Eine Vielzahl von physikalischen Phänomenen, sowohl mikroskopisch als auch makroskopisch, sind elektromagnetischer Natur. Dazu gehören Reibungs- und Elastizitätskräfte, alle chemischen Prozesse, Elektrizität, Magnetismus, Optik.
Eine dieser Manifestationen der elektromagnetischen Wechselwirkung ist die geordnete Bewegung geladener Teilchen. Es ist ein absolut notwendiges Element fast aller modernen Technologien, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden - von der Organisation unseres Lebens bis hin zu Weltraumflügen.
Allgemeiner Begriff des Phänomens
Die geordnete Bewegung geladener Teilchen nennt man elektrischen Strom. Eine solche Ladungsbewegung kann in verschiedenen Medien durch bestimmte Teilchen, manchmal Quasi-Teilchen, durchgeführt werden.
Eine Voraussetzung für den Strom istexakt geordnete, gerichtete Bewegung. Geladene Teilchen sind Objekte, die (wie auch neutrale) eine thermisch chaotische Bewegung haben. Der Strom tritt jedoch nur dann auf, wenn vor dem Hintergrund dieses kontinuierlichen chaotischen Prozesses eine allgemeine Ladungsbewegung in eine Richtung stattfindet.
Wenn sich ein Körper bewegt, der als Ganzes elektrisch neutral ist, bewegen sich die Teilchen in seinen Atomen und Molekülen natürlich in eine Richtung, aber da sich entgegengesetzte Ladungen in einem neutralen Objekt gegenseitig kompensieren, gibt es keinen Ladungstransfer, und wir über den Strom sprechen können, macht in diesem Fall auch keinen Sinn.
Wie der Strom erzeugt wird
Betrachten Sie die einfachste Version der Gleichstromerregung. Wird ein elektrisches Feld an ein Medium angelegt, in dem im allgemeinen Ladungsträger vorhanden sind, beginnt darin eine geordnete Bewegung geladener Teilchen. Das Phänomen wird Ladungsdrift genannt.
Es kann kurz wie folgt beschrieben werden. An verschiedenen Punkten des Feldes entsteht eine Potentialdifferenz (Spannung), dh die Wechselwirkungsenergie der an diesen Punkten befindlichen elektrischen Ladungen mit dem Feld, bezogen auf die Größe dieser Ladungen, ist unterschiedlich. Da bekanntlich jedes physikalische System zu einem Minimum an potentieller Energie tendiert, das dem Gleichgewichtszustand entspricht, beginnen sich geladene Teilchen in Richtung Potentialausgleich zu bewegen. Mit anderen Worten, das Feld leistet einige Arbeit, um diese Partikel zu bewegen.
Wenn die Potentiale ausgeglichen sind, verschwindet die Spannungelektrisches Feld - es verschwindet. Gleichzeitig stoppt auch die geordnete Bewegung geladener Teilchen, der Strom. Um ein stationäres, also zeitunabhängiges Feld zu erh alten, ist es notwendig, eine Stromquelle zu verwenden, in der durch die Energiefreisetzung bei bestimmten Prozessen (z. B. Chemie) ständig Ladungen getrennt und dem Strom zugeführt werden Pole, die die Existenz eines elektrischen Feldes aufrechterh alten.
Strom kann auf verschiedene Arten bezogen werden. Eine Änderung des Magnetfelds beeinflusst also die Ladungen im darin eingeführten leitenden Kreis und verursacht ihre gerichtete Bewegung. Einen solchen Strom nennt man induktiv.
Quantitative Merkmale des Stroms
Der Hauptparameter, durch den der Strom quantitativ beschrieben wird, ist die Stärke des Stroms (manchmal sagt man auch „Wert“oder einfach „Strom“). Sie ist definiert als die Elektrizitätsmenge (Ladungsmenge oder Anzahl der Elementarladungen), die pro Zeiteinheit durch eine bestimmte Oberfläche, meist durch den Querschnitt eines Leiters, fließt: I=Q / t. Der Strom wird in Ampere gemessen: 1 A \u003d 1 C / s (Coulomb pro Sekunde). Im Abschnitt des Stromkreises steht die Stromstärke in direktem Zusammenhang mit der Potentialdifferenz und umgekehrt - mit dem Widerstand des Leiters: I \u003d U / R. Für einen vollständigen Stromkreis wird diese Abhängigkeit (Ohmsches Gesetz) ausgedrückt als I=D/R+r, wobei D die elektromotorische Kraft der Quelle und r ihr Innenwiderstand ist.
Das Verhältnis der Stromstärke zum Querschnitt des Leiters, durch den senkrecht dazu die geordnete Bewegung geladener Teilchen erfolgt, heißt Stromdichte: j=I/S=Q/St. Dieser Wert charakterisiert die Strommenge, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit fließt. Je höher die Feldstärke E und die elektrische Leitfähigkeit des Mediums σ, desto größer die Stromdichte: j=σ∙E. Im Gegensatz zur Stromstärke ist diese Größe ein Vektor und hat eine Richtung entlang der Bewegung von Partikeln, die eine positive Ladung tragen.
Aktuelle Richtung und Driftrichtung
In einem elektrischen Feld werden Objekte, die eine Ladung tragen, unter dem Einfluss von Coulomb-Kräften eine geordnete Bewegung zum Pol der Stromquelle machen, mit entgegengesetztem Ladungszeichen. Positiv geladene Teilchen driften zum Minuspol („Minus“) und umgekehrt werden freie negative Ladungen zum „Plus“der Quelle gezogen. Teilchen können sich auch in zwei entgegengesetzte Richtungen gleichzeitig bewegen, wenn Ladungsträger beider Vorzeichen im leitenden Medium vorhanden sind.
Aus historischen Gründen ist es allgemein anerkannt, dass der Strom so geleitet wird, wie sich positive Ladungen bewegen - von "Plus" nach "Minus". Um Verwirrung zu vermeiden, sollte daran erinnert werden, dass, obwohl im bekanntesten Fall von Strom in metallischen Leitern die eigentliche Bewegung von Teilchen – Elektronen – natürlich in die entgegengesetzte Richtung erfolgt, diese Bedingungsregel immer gilt.
Stromausbreitung und Driftgeschwindigkeit
Oft gibt es Probleme damit, zu verstehen, wie schnell sich der Strom bewegt. Zwei verschiedene Konzepte sollten nicht verwechselt werden: die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Stroms (elektrischSignal) und die Driftgeschwindigkeit von Teilchen - Ladungsträgern. Die erste ist die Geschwindigkeit, mit der die elektromagnetische Wechselwirkung übertragen wird oder – was dasselbe ist – das Feld sich ausbreitet. Sie ist (unter Berücksichtigung des Ausbreitungsmediums) nahe der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und beträgt fast 300.000 km/s.
Partikel bewegen sich sehr langsam (10-4–10-3 m/s). Die Driftgeschwindigkeit hängt von der Intensität ab, mit der das angelegte elektrische Feld auf sie einwirkt, ist aber in allen Fällen um mehrere Größenordnungen geringer als die Geschwindigkeit der thermischen Zufallsbewegung von Teilchen (105 –106m/s). Es ist wichtig zu verstehen, dass unter der Einwirkung des Feldes die gleichzeitige Drift aller freien Ladungen beginnt, sodass der Strom sofort im gesamten Leiter erscheint.
Stromarten
Ströme unterscheiden sich zunächst einmal durch das zeitliche Verh alten von Ladungsträgern.
- Ein konstanter Strom ist ein Strom, der weder die Größe (Stärke) noch die Richtung der Partikelbewegung ändert. Dies ist der einfachste Weg, geladene Teilchen zu bewegen, und es ist immer der Beginn des Studiums des elektrischen Stroms.
- Bei Wechselstrom ändern sich diese Parameter mit der Zeit. Seine Erzeugung basiert auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion, die in einem geschlossenen Stromkreis aufgrund einer Änderung (Rotation) des Magnetfelds auftritt. Das elektrische Feld kehrt dabei den Intensitätsvektor periodisch um. Dementsprechend ändern sich die Vorzeichen der Potentiale, und ihr Wert geht von "Plus" auf "Minus" aller Zwischenwerte einschließlich Null über. InfolgePhänomen ändert die geordnete Bewegung geladener Teilchen ständig die Richtung. Die Größe eines solchen Stroms schwankt (normalerweise sinusförmig, dh harmonisch) von einem Maximum zu einem Minimum. Wechselstrom hat ein so wichtiges Merkmal für die Geschwindigkeit dieser Schwingungen wie die Frequenz - die Anzahl der vollständigen Änderungszyklen pro Sekunde.
Zusätzlich zu dieser wichtigsten Klassifizierung können Unterschiede zwischen Strömen auch nach Kriterien wie der Art der Bewegung von Ladungsträgern in Bezug auf das Medium, in dem sich der Strom ausbreitet, vorgenommen werden.
Leitungsströme
Das bekannteste Beispiel für einen Strom ist die geordnete, gerichtete Bewegung geladener Teilchen unter der Wirkung eines elektrischen Feldes innerhalb eines Körpers (Medium). Er wird Leitungsstrom genannt.
In Festkörpern (Metalle, Graphit, viele komplexe Materialien) und einigen Flüssigkeiten (Quecksilber und andere Metallschmelzen) sind Elektronen bewegliche geladene Teilchen. Eine geordnete Bewegung in einem Leiter ist ihre Drift relativ zu den Atomen oder Molekülen einer Substanz. Eine solche Leitfähigkeit wird als elektronisch bezeichnet. In Halbleitern tritt Ladungstransfer auch aufgrund der Bewegung von Elektronen auf, aber aus einer Reihe von Gründen ist es zweckmäßig, den Begriff eines Lochs zu verwenden, um den Strom zu beschreiben - ein positives Quasiteilchen, das eine sich bewegende Elektronenleerstelle ist.
In Elektrolytlösungen erfolgt der Stromdurchgang dadurch, dass sich negative und positive Ionen zu unterschiedlichen Polen bewegen - Anode und Kathode, die Teil der Lösung sind.
Übertragungsströme
Gas - unter normalen Bedingungen ein Dielektrikum - kann auch zu einem Leiter werden, wenn es einer ausreichend starken Ionisation ausgesetzt wird. Die elektrische Leitfähigkeit des Gases ist gemischt. Ein ionisiertes Gas ist bereits ein Plasma, in dem sich sowohl Elektronen als auch Ionen, also alle geladenen Teilchen, bewegen. Ihre geordnete Bewegung bildet einen Plasmakanal und wird als Gasentladung bezeichnet.
Gerichtete Ladungsbewegungen können nicht nur innerhalb der Umwelt stattfinden. Angenommen, ein Elektronen- oder Ionenstrahl bewegt sich im Vakuum und wird von einer positiven oder negativen Elektrode emittiert. Dieses Phänomen wird als Elektronenemission bezeichnet und wird beispielsweise in Vakuumgeräten weit verbreitet verwendet. Natürlich ist diese Bewegung eine Strömung.
Ein anderer Fall ist die Bewegung eines elektrisch geladenen makroskopischen Körpers. Auch dies ist ein Strom, da eine solche Situation die Bedingung der gerichteten Ladungsübertragung erfüllt.
Alle obigen Beispiele sollten als geordnete Bewegung geladener Teilchen betrachtet werden. Dieser Strom wird als Konvektions- oder Transferstrom bezeichnet. Seine Eigenschaften, zum Beispiel magnetische, sind denen von Leitungsströmen völlig ähnlich.
Biasstrom
Es gibt ein Phänomen, das nichts mit Ladungstransfer zu tun hat und dort auftritt, wo ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld vorhanden ist, das die Eigenschaft "echter" Leitungs- oder Übertragungsströme hat: Es erregt ein magnetisches Wechselfeld. Dastritt beispielsweise in Wechselstromkreisen zwischen den Platten von Kondensatoren auf. Das Phänomen geht mit einer Energieübertragung einher und wird Verschiebungsstrom genannt.
Tatsächlich zeigt dieser Wert, wie schnell sich die elektrische Feldinduktion auf einer bestimmten Oberfläche senkrecht zur Richtung ihres Vektors ändert. Das Konzept der elektrischen Induktion umfasst die Feldstärke und die Polarisationsvektoren. Im Vakuum wird nur Spannung berücksichtigt. Wie bei elektromagnetischen Vorgängen in Materie trägt die Polarisation von Molekülen oder Atomen, in denen, wenn sie einem Feld ausgesetzt werden, die Bewegung gebundener (nicht freier!) Ladungen stattfindet, einen gewissen Beitrag zum Verschiebungsstrom in einem Dielektrikum oder Leiter bei.
Der Name stammt aus dem 19. Jahrhundert und ist bedingt, da ein echter elektrischer Strom eine geordnete Bewegung geladener Teilchen ist. Verschiebungsstrom hat nichts mit Ladungsdrift zu tun. Daher ist es streng genommen kein Strom.
Manifestationen (Aktionen) des Stroms
Die geordnete Bewegung geladener Teilchen wird immer von bestimmten physikalischen Phänomenen begleitet, anhand derer beurteilt werden kann, ob dieser Prozess stattfindet oder nicht. Es ist möglich, solche Phänomene (aktuelle Aktionen) in drei Hauptgruppen zu unterteilen:
- Magnetische Wirkung. Eine bewegte elektrische Ladung erzeugt zwangsläufig ein Magnetfeld. Wenn Sie einen Kompass neben einen Leiter legen, durch den Strom fließt, dreht sich der Pfeil senkrecht zur Richtung dieses Stroms. Basierend auf diesem Phänomen arbeiten elektromagnetische Geräte, die es beispielsweise ermöglichen, elektrische Energie umzuwandelnin mechanisch.
- Thermischer Effekt. Der Strom arbeitet, um den Widerstand des Leiters zu überwinden, was zur Freisetzung von Wärmeenergie führt. Denn während der Drift erfahren geladene Teilchen eine Streuung an den Elementen des Kristallgitters oder Leitermolekülen und verleihen ihnen kinetische Energie. Wäre das Gitter beispielsweise eines Metalls vollkommen regelmäßig, würden die Elektronen es praktisch nicht bemerken (das ist eine Folge der Wellennatur der Teilchen). Aber erstens unterliegen die Atome in den Gitterplätzen selbst thermischen Schwingungen, die ihre Regelmäßigkeit verletzen, und zweitens beeinflussen auch Gitterfehler – Fremdatome, Versetzungen, Leerstellen – die Bewegung der Elektronen.
- In Elektrolyten wird eine chemische Wirkung beobachtet. Entgegengesetzt geladene Ionen, in die die Elektrolytlösung dissoziiert, werden beim Anlegen eines elektrischen Feldes an gegenüberliegenden Elektroden getrennt, was zu einer chemischen Zersetzung des Elektrolyten führt.
Außer wenn die geordnete Bewegung geladener Teilchen Gegenstand wissenschaftlicher Forschung ist, interessiert sie eine Person für ihre makroskopischen Manifestationen. Für uns ist nicht der Strom selbst wichtig, sondern die oben aufgeführten Phänomene, die er durch die Umwandlung elektrischer Energie in andere Formen verursacht.
Alle aktuellen Handlungen spielen in unserem Leben eine doppelte Rolle. In einigen Fällen ist es notwendig, Personen und Geräte vor ihnen zu schützen, in anderen Fällen ist es direkt, den einen oder anderen Effekt zu erzielen, der durch die gerichtete Übertragung elektrischer Ladungen verursacht wird. Zweck verschiedenster technischer Geräte.
