Rất nhiều hiện tượng vật lý, cả vi mô và vĩ mô, đều có bản chất là điện từ. Chúng bao gồm các lực ma sát và đàn hồi, tất cả các quá trình hóa học, điện, từ tính, quang học.
Một trong những biểu hiện của tương tác điện từ là sự chuyển động có trật tự của các hạt mang điện. Nó là một yếu tố hoàn toàn cần thiết của hầu hết tất cả các công nghệ hiện đại được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau - từ tổ chức cuộc sống của chúng ta đến các chuyến bay vào vũ trụ.
Khái niệm chung về hiện tượng
Chuyển động có thứ tự của các hạt mang điện được gọi là dòng điện. Sự chuyển động của các điện tích như vậy có thể được thực hiện trong các môi trường khác nhau nhờ các hạt nhất định, đôi khi là các hạt gần như.
Điều kiện tiên quyết cho hiện tại làchuyển động có trật tự, chính xác. Các hạt mang điện là các vật (cũng như các vật trung hòa) có chuyển động hỗn loạn nhiệt. Tuy nhiên, dòng điện chỉ xảy ra khi, trên nền của quá trình hỗn loạn liên tục này, có sự chuyển động chung của các điện tích theo một hướng nào đó.
Khi một vật chuyển động, nói chung là trung hòa về điện, tất nhiên các hạt trong nguyên tử và phân tử của nó sẽ chuyển động có hướng, nhưng vì các điện tích trái dấu trong một vật trung hòa bù trừ cho nhau, nên không có sự truyền điện tích, và chúng ta có thể nói về dòng điện cũng không có ý nghĩa trong trường hợp này.
Dòng điện được tạo ra như thế nào
Hãy xem xét phiên bản đơn giản nhất của kích từ dòng điện một chiều. Nếu một điện trường được đặt vào một môi trường có các hạt mang điện trong trường hợp chung, thì chuyển động có trật tự của các hạt mang điện sẽ bắt đầu trong đó. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng trôi điện tích.
Có thể mô tả ngắn gọn như sau. Tại các điểm khác nhau của trường, một hiệu điện thế (hiệu điện thế) phát sinh, tức là năng lượng tương tác của các điện tích đặt tại các điểm này với trường, liên quan đến độ lớn của các điện tích này, sẽ khác nhau. Vì bất kỳ hệ vật chất nào, như đã biết, có xu hướng đạt mức tối thiểu của thế năng tương ứng với trạng thái cân bằng, các hạt mang điện sẽ bắt đầu chuyển động theo hướng cân bằng thế năng. Nói cách khác, trường thực hiện một số hoạt động để di chuyển các hạt này.
Khi các tiềm năng được cân bằng, sự căng thẳng sẽ biến mấtđiện trường - nó biến mất. Đồng thời, chuyển động có thứ tự của các hạt mang điện, dòng điện, cũng dừng lại. Để có được trường tĩnh, tức là trường không phụ thuộc vào thời gian, cần phải sử dụng nguồn dòng trong đó, do sự giải phóng năng lượng trong một số quá trình nhất định (ví dụ, hóa học), các điện tích liên tục được tách ra và cấp cho cực, duy trì sự tồn tại của điện trường.
Hiện tại có thể được lấy bằng nhiều cách khác nhau. Vì vậy, một sự thay đổi trong từ trường ảnh hưởng đến các điện tích trong mạch dẫn được đưa vào nó và gây ra chuyển động có hướng của chúng. Dòng điện như vậy được gọi là dòng điện cảm ứng.
Đặc điểm định lượng của dòng điện
Thông số chính mà dòng điện được mô tả định lượng là cường độ của dòng điện (đôi khi họ nói "giá trị" hoặc đơn giản là "dòng điện"). Nó được định nghĩa là lượng điện năng (lượng điện tích hoặc số điện tích cơ bản) đi qua một đơn vị thời gian qua một bề mặt nhất định, thường là qua tiết diện của một vật dẫn: I=Q / t. Dòng điện được đo bằng ampe: 1 A \u003d 1 C / s (cường độ dòng điện trên giây). Trong phần của mạch điện, cường độ dòng điện liên quan trực tiếp đến hiệu điện thế và tỷ lệ nghịch - với điện trở của vật dẫn: I \u003d U / R. Đối với một mạch điện hoàn chỉnh, sự phụ thuộc này (định luật Ôm) được biểu thị bằng I=Ԑ / R + r, trong đó Ԑ là suất điện động của nguồn và r là điện trở trong của nó.
Tỷ số giữa cường độ dòng điện trên tiết diện của vật dẫn mà qua đó chuyển động có thứ tự của các hạt mang điện theo phương vuông góc với nó được gọi là mật độ dòng điện: j=I / S=Q / St. Giá trị này đặc trưng cho lượng điện chạy trên một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích. Cường độ trường E và độ dẫn điện của môi trường σ càng cao thì mật độ dòng điện càng lớn: j=σ ∙ E. Không giống như cường độ hiện tại, đại lượng này là vectơ và có hướng dọc theo chuyển động của các hạt mang điện tích dương.
Hướng hiện tại và hướng trôi
Trong điện trường, các vật mang điện tích, dưới tác dụng của lực Coulomb, sẽ chuyển động có trật tự tới cực của nguồn dòng, ngược dấu với điện tích. Các hạt mang điện tích dương trôi về phía cực âm ("trừ") và ngược lại, các hạt mang điện âm tự do bị hút về phía "cộng" của nguồn. Các hạt cũng có thể chuyển động theo hai hướng ngược nhau cùng một lúc nếu có các hạt mang điện tích của cả hai dấu hiệu trong môi trường dẫn.
Vì lý do lịch sử, người ta thường chấp nhận rằng dòng điện là hướng di chuyển của các điện tích dương - từ "cộng" sang "trừ". Để tránh nhầm lẫn, cần nhớ rằng mặc dù trong trường hợp quen thuộc nhất về dòng điện trong dây dẫn kim loại, chuyển động thực của các hạt - electron - tất nhiên xảy ra theo hướng ngược lại, quy tắc điều kiện này luôn được áp dụng.
Tốc độ lan truyền và tốc độ trôi hiện tại
Thường có vấn đề với việc hiểu tốc độ di chuyển hiện tại. Không nên nhầm lẫn hai khái niệm khác nhau: tốc độ lan truyền của dòng điện (điệntín hiệu) và vận tốc trôi của hạt - hạt mang điện tích. Đầu tiên là tốc độ truyền tương tác điện từ hoặc - tương tự - trường lan truyền. Nó gần (có tính đến môi trường truyền) với tốc độ ánh sáng trong chân không và gần 300.000 km / s.
Các hạt làm cho chuyển động có trật tự của chúng rất chậm (10-4–10-3m / s). Vận tốc trôi phụ thuộc vào cường độ mà điện trường tác dụng lên chúng, nhưng trong mọi trường hợp, nó là một số bậc của cường độ nhỏ hơn vận tốc của chuyển động ngẫu nhiên nhiệt của các hạt (105–106m / s). Điều quan trọng cần hiểu là dưới tác dụng của trường, sự trôi đồng thời của tất cả các điện tích tự do bắt đầu, do đó dòng điện xuất hiện ngay lập tức trong toàn bộ vật dẫn.
Các loạihiện tại
Trước hết, các dòng điện được phân biệt theo hoạt động của các sóng mang điện tích theo thời gian.
- Dòng điện không đổi là dòng điện không thay đổi độ lớn (cường độ) hoặc hướng chuyển động của hạt. Đây là cách dễ nhất để di chuyển các hạt mang điện và nó luôn là bước khởi đầu của nghiên cứu về dòng điện.
- Trong dòng điện xoay chiều, các thông số này thay đổi theo thời gian. Sự phát sinh của nó dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch điện kín do sự thay đổi (quay) của từ trường. Điện trường trong trường hợp này đảo chiều tuần hoàn với vectơ cường độ. Theo đó, các dấu hiệu của điện thế thay đổi và giá trị của chúng chuyển từ "cộng" sang "trừ" tất cả các giá trị trung gian, bao gồm cả giá trị không. Kết quả làhiện tượng chuyển động có thứ tự của các hạt mang điện luôn thay đổi hướng. Độ lớn của dòng điện như vậy dao động (thường là hình sin, tức là điều hòa) từ cực đại đến cực tiểu. Dòng điện xoay chiều có một đặc tính quan trọng về tốc độ của các dao động này là tần số - số chu kỳ thay đổi hoàn toàn trong một giây.
Ngoài cách phân loại quan trọng nhất này, sự khác biệt giữa các dòng điện cũng có thể được thực hiện theo tiêu chí như bản chất của chuyển động của các hạt mang điện liên quan đến môi trường mà dòng điện truyền đi.
Dòng dẫn điện
Ví dụ nổi tiếng nhất về dòng điện là chuyển động có hướng, có trật tự của các hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường bên trong một cơ thể (môi trường). Nó được gọi là dòng điện dẫn.
Trong chất rắn (kim loại, than chì, nhiều vật liệu phức tạp) và một số chất lỏng (thủy ngân và kim loại khác nóng chảy), electron là các hạt mang điện di động. Chuyển động có trật tự trong chất dẫn điện là chuyển động của chúng so với các nguyên tử hoặc phân tử của một chất. Độ dẫn điện của loại này được gọi là điện tử. Trong chất bán dẫn, sự chuyển điện tích cũng xảy ra do sự chuyển động của các electron, nhưng vì một số lý do nên có thể sử dụng khái niệm lỗ trống để mô tả dòng điện - một quasiparticle dương, là một vùng trống electron chuyển động.
Trong dung dịch điện phân, dòng điện chạy qua do các ion âm và dương di chuyển đến các cực khác nhau - cực dương và cực âm, là một phần của dung dịch.
Dòng chuyển
Khí - ở điều kiện bình thường là chất điện môi - cũng có thể trở thành chất dẫn điện nếu bị ion hóa đủ mạnh. Tính dẫn điện của chất khí có lẫn. Một chất khí bị ion hóa đã là một plasma trong đó cả các điện tử và ion, tức là, tất cả các hạt mang điện, đều chuyển động. Chuyển động có trật tự của chúng tạo thành một kênh plasma và được gọi là sự phóng điện.
Chuyển động có hướng của các điện tích không chỉ có thể xảy ra bên trong môi trường. Giả sử một chùm electron hoặc ion đang chuyển động trong chân không, phát ra từ điện cực dương hoặc điện cực âm. Hiện tượng này được gọi là phát xạ điện tử và được sử dụng rộng rãi, ví dụ, trong các thiết bị chân không. Tất nhiên, phong trào này là một hiện tại.
Một trường hợp khác là chuyển động của một vật thể vĩ mô tích điện. Đây cũng là hiện tại, vì tình huống như vậy thỏa mãn điều kiện chuyển phí trực tiếp.
Tất cả các ví dụ trên nên được coi là chuyển động có trật tự của các hạt mang điện. Dòng điện này được gọi là dòng điện đối lưu hay dòng chuyển dời. Các tính chất của nó, ví dụ, từ tính, hoàn toàn tương tự như các đặc tính của dòng điện dẫn.
Bias hiện tại
Có một hiện tượng không liên quan gì đến sự truyền điện tích và xảy ra ở nơi có điện trường biến thiên theo thời gian có tính chất của dòng điện dẫn hoặc truyền "thực": nó kích thích từ trường xoay chiều. Đây làxảy ra, ví dụ, trong mạch dòng điện xoay chiều giữa các bản tụ điện. Hiện tượng đi kèm với sự truyền năng lượng và được gọi là dòng dịch chuyển.
Trên thực tế, giá trị này cho biết cảm ứng điện trường thay đổi nhanh như thế nào trên một bề mặt nhất định vuông góc với phương của vectơ của nó. Khái niệm cảm ứng điện bao gồm vectơ cường độ trường và vectơ phân cực. Trong chân không, chỉ tính đến lực căng. Đối với các quá trình điện từ trong vật chất, sự phân cực của các phân tử hoặc nguyên tử, trong đó, khi tiếp xúc với một trường, chuyển động của các điện tích liên kết (không tự do!) Xảy ra, góp phần nào đó vào dòng dịch chuyển trong chất điện môi hoặc chất dẫn điện.
Tên có nguồn gốc từ thế kỷ 19 và có tính điều kiện, vì dòng điện thực là chuyển động có trật tự của các hạt mang điện. Dòng dịch chuyển không liên quan gì đến sự trôi điện tích. Do đó, nói đúng ra, nó không phải là hiện tại.
Biểu hiện (hành động) củahiện tại
Chuyển động có thứ tự của các hạt mang điện luôn đi kèm với một số hiện tượng vật lý nhất định, trên thực tế, chúng có thể được sử dụng để đánh giá liệu quá trình này có diễn ra hay không. Có thể chia các hiện tượng đó (hành động hiện tại) thành ba nhóm chính:
- Hành động từ tính. Một điện tích chuyển động nhất thiết phải tạo ra một từ trường. Nếu bạn đặt la bàn bên cạnh một dây dẫn có dòng điện chạy qua, mũi tên sẽ quay vuông góc với hướng của dòng điện này. Dựa trên hiện tượng này, các thiết bị điện từ hoạt động, ví dụ, cho phép chuyển đổi năng lượng điệnthành cơ khí.
- Hiệu ứng nhiệt. Dòng điện có tác dụng thắng điện trở của vật dẫn, dẫn đến giải phóng nhiệt năng. Điều này là do, trong quá trình trôi, các hạt mang điện trải qua sự tán xạ trên các phần tử của mạng tinh thể hoặc các phân tử vật dẫn và cung cấp cho chúng động năng. Chẳng hạn, nếu mạng tinh thể của một kim loại hoàn toàn đều đặn, thì các electron thực tế sẽ không nhận thấy nó (đây là hệ quả của bản chất sóng của các hạt). Tuy nhiên, thứ nhất, bản thân các nguyên tử trong các vị trí mạng tinh thể phải chịu các dao động nhiệt vi phạm tính đều đặn của nó, và thứ hai, các khuyết tật mạng - nguyên tử tạp chất, lệch vị trí, chỗ trống - cũng ảnh hưởng đến chuyển động của các electron.
- Tác động hóa học được quan sát thấy trong chất điện phân. Các ion mang điện trái dấu, trong đó dung dịch điện phân bị phân ly, khi đặt một điện trường vào, sẽ tách ra thành các điện cực trái dấu, dẫn đến sự phân hủy hóa học của chất điện phân.
Ngoại trừ khi chuyển động có trật tự của các hạt mang điện là chủ đề của nghiên cứu khoa học, nó khiến một người quan tâm đến các biểu hiện vĩ mô của nó. Bản thân dòng điện không phải là quan trọng đối với chúng ta, mà là các hiện tượng được liệt kê ở trên, mà nó gây ra, do sự biến đổi năng lượng điện thành các dạng khác.
Tất cả các hành động hiện tại đều đóng một vai trò kép trong cuộc sống của chúng ta. Trong một số trường hợp, cần phải bảo vệ con người và thiết bị khỏi chúng, trong khi những trường hợp khác, tác động trực tiếp này gây ra bởi sự chuyển động có hướng của các điện tích.mục đích của nhiều loại thiết bị kỹ thuật.
