Ֆիզիկական երևույթների հսկայական բազմազանությունը, ինչպես մանրադիտակային, այնպես էլ մակրոսկոպիկ, ունեն էլեկտրամագնիսական բնույթ: Դրանք ներառում են շփման և առաձգականության ուժերը, բոլոր քիմիական գործընթացները, էլեկտրականությունը, մագնիսականությունը, օպտիկան:
Էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության նման դրսևորումներից է լիցքավորված մասնիկների պատվիրված շարժումը։ Դա բացարձակապես անհրաժեշտ տարր է գրեթե բոլոր ժամանակակից տեխնոլոգիաների, որոնք օգտագործվում են տարբեր ոլորտներում՝ սկսած մեր կյանքի կազմակերպումից մինչև տիեզերական թռիչքներ։
Երևույթի ընդհանուր հայեցակարգ
Լիցքավորված մասնիկների կարգավորված շարժումը կոչվում է էլեկտրական հոսանք: Լիցքերի նման շարժումը կարող է իրականացվել տարբեր միջավայրերում որոշակի մասնիկների, երբեմն՝ քվազիմասնիկների միջոցով։
Հոսանքի համար նախապայման էճշգրիտ կանոնակարգված, ուղղորդված շարժում։ Լիցքավորված մասնիկները այն առարկաներն են, որոնք (ինչպես նաև չեզոքները) ունեն ջերմային քաոսային շարժում։ Այնուամենայնիվ, հոսանքն առաջանում է միայն այն դեպքում, երբ այս շարունակական քաոսային գործընթացի ֆոնին առկա է լիցքերի ընդհանուր շարժում ինչ-որ ուղղությամբ։
Երբ մարմինը շարժվում է էլեկտրականորեն չեզոք որպես ամբողջություն, նրա ատոմների և մոլեկուլների մասնիկները, իհարկե, շարժվում են մի ուղղությամբ, բայց քանի որ չեզոք առարկայի հակառակ լիցքերը փոխհատուցում են միմյանց, լիցքի փոխանցում չկա, և կարելի է խոսել ընթացիկի մասին այս դեպքում նույնպես իմաստ չունի։
Ինչպես է ստեղծվում հոսանքը
Դիտարկենք ուղղակի հոսանքի գրգռման ամենապարզ տարբերակը: Եթե էլեկտրական դաշտը կիրառվի այնպիսի միջավայրի վրա, որտեղ ընդհանուր դեպքում առկա են լիցքակիրներ, ապա դրա մեջ կսկսվի լիցքավորված մասնիկների պատվիրված շարժում։ Երևույթը կոչվում է լիցքի շեղում։
Այն կարելի է համառոտ նկարագրել հետևյալ կերպ. Դաշտի տարբեր կետերում առաջանում է պոտենցիալ տարբերություն (լարում), այսինքն՝ այս կետերում տեղակայված էլեկտրական լիցքերի փոխազդեցության էներգիան դաշտի հետ՝ կապված այդ լիցքերի մեծության հետ, տարբեր կլինի։ Քանի որ ցանկացած ֆիզիկական համակարգ, ինչպես հայտնի է, հակված է պոտենցիալ էներգիայի նվազագույնին, որը համապատասխանում է հավասարակշռության վիճակին, լիցքավորված մասնիկները կսկսեն շարժվել դեպի պոտենցիալների հավասարեցում: Այլ կերպ ասած, դաշտը որոշակի աշխատանք է կատարում այս մասնիկները տեղափոխելու համար:
Երբ պոտենցիալները հավասարվում են, լարվածությունը վերանում էէլեկտրական դաշտ - այն անհետանում է: Միաժամանակ դադարում է նաեւ լիցքավորված մասնիկների պատվիրված շարժումը՝ հոսանքը։ Ստացիոնար, այսինքն՝ ժամանակից անկախ դաշտ ստանալու համար անհրաժեշտ է օգտագործել հոսանքի աղբյուր, որում որոշակի գործընթացներում (օրինակ՝ քիմիական) էներգիայի արտազատման պատճառով լիցքերն անընդհատ բաժանվում և սնվում են բևեռներ՝ պահպանելով էլեկտրական դաշտի գոյությունը։
Ընթացքը կարելի է ձեռք բերել տարբեր ձևերով: Այսպիսով, մագնիսական դաշտի փոփոխությունը ազդում է դրա մեջ մտցված հաղորդիչ շղթայի լիցքերի վրա և առաջացնում դրանց ուղղորդված շարժում: Նման հոսանքը կոչվում է ինդուկտիվ։
Հոսանքի քանակական բնութագրերը
Հոսանքի քանակական նկարագրությամբ հիմնական պարամետրը հոսանքի ուժգնությունն է (երբեմն ասում են «արժեք» կամ պարզապես «ընթացիկ»): Այն սահմանվում է որպես էլեկտրաէներգիայի քանակություն (լիցքի քանակը կամ տարրական լիցքերի քանակը) մեկ միավոր ժամանակի ընթացքում որոշակի մակերեսով, սովորաբար հաղորդիչի խաչմերուկով. I=Q / t: Հոսանքը չափվում է ամպերով՝ 1 Ա \u003d 1 C / վ (կուլոն վայրկյանում): Էլեկտրական շղթայի հատվածում ընթացիկ ուժը ուղղակիորեն կապված է պոտենցիալ տարբերության հետ և հակառակը `հաղորդիչի դիմադրությանը. I \u003d U / R: Ամբողջական սխեմայի համար այս կախվածությունը (Օհմի օրենքը) արտահայտվում է որպես I=⁇/R+r, որտեղ d-ն աղբյուրի էլեկտրաշարժիչ ուժն է, իսկ r-ը՝ նրա ներքին դիմադրությունը։
Հոսանքի ուժի հարաբերակցությունը հաղորդիչի խաչմերուկին, որով լիցքավորված մասնիկների պատվիրված շարժումը տեղի է ունենում դրան ուղղահայաց, կոչվում է հոսանքի խտություն. j=I/S=Ք/Սբ. Այս արժեքը բնութագրում է էլեկտրաէներգիայի քանակությունը, որը հոսում է ժամանակի մեկ միավորի տարածքով: Որքան մեծ է դաշտի ուժգնությունը E և ս միջավայրի էլեկտրական հաղորդունակությունը, այնքան մեծ է հոսանքի խտությունը՝ j=σ∙E: Ի տարբերություն ընթացիկ հզորության, այս մեծությունը վեկտոր է և ունի ուղղություն դրական լիցք կրող մասնիկների շարժման երկայնքով:
Ընթացիկ ուղղություն և դրեյֆի ուղղություն
Էլեկտրական դաշտում լիցք կրող առարկաները, Կուլոնյան ուժերի ազդեցությամբ, կարգավորված շարժում կկատարեն դեպի ընթացիկ աղբյուրի բևեռը՝ հակառակ լիցքի նշանով։ Դրական լիցքավորված մասնիկները շեղվում են դեպի բացասական բևեռ («մինուս») և, ընդհակառակը, ազատ բացասական լիցքերը ձգվում են դեպի աղբյուրի «պլյուսը»։ Մասնիկները կարող են նաև շարժվել միանգամից երկու հակադիր ուղղություններով, եթե հաղորդիչ միջավայրում կան երկու նշանների լիցքակիրներ։
Պատմական պատճառներով, ընդհանուր առմամբ ընդունված է, որ հոսանքն ուղղված է դրական լիցքերի շարժման ճանապարհին՝ «գումարածից» դեպի «մինուս»։ Շփոթությունից խուսափելու համար պետք է հիշել, որ թեև մետաղական հաղորդիչներում հոսանքի ամենահայտնի դեպքում մասնիկների՝ էլեկտրոնների իրական շարժումը տեղի է ունենում, իհարկե, հակառակ ուղղությամբ, այս պայմանական կանոնը միշտ գործում է։
Ընթացիկ տարածման և դրեյֆի արագություն
Հաճախ խնդիրներ են առաջանում հասկանալու, թե որքան արագ է հոսանքը շարժվում: Երկու տարբեր հասկացություններ չպետք է շփոթել՝ հոսանքի տարածման արագությունը (էլեկտրազդանշան) և մասնիկների շարժման արագությունը՝ լիցքի կրիչներ։ Առաջինն այն արագությունն է, որով փոխանցվում է էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը կամ - որը նույնն է - դաշտը տարածվում է: Այն մոտ է (հաշվի առնելով տարածման միջավայրը) լույսի արագությանը վակուումում և գրեթե 300000 կմ/վ է։
Մասնիկները շատ դանդաղ են կատարում իրենց կանոնավոր շարժումը (10-4–10-3 մ/վ): Դրեյֆի արագությունը կախված է դրանց վրա կիրառվող էլեկտրական դաշտի ինտենսիվությունից, բայց բոլոր դեպքերում այն մի քանի կարգով զիջում է մասնիկների ջերմային պատահական շարժման արագությանը (105 –106մ/վ): Կարևոր է հասկանալ, որ դաշտի գործողության ներքո սկսվում է բոլոր անվճար լիցքերի միաժամանակյա շեղումը, ուստի հոսանքը անմիջապես հայտնվում է ամբողջ հաղորդիչում:
Հոսանքի տեսակները
Առաջին հերթին հոսանքները տարբերվում են ժամանակի ընթացքում լիցքակիրների պահվածքով։
- Հաստատուն հոսանքն այն հոսանքն է, որը չի փոխում ոչ մեծությունը (ուժը) և ոչ էլ մասնիկների շարժման ուղղությունը: Սա լիցքավորված մասնիկները տեղափոխելու ամենահեշտ ձևն է, և դա միշտ էլ էլեկտրական հոսանքի ուսումնասիրության սկիզբն է։
- Փոփոխական հոսանքի դեպքում այս պարամետրերը փոխվում են ժամանակի հետ: Դրա առաջացումը հիմնված է էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի երևույթի վրա, որը տեղի է ունենում փակ միացումում՝ մագնիսական դաշտի փոփոխության (պտույտի) պատճառով։ Էլեկտրական դաշտն այս դեպքում պարբերաբար հակադարձում է ինտենսիվության վեկտորը: Համապատասխանաբար փոխվում են պոտենցիալների նշանները, և դրանց արժեքը «գումարածից» անցնում է «մինուս» բոլոր միջանկյալ արժեքներին, այդ թվում՝ զրոին։ Որպես արդյունքերևույթ, լիցքավորված մասնիկների պատվիրված շարժումն անընդհատ փոխում է ուղղությունը։ Նման հոսանքի մեծությունը տատանվում է (սովորաբար սինուսոիդային, այսինքն՝ ներդաշնակորեն) առավելագույնից մինչև նվազագույն։ Փոփոխական հոսանքն ունի այս տատանումների արագության այնպիսի կարևոր հատկանիշ, ինչպիսին է հաճախականությունը՝ վայրկյանում փոփոխության ամբողջական ցիկլերի քանակը։
Այս ամենակարևոր դասակարգումից բացի, հոսանքների միջև տարբերությունները կարող են կատարվել նաև այնպիսի չափանիշի համաձայն, ինչպիսին է լիցքակիրների շարժման բնույթը այն միջավայրի նկատմամբ, որտեղ հոսանքը տարածվում է:
Հաղորդման հոսանքներ
Հոսանքի ամենահայտնի օրինակը լիցքավորված մասնիկների պատվիրված, ուղղորդված շարժումն է մարմնի (միջավայրի) ներսում էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ: Այն կոչվում է հաղորդման հոսանք:
Պինդ մարմիններում (մետաղներ, գրաֆիտ, շատ բարդ նյութեր) և որոշ հեղուկներում (սնդիկ և այլ մետաղների հալվածքներ) էլեկտրոնները շարժական լիցքավորված մասնիկներ են: Հաղորդավարում պատվիրված շարժումը նրանց շեղումն է նյութի ատոմների կամ մոլեկուլների նկատմամբ: Այս տեսակի հաղորդունակությունը կոչվում է էլեկտրոնային: Կիսահաղորդիչներում լիցքի փոխանցումը տեղի է ունենում նաև էլեկտրոնների շարժման շնորհիվ, սակայն մի շարք պատճառներով հարմար է օգտագործել անցքի հասկացությունը հոսանքը նկարագրելու համար՝ դրական քվազիմասնիկ, որը շարժվող էլեկտրոնի թափուր է:
Էլեկտրոլիտիկ լուծույթներում հոսանքի անցումն իրականացվում է տարբեր բևեռներ տեղափոխվող բացասական և դրական իոնների պատճառով՝ անոդ և կաթոդ, որոնք լուծույթի մաս են կազմում։
Փոխանցման հոսանքներ
Գազը - նորմալ պայմաններում դիէլեկտրիկը - կարող է նաև դառնալ հաղորդիչ, եթե ենթարկվի բավականաչափ ուժեղ իոնացման: Գազի էլեկտրական հաղորդունակությունը խառն է: Իոնացված գազն արդեն պլազմա է, որտեղ շարժվում են և՛ էլեկտրոնները, և՛ իոնները, այսինքն՝ բոլոր լիցքավորված մասնիկները։ Նրանց պատվիրված շարժումը կազմում է պլազմային ալիք և կոչվում է գազի արտանետում:
Լիցքերի ուղղորդված շարժում կարող է տեղի ունենալ ոչ միայն շրջակա միջավայրի ներսում։ Ենթադրենք, էլեկտրոնների կամ իոնների ճառագայթը շարժվում է վակուումում՝ արտանետված դրական կամ բացասական էլեկտրոդից։ Այս երեւույթը կոչվում է էլեկտրոնի արտանետում եւ լայնորեն կիրառվում է, օրինակ, վակուումային սարքերում։ Իհարկե, այս շարժումը հոսանք է։
Մյուս դեպքը էլեկտրական լիցքավորված մակրոսկոպիկ մարմնի շարժումն է: Սա նույնպես ընթացիկ է, քանի որ նման իրավիճակը բավարարում է ուղղորդված լիցքի փոխանցման պայմանը։
Բոլոր վերը նշված օրինակները պետք է դիտարկել որպես լիցքավորված մասնիկների պատվիրված շարժում: Այս հոսանքը կոչվում է կոնվեկցիոն կամ փոխանցման հոսանք: Դրա հատկությունները, օրինակ՝ մագնիսականը, լիովին նման են հաղորդիչ հոսանքների հատկություններին։
Շեղման ընթացիկ
Կա մի երևույթ, որը կապ չունի լիցքի փոխանցման հետ և տեղի է ունենում այնտեղ, որտեղ կա ժամանակի փոփոխվող էլեկտրական դաշտ, որն ունի «իրական» հաղորդման կամ փոխանցման հոսանքների հատկություն. այն գրգռում է փոփոխական մագնիսական դաշտը: Սատեղի է ունենում, օրինակ, կոնդենսատորների թիթեղների միջև փոփոխական հոսանքի սխեմաներում: Երևույթն ուղեկցվում է էներգիայի փոխանցումով և կոչվում է տեղաշարժի հոսանք։
Իրականում այս արժեքը ցույց է տալիս, թե որքան արագ է էլեկտրական դաշտի ինդուկցիան փոխվում որոշակի մակերեսի վրա, որն ուղղահայաց է իր վեկտորի ուղղությանը: Էլեկտրական ինդուկցիայի հայեցակարգը ներառում է դաշտի ուժի և բևեռացման վեկտորները: Վակուումում հաշվի է առնվում միայն լարվածությունը։ Ինչ վերաբերում է նյութի էլեկտրամագնիսական գործընթացներին, ապա մոլեկուլների կամ ատոմների բևեռացումը, երբ դաշտի ազդեցության տակ տեղի է ունենում կապված (ոչ ազատ) լիցքերի շարժում, որոշակի ներդրում է կատարում դիէլեկտրիկում կամ հաղորդիչում տեղաշարժվող հոսանքի մեջ։
Անվանումը ծագել է 19-րդ դարում և պայմանական է, քանի որ իրական էլեկտրական հոսանքը լիցքավորված մասնիկների պատվիրված շարժում է։ Տեղաշարժման հոսանքը ոչ մի կապ չունի լիցքավորման դրեյֆի հետ: Հետևաբար, խիստ ասած, դա հոսանք չէ։
Ներկայիսդրսևորումներ (գործողություններ)
Լիցքավորված մասնիկների պատվիրված շարժումը միշտ ուղեկցվում է որոշակի ֆիզիկական երևույթներով, որոնցով, ըստ էության, կարելի է դատել՝ այս գործընթացը տեղի է ունենում, թե ոչ։ Նման երևույթները (ընթացիկ գործողությունները) կարելի է բաժանել երեք հիմնական խմբի՝.
- Մագնիսական գործողություն. Շարժվող էլեկտրական լիցքը անպայման մագնիսական դաշտ է ստեղծում։ Եթե դուք կողմնացույց եք դնում հաղորդիչի կողքին, որի միջով հոսում է հոսանք, սլաքը կշրջվի այս հոսանքի ուղղությանը ուղղահայաց: Այս երեւույթի հիման վրա գործում են էլեկտրամագնիսական սարքեր, որոնք թույլ են տալիս, օրինակ, փոխարկել էլեկտրական էներգիանմեխանիկական:
- Ջերմային էֆեկտ. Հոսանքն իսկապես աշխատում է հաղորդիչի դիմադրությունը հաղթահարելու համար, ինչի արդյունքում ջերմային էներգիա է ազատվում: Դա պայմանավորված է նրանով, որ շեղման ընթացքում լիցքավորված մասնիկները ցրվում են բյուրեղային ցանցի կամ հաղորդիչ մոլեկուլների տարրերի վրա և տալիս նրանց կինետիկ էներգիա: Եթե, ասենք, մետաղի ցանցը կատարյալ կանոնավոր լիներ, էլեկտրոնները գործնականում չէին նկատի այն (սա մասնիկների ալիքային բնույթի հետևանք է)։ Այնուամենայնիվ, առաջին հերթին, վանդակավոր տեղամասերի ատոմներն իրենք են ենթարկվում ջերմային թրթռումների, որոնք խախտում են դրա օրինաչափությունը, և երկրորդը, ցանցի թերությունները՝ կեղտոտ ատոմներ, տեղաշարժեր, թափուր տեղեր, նույնպես ազդում են էլեկտրոնների շարժի վրա։
- Էլեկտրոլիտներում նկատվում է քիմիական ազդեցություն. Հակառակ լիցքավորված իոնները, որոնց մեջ տարանջատվում է էլեկտրոլիտիկ լուծույթը, երբ էլեկտրական դաշտ է կիրառվում, բաժանվում են հակառակ էլեկտրոդների, ինչը հանգեցնում է էլեկտրոլիտի քիմիական տարրալուծմանը:
Բացի այն դեպքերից, երբ լիցքավորված մասնիկների պատվիրված շարժումը գիտական հետազոտության առարկա է, այն հետաքրքրում է մարդուն իր մակրոսկոպիկ դրսևորումներով։ Մեզ համար կարևոր է ոչ թե հենց հոսանքը, այլ վերը թվարկված երևույթները, որոնք այն առաջացնում է էլեկտրական էներգիան այլ ձևերի վերածելու պատճառով։
Բոլոր ընթացիկ գործողությունները երկակի դեր են խաղում մեր կյանքում: Որոշ դեպքերում անհրաժեշտ է պաշտպանել մարդկանց և սարքավորումները նրանցից, որոշ դեպքերում էլեկտրական լիցքերի ուղղորդված փոխանցման հետևանքով առաջացած այս կամ այն էֆեկտ ստանալը ուղղակի է:մի շարք տեխնիկական սարքերի նպատակը:
