Микроскопиялық және макроскопиялық көптеген физикалық құбылыстар табиғаты бойынша электромагниттік болып табылады. Оларға үйкеліс пен серпімділік күштері, барлық химиялық процестер, электр тогы, магнетизм, оптика жатады.
Электромагниттік әсерлесудің осындай көріністерінің бірі зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы болып табылады. Бұл әр түрлі салаларда – біздің өмірімізді ұйымдастырудан бастап ғарыштық ұшуларға дейін қолданылатын барлық дерлік заманауи технологиялардың өте қажетті элементі.
Құбылыстың жалпы түсінігі
Зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы электр тогы деп аталады. Зарядтардың мұндай қозғалысы белгілі бір бөлшектердің, кейде квазибөлшектердің көмегімен әртүрлі орталарда жүзеге асырылуы мүмкін.
Токтың алғы шарты болып табыладынақты реттелген, бағытталған қозғалыс. Зарядталған бөлшектер деп (бейтараптар сияқты) термиялық хаотикалық қозғалысы бар объектілерді айтады. Дегенмен, ток осы үздіксіз хаотикалық процестің аясында зарядтардың қандай да бір бағытта жалпы қозғалысы болған кезде ғана пайда болады.
Дене тұтастай электрлік бейтарап қозғалғанда, оның атомдары мен молекулаларындағы бөлшектер, әрине, бір бағытта қозғалады, бірақ бейтарап объектідегі қарама-қарсы зарядтар бір-бірін өтейтіндіктен, зарядтың тасымалдануы болмайды, және бұл жағдайда да токтың мағынасы жоқ екендігі туралы айтуға болады.
Ток қалай жасалады
Тұрақты ток қоздырудың ең қарапайым нұсқасын қарастырайық. Егер жалпы жағдайда заряд тасымалдаушылары бар ортаға электр өрісі қолданылса, онда зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы басталады. Бұл құбылыс зарядтың дрейфі деп аталады.
Оны қысқаша былай сипаттауға болады. Өрістің әртүрлі нүктелерінде потенциалдар айырымы (кернеу) пайда болады, яғни осы нүктелерде орналасқан электр зарядтарының өріспен әрекеттесу энергиясы осы зарядтардың шамасына байланысты әр түрлі болады. Кез келген физикалық жүйе, белгілі болғандай, тепе-теңдік күйіне сәйкес келетін потенциалдық энергияның минимумына ұмтылатындықтан, зарядталған бөлшектер потенциалдарды теңестіруге қарай жылжи бастайды. Басқаша айтқанда, өріс бұл бөлшектерді жылжыту үшін біраз жұмыс жасайды.
Потенциалдар теңестірілгенде, кернеу жоғаладыэлектр өрісі - ол жоғалады. Сонымен қатар зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы, ток та тоқтайды. Қозғалмайтын, яғни уақытқа тәуелсіз өрісті алу үшін белгілі бір процестерде (мысалы, химиялық) энергияның бөлінуіне байланысты зарядтар үзіліссіз бөлініп, электр энергиясына берілетін ток көзін пайдалану қажет. полюстер, электр өрісінің болуын сақтайды.
Токты әртүрлі жолдармен алуға болады. Сонымен, магнит өрісінің өзгеруі оған енгізілген өткізгіш контурдағы зарядтарға әсер етіп, олардың бағытталған қозғалысын тудырады. Мұндай ток индуктивті деп аталады.
Токтың сандық сипаттамалары
Токты сандық сипаттайтын негізгі параметр – ток күші (кейде олар «мән» немесе жай «ток» дейді). Ол белгілі бір бет арқылы, әдетте өткізгіштің көлденең қимасы арқылы уақыт бірлігінде өтетін электр энергиясының мөлшері (заряд мөлшері немесе элементар зарядтардың саны) ретінде анықталады: I=Q / t. Ток ампермен өлшенеді: 1 A \u003d 1 C / с (секундына кулон). Электр тізбегінің бөлімінде ток күші потенциалдар айырмашылығына тікелей байланысты және керісінше - өткізгіштің кедергісіне: I \u003d U / R. Толық тізбек үшін бұл тәуелділік (Ом заңы) I=Ԑ/R+r түрінде өрнектеледі, мұндағы Ԑ – көздің электр қозғаушы күші және r – оның ішкі кедергісі.
Ток күшінің оған перпендикуляр болатын зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы өтетін өткізгіштің көлденең қимасына қатынасы токтың тығыздығы деп аталады: j=I/S=Q/St. Бұл мән бірлік аудан арқылы уақыт бірлігінде өтетін электр энергиясының мөлшерін сипаттайды. Өрістің кернеулігі Е және ортаның электр өткізгіштігі σ жоғары болған сайын, токтың тығыздығы соғұрлым жоғары болады: j=σ∙E. Ағымдағы күштен айырмашылығы, бұл шама вектор болып табылады және оң зарядты тасымалдайтын бөлшектердің қозғалысы бойымен бағыты бар.
Ағымдағы бағыт және жылжу бағыты
Электр өрісінде кулондық күштердің әсерінен заряды бар заттар заряд белгісіне қарама-қарсы ток көзінің полюсіне реттелген қозғалыс жасайды. Оң зарядталған бөлшектер теріс полюске («минус») қарай ауытқиды және керісінше бос теріс зарядтар көздің «плюсіне» тартылады. Өткізгіш ортада екі таңбаның заряд тасымалдаушылары болса, бөлшектер де бірден екі қарама-қарсы бағытта қозғала алады.
Тарихи себептерге байланысты токтың оң зарядтардың қозғалу жолына - «плюс» -тен «минусқа» қарай бағытталатыны жалпы қабылданған. Шатастыруды болдырмау үшін, металл өткізгіштердегі токтың ең таныс жағдайында бөлшектердің - электрондардың нақты қозғалысы болғанымен, әрине, қарама-қарсы бағытта болатынын есте ұстаған жөн, бұл шартты ереже әрқашан қолданылады.
Ағымдағы таралу және дрейф жылдамдығы
Токтың қаншалықты жылдам қозғалатынын түсінуде жиі қиындықтар туындайды. Екі түрлі ұғымды шатастырмау керек: токтың таралу жылдамдығы (электрсигнал) және бөлшектердің қозғалу жылдамдығы - заряд тасымалдаушылар. Біріншісі - электромагниттік әсерлесудің берілу жылдамдығы немесе - ол бірдей - өрістің таралу жылдамдығы. Ол вакуумдағы жарық жылдамдығына жақын (таралу ортасын ескере отырып) және шамамен 300 000 км/с.
Бөлшектер реттелген қозғалысын өте баяу жасайды (10-4–10-3 м/с). Дрейф жылдамдығы оларға қолданылатын электр өрісінің әсер ету қарқындылығына байланысты, бірақ барлық жағдайларда ол бөлшектердің жылулық кездейсоқ қозғалысының жылдамдығынан бірнеше рет төмен болады (105 –106м/с). Өрістің әсерінен барлық бос зарядтардың бір мезгілде дрейфі басталатынын түсіну маңызды, сондықтан ток бірден бүкіл өткізгіште пайда болады.
Ток түрлері
Біріншіден, токтар заряд тасымалдаушылардың уақыт бойынша әрекетімен ерекшеленеді.
- Тұрақты ток - бұл бөлшектер қозғалысының шамасын (күшін) де, бағытын да өзгертпейтін ток. Бұл зарядталған бөлшектерді жылжытудың ең оңай жолы және бұл әрқашан электр тогын зерттеудің бастамасы.
- Айнымалы токта бұл параметрлер уақыт бойынша өзгереді. Оның генерациясы магнит өрісінің өзгеруіне (айналуына) байланысты тұйық контурда пайда болатын электромагниттік индукция құбылысына негізделген. Бұл жағдайда электр өрісі қарқындылық векторын периодты түрде өзгертеді. Сәйкесінше потенциалдардың белгілері өзгереді және олардың мәні «плюс» «минусқа» барлық аралық мәндерге, соның ішінде нөлге де өтеді. Болғандықтанқұбылыс, зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы барлық уақытта бағытын өзгертеді. Мұндай токтың шамасы (әдетте синусоидалы, яғни гармоникалық) максимумнан минимумға дейін ауытқиды. Айнымалы ток осы тербелістердің жылдамдығының жиілік сияқты маңызды сипаттамасына ие - секундына толық өзгеру циклдерінің саны.
Бұл ең маңызды классификациядан басқа токтар арасындағы айырмашылықтар ток таралатын ортаға қатысты заряд тасымалдаушылардың қозғалысының сипаты сияқты критерий бойынша да жасалуы мүмкін.
Өткізгіш токтар
Токтың ең танымал мысалы - дененің (орташа) ішіндегі электр өрісінің әсерінен зарядталған бөлшектердің реттелген, бағытталған қозғалысы. Ол өткізгіштік ток деп аталады.
Қатты денелерде (металдар, графит, көптеген күрделі материалдар) және кейбір сұйықтықтарда (сынап және басқа металл балқымалар) электрондар қозғалмалы зарядталған бөлшектер болып табылады. Өткізгіштегі реттелген қозғалыс дегеніміз олардың заттың атомдарына немесе молекулаларына қатысты жылжуы. Мұндай өткізгіштік электронды деп аталады. Жартылай өткізгіштерде зарядтың ауысуы электрондардың қозғалысы есебінен де жүреді, бірақ бірқатар себептерге байланысты токты сипаттау үшін саңылау түсінігін пайдалану ыңғайлы - оң квазибөлшек, ол қозғалатын электронның бос орны.
Электролиттік ерітінділерде токтың өтуі ерітінді құрамына кіретін теріс және оң иондардың әртүрлі полюстерге – анод пен катодқа жылжуы есебінен жүзеге асады.
Тасымалдау токтары
Газ - қалыпты жағдайда диэлектрик - жеткілікті күшті иондануға ұшыраса, өткізгішке де айналуы мүмкін. Газдың электр өткізгіштігі аралас. Иондалған газ қазірдің өзінде электрондар да, иондар да, яғни барлық зарядталған бөлшектер қозғалатын плазма. Олардың реттелген қозғалысы плазмалық арнаны құрайды және газ разряды деп аталады.
Зарядтардың бағытталған қозғалысы тек қоршаған ортада ғана емес болуы мүмкін. Оң немесе теріс электродтан шығарылатын электрондар немесе иондар шоғы вакуумда қозғалады делік. Бұл құбылыс электронды эмиссия деп аталады және, мысалы, вакуумдық құрылғыларда кеңінен қолданылады. Әрине, бұл қозғалыс ағым.
Тағы бір жағдай – электр заряды бар макроскопиялық дененің қозғалысы. Бұл да ток, өйткені мұндай жағдай бағытталған зарядты аудару шартын қанағаттандырады.
Жоғарыда келтірілген мысалдардың барлығын зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы ретінде қарастыру керек. Бұл ток конвекция немесе тасымалдау тогы деп аталады. Оның қасиеттері, мысалы, магниттік, өткізгіштік токтардың қасиеттеріне толығымен ұқсас.
Ағымдағы ауытқу
Зарядтың тасымалдануына еш қатысы жоқ және «нақты» өткізгіштік немесе тасымалдау токтары қасиетіне ие, уақыт бойынша өзгеретін электр өрісі бар жерде пайда болатын құбылыс бар: ол айнымалы магнит өрісін қоздырады. Бұлмысалы, конденсаторлардың пластиналарының арасындағы айнымалы ток тізбектерінде орын алады. Бұл құбылыс энергияның берілуімен бірге жүреді және орын ауыстыру тогы деп аталады.
Шын мәнінде бұл мән электр өрісінің индукциясы оның векторының бағытына перпендикуляр белгілі бір бетінде қаншалықты жылдам өзгеретінін көрсетеді. Электрлік индукция түсінігі өріс кернеулігін және поляризация векторларын қамтиды. Вакуумда тек шиеленіс есепке алынады. Заттағы электромагниттік процестерге келетін болсақ, өріс әсер еткенде байланысқан (еркін емес!) зарядтардың қозғалысы орын алатын молекулалардың немесе атомдардың поляризациясы диэлектриктегі немесе өткізгіштегі орын ауыстыру тоғына белгілі бір үлес қосады.
Бұл атау 19 ғасырда пайда болды және шартты, өйткені нақты электр тогы зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы болып табылады. Ауыстыру тогы зарядтардың дрейфіне ешқандай қатысы жоқ. Сондықтан, нақты айтқанда, бұл ток емес.
Ағымдағы көріністер (әрекеттер)
Зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы әрқашан белгілі бір физикалық құбылыстармен бірге жүреді, олар шын мәнінде бұл процестің жүріп жатқанын немесе жоқтығын анықтауға болады. Мұндай құбылыстарды (ағымдағы әрекеттерді) үш негізгі топқа бөлуге болады:
- Магниттік әрекет. Қозғалыстағы электр заряды міндетті түрде магнит өрісін тудырады. Егер сіз циркульді ток өтетін өткізгіштің жанына қойсаңыз, көрсеткі осы ток бағытына перпендикуляр болады. Осы құбылыстың негізінде, мысалы, электр энергиясын түрлендіруге мүмкіндік беретін электромагниттік құрылғылар жұмыс істейді.механикалық.
- Жылу эффектісі. Ток өткізгіштің кедергісін жеңу үшін жұмыс істейді, нәтижесінде жылу энергиясы бөлінеді. Себебі дрейф кезінде зарядталған бөлшектер кристалдық тордың элементтеріне немесе өткізгіш молекулаларға шашырауды сезінеді және оларға кинетикалық энергия береді. Егер, айталық, металдың торы мінсіз дұрыс болса, электрондар оны іс жүзінде байқамайды (бұл бөлшектердің толқындық табиғатының салдары). Бірақ, біріншіден, тор учаскелеріндегі атомдардың өзі оның заңдылығын бұзатын термиялық тербелістерге ұшырайды, екіншіден, тор ақаулары – қоспа атомдары, дислокациялар, бос орындар электрондардың қозғалысына да әсер етеді.
- Химиялық әрекет электролиттерде байқалады. Электр өрісі әсер еткенде электролиттік ерітінді диссоциацияланатын қарама-қарсы зарядталған иондар қарама-қарсы электродтарға бөлінеді, бұл электролиттің химиялық ыдырауына әкеледі.
Зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы ғылыми зерттеу нысаны болғаннан басқа, ол адамды өзінің макроскопиялық көріністерімен қызықтырады. Біз үшін токтың өзі емес, электр энергиясының басқа түрлерге айналуынан туындайтын жоғарыда аталған құбылыстар маңызды.
Ағымдағы барлық әрекеттер біздің өмірімізде екі жақты рөл атқарады. Кейбір жағдайларда адамдар мен жабдықтарды олардан қорғау қажет, басқаларында электр зарядтарының бағытталған берілуінен туындаған сол немесе басқа әсерді алу тікелей.алуан түрлі техникалық құрылғылардың мақсаты.
