
חלקיקים עושים את התנועה המסודרת שלהם לאט מאוד (10-4–10-3 m/s). מהירות הסחיפה תלויה בעוצמה שבה פועל השדה החשמלי המופעל עליהם, אך בכל המקרים היא נחותה בכמה סדרי גודל ממהירות התנועה האקראית התרמית של חלקיקים (105 –106m/s). חשוב להבין שתחת פעולת השדה מתחילה הסחף בו-זמני של כל המטענים החופשיים, ולכן הזרם מופיע מיד בכל המוליך.
סוגי נוכחי
קודם כל, זרמים נבדלים על ידי התנהגותם של נושאי מטען לאורך זמן.
- זרם קבוע הוא זרם שאינו משנה לא את גודל (חוזק) או את כיוון תנועת החלקיקים. זוהי הדרך הקלה ביותר להזיז חלקיקים טעונים, וזו תמיד ההתחלה של חקר הזרם החשמלי.
- בזרם חילופין, הפרמטרים האלה משתנים עם הזמן. יצירתו מבוססת על תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית המתרחשת במעגל סגור עקב שינוי (סיבוב) של השדה המגנטי. השדה החשמלי במקרה זה הופך מעת לעת את וקטור העוצמה. בהתאם, סימני הפוטנציאלים משתנים, וערכם עובר מ"פלוס" ל"מינוס" כל ערכי הביניים, כולל אפס. כתוצאהתופעה, התנועה המסודרת של חלקיקים טעונים משנה כיוון כל הזמן. גודלו של זרם כזה משתנה (בדרך כלל בסינוסואיד, כלומר הרמונית) ממקסימום למינימום. לזרם חילופין יש מאפיין חשוב כל כך של מהירות התנודות הללו כמו תדר - מספר מחזורי השינוי השלמים בשנייה.
בנוסף לסיווג החשוב ביותר הזה, ניתן לעשות הבדלים בין זרמים גם לפי קריטריון כמו אופי התנועה של נושאי המטען ביחס למדיום שבו מתפשט הזרם.
זרמי הולכה
הדוגמה המפורסמת ביותר לזרם היא תנועה מסודרת ומכוונת של חלקיקים טעונים תחת פעולת שדה חשמלי בתוך גוף (בינוני). זה נקרא זרם הולכה.
במוצקים (מתכות, גרפיט, חומרים מורכבים רבים) ובנוזלים מסוימים (כספית ומתכות אחרות נמסות), אלקטרונים הם חלקיקים טעונים ניידים. תנועה מסודרת במוליך היא הסחיפה שלהם ביחס לאטומים או למולקולות של חומר. מוליכות מסוג זה נקראת אלקטרונית. במוליכים למחצה, העברת מטען מתרחשת גם עקב תנועת אלקטרונים, אך ממספר סיבות נוח להשתמש במושג חור כדי לתאר את הזרם - קוואזי-חלקיק חיובי, שהוא פנוי אלקטרונים נע.
בתמיסות אלקטרוליטיות, מעבר הזרם מתבצע עקב מעבר היונים השליליים והחיוביים לקטבים שונים - האנודה והקתודה, שהם חלק מהפתרון.
העברת זרמים
גז - בתנאים רגילים דיאלקטרי - יכול גם להפוך למוליך אם הוא נתון ליינון חזק מספיק. מוליכות חשמלית של גז מעורבת. גז מיונן הוא כבר פלזמה שבה נעים גם אלקטרונים וגם יונים, כלומר כל החלקיקים הטעונים. התנועה המסודרת שלהם יוצרת תעלת פלזמה ונקראת פריקת גז.
תנועה מכוונת של מטענים יכולה להתרחש לא רק בתוך הסביבה. נניח שקרן של אלקטרונים או יונים נעה בוואקום, הנפלטת מאלקטרודה חיובית או שלילית. תופעה זו נקראת פליטת אלקטרונים ונמצאת בשימוש נרחב, למשל, במכשירי ואקום. כמובן, התנועה הזו היא זרם.
מקרה נוסף הוא תנועה של גוף מקרוסקופי טעון חשמלי. זהו גם זרם, שכן מצב כזה עומד בתנאי של העברת חיובים מכוונת.
יש להתייחס לכל הדוגמאות לעיל כתנועה מסודרת של חלקיקים טעונים. זרם זה נקרא הסעה או זרם העברה. תכונותיו, למשל, מגנטיות, דומות לחלוטין לאלו של זרמי הולכה.
הטיה הנוכחית
יש תופעה שאין לה שום קשר להעברת מטען ומתרחשת במקום שבו יש שדה חשמלי משתנה בזמן שיש לו תכונה של הולכה או העברת זרמים "אמיתיים": הוא מעורר שדה מגנטי משתנה. זהמתרחש, למשל, במעגלי זרם חילופין בין לוחות הקבלים. התופעה מלווה בהעברת אנרגיה ונקראת זרם עקירה.
למעשה, ערך זה מראה באיזו מהירות משתנה השראת השדה החשמלי על משטח מסוים בניצב לכיוון הווקטור שלו. הרעיון של אינדוקציה חשמלית כולל את וקטורי עוצמת השדה והקיטוב. בוואקום, רק מתח נלקח בחשבון. באשר לתהליכים אלקטרומגנטיים בחומר, הקיטוב של מולקולות או אטומים, שבהם בחשיפה לשדה מתרחשת תנועה של מטענים קשורים (לא חופשיים!), תורם תרומה מסוימת לזרם העקירה בדיאלקטרי או מוליך.
מקור השם במאה ה-19 והוא מותנה, שכן זרם חשמלי אמיתי הוא תנועה מסודרת של חלקיקים טעונים. לזרם העקירה אין שום קשר לסחיפת מטען. לכן, למהדרין, זה לא זרם.
גילויים (פעולות) שלהנוכחי
תנועה מסודרת של חלקיקים טעונים תמיד מלווה בתופעות פיזיקליות מסוימות, שלמעשה ניתן להשתמש בהן כדי לשפוט אם תהליך זה מתרחש או לא. אפשר לחלק תופעות כאלה (פעולות נוכחיות) לשלוש קבוצות עיקריות:
- פעולה מגנטית. מטען חשמלי נע יוצר בהכרח שדה מגנטי. אם תציבו מצפן ליד מוליך שדרכו זורם זרם, החץ יפנה בניצב לכיוון הזרם הזה. בהתבסס על תופעה זו פועלים מכשירים אלקטרומגנטיים המאפשרים, למשל, להמיר אנרגיה חשמליתלתוך מכאני.
- אפקט תרמי. הזרם אכן פועל כדי להתגבר על ההתנגדות של המוליך, וכתוצאה מכך שחרור אנרגיה תרמית. הסיבה לכך היא שבמהלך הסחף, חלקיקים טעונים חווים פיזור על האלמנטים של סריג הגביש או מולקולות המוליכים ומעניקים להם אנרגיה קינטית. אם הסריג של, נניח, מתכת היה סדיר לחלוטין, האלקטרונים כמעט ולא היו מבחינים בו (זו תוצאה של אופי הגל של החלקיקים). עם זאת, ראשית, האטומים באתרי הסריג עצמם נתונים לרעידות תרמיות המפרות את סדירותו, ושנית, פגמי סריג - אטומי טומאה, נקעים, ריקויות - משפיעים גם על תנועת האלקטרונים.
- פעולה כימית נצפית באלקטרוליטים. יונים בעלי מטען הפוך, שלתוכם מתפרקת התמיסה האלקטרוליטית, כאשר מופעל שדה חשמלי, מופרדים לאלקטרודות מנוגדות, מה שמוביל לפירוק כימי של האלקטרוליט.
למעט כאשר התנועה המסודרת של חלקיקים טעונים היא נושא למחקר מדעי, היא מעניינת אדם בביטויים המקרוסקופיים שלה. לא הזרם עצמו חשוב לנו, אלא התופעות המפורטות לעיל, שהוא גורם, עקב הפיכת האנרגיה החשמלית לצורות אחרות.
כל הפעולות הנוכחיות ממלאות תפקיד כפול בחיינו. במקרים מסוימים, יש צורך להגן מפניהם על אנשים וציוד, במקרים אחרים, השגת השפעה כזו או אחרת הנגרמת על ידי העברה מכוונת של מטענים חשמליים היא ישירה.מטרה של מגוון רחב של מכשירים טכניים.
