Un'enorme varietà di fenomeni fisici, sia microscopici che macroscopici, sono di natura elettromagnetica. Questi includono forze di attrito ed elasticità, tutti i processi chimici, elettricità, magnetismo, ottica.
Una di queste manifestazioni di interazione elettromagnetica è il movimento ordinato delle particelle cariche. È un elemento assolutamente necessario di quasi tutte le moderne tecnologie utilizzate in vari campi, dall'organizzazione della nostra vita ai voli spaziali.
Concetto generale del fenomeno
Il movimento ordinato delle particelle cariche è chiamato corrente elettrica. Tale movimento di cariche può essere effettuato in diversi mezzi per mezzo di determinate particelle, a volte quasi-particelle.
Un prerequisito per la corrente èmovimento esattamente ordinato e diretto. Le particelle cariche sono oggetti che (oltre a quelli neutri) hanno un movimento caotico termico. Tuttavia, la corrente si verifica solo quando, sullo sfondo di questo continuo processo caotico, c'è un movimento generale di cariche in una certa direzione.
Quando un corpo si muove, elettricamente neutro nel suo insieme, le particelle nei suoi atomi e molecole, ovviamente, si muovono in una direzione, ma poiché le cariche opposte in un oggetto neutro si compensano a vicenda, non c'è trasferimento di carica, e possiamo parlare della corrente non ha senso neanche in questo caso.
Come viene generata la corrente
Considera la versione più semplice dell'eccitazione in corrente continua. Se un campo elettrico viene applicato a un mezzo in cui nel caso generale sono presenti portatori di carica, in esso inizierà un movimento ordinato di particelle cariche. Il fenomeno è chiamato drift di carica.
Può essere brevemente descritto come segue. In diversi punti del campo sorge una differenza di potenziale (tensione), ovvero l'energia di interazione delle cariche elettriche situate in questi punti con il campo, correlata all'entità di queste cariche, sarà diversa. Poiché qualsiasi sistema fisico, come è noto, tende ad un minimo di energia potenziale corrispondente allo stato di equilibrio, le particelle cariche inizieranno a muoversi verso l'equalizzazione dei potenziali. In altre parole, il campo fa un po' di lavoro per spostare queste particelle.
Quando i potenziali sono equalizzati, la tensione svaniscecampo elettrico - scompare. Allo stesso tempo, si interrompe anche il movimento ordinato delle particelle cariche, la corrente. Per ottenere un campo stazionario, cioè indipendente dal tempo, è necessario utilizzare una sorgente di corrente in cui, a causa del rilascio di energia in determinati processi (ad esempio chimici), le cariche vengono continuamente separate e alimentate al poli, mantenendo l'esistenza di un campo elettrico.
La corrente può essere ottenuta in vari modi. Quindi, un cambiamento nel campo magnetico influisce sulle cariche nel circuito conduttore introdotte in esso e provoca il loro movimento diretto. Tale corrente è chiamata induttiva.
Caratteristiche quantitative della corrente
Il parametro principale con cui la corrente viene descritta quantitativamente è l'intensità della corrente (a volte si dice "valore" o semplicemente "corrente"). È definito come la quantità di elettricità (la quantità di carica o il numero di cariche elementari) che passa nell'unità di tempo attraverso una certa superficie, solitamente attraverso la sezione trasversale di un conduttore: I=Q / t. La corrente viene misurata in ampere: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb al secondo). Nella sezione del circuito elettrico, l'intensità della corrente è direttamente correlata alla differenza di potenziale e, inversamente, alla resistenza del conduttore: I \u003d U / R. Per un circuito completo, questa dipendenza (legge di Ohm) è espressa come I=Ԑ/R+r, dove Ԑ è la forza elettromotrice della sorgente e r è la sua resistenza interna.
Il rapporto tra la forza della corrente e la sezione trasversale del conduttore attraverso il quale avviene il movimento ordinato delle particelle cariche perpendicolarmente ad esso è chiamato densità di corrente: j=I/S=Q/S. Questo valore caratterizza la quantità di energia elettrica che scorre per unità di tempo attraverso un'unità di superficie. Maggiore è l'intensità di campo E e la conducibilità elettrica del mezzo σ, maggiore è la densità di corrente: j=σ∙E. A differenza della forza attuale, questa quantità è vettoriale e ha una direzione lungo il movimento delle particelle che portano una carica positiva.
Direzione attuale e direzione di deriva
In un campo elettrico, gli oggetti che trasportano una carica, sotto l'influenza delle forze di Coulomb, compiranno un movimento ordinato verso il polo della sorgente di corrente, opposto in segno di carica. Le particelle cariche positivamente si spostano verso il polo negativo ("meno") e, al contrario, le cariche negative libere sono attratte dal "più" della sorgente. Le particelle possono anche muoversi in due direzioni opposte contemporaneamente se ci sono portatori di carica di entrambi i segni nel mezzo conduttore.
Per ragioni storiche, è generalmente accettato che la corrente sia diretta nel modo in cui le cariche positive si muovono - da "più" a "meno". Per evitare confusione, va ricordato che sebbene nel caso più familiare della corrente nei conduttori metallici, il movimento reale delle particelle - gli elettroni - avvenga, ovviamente, nella direzione opposta, vale sempre questa regola condizionale.
Propagazione della corrente e velocità di deriva
Spesso ci sono problemi nel capire quanto velocemente si muova la corrente. Non vanno confusi due concetti diversi: la velocità di propagazione della corrente (elettricasegnale) e la velocità di deriva delle particelle - portatori di carica. La prima è la velocità con cui l'interazione elettromagnetica viene trasmessa o - che è la stessa - il campo si propaga. È vicino (tenendo conto del mezzo di propagazione) alla velocità della luce nel vuoto ed è di quasi 300.000 km/s.
Le particelle compiono il loro movimento ordinato molto lentamente (10-4–10-3 m/s). La velocità di deriva dipende dall'intensità con cui il campo elettrico applicato agisce su di esse, ma in tutti i casi è di diversi ordini di grandezza inferiore alla velocità del moto termico casuale delle particelle (105 –106m/s). È importante capire che sotto l'azione del campo inizia la deriva simultanea di tutte le cariche libere, quindi la corrente appare immediatamente nell'intero conduttore.
Tipi di corrente
Innanzitutto le correnti si distinguono per il comportamento dei portatori di carica nel tempo.
- Una corrente costante è una corrente che non cambia né l'intensità (forza) né la direzione del movimento delle particelle. Questo è il modo più semplice per spostare le particelle cariche, ed è sempre l'inizio dello studio della corrente elettrica.
- In corrente alternata, questi parametri cambiano nel tempo. La sua generazione si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica che si verifica in un circuito chiuso a causa di una variazione (rotazione) del campo magnetico. Il campo elettrico in questo caso inverte periodicamente il vettore di intensità. Di conseguenza, i segni dei potenziali cambiano e il loro valore passa da "più" a "meno" tutti i valori intermedi, compreso lo zero. Di conseguenzafenomeno, il movimento ordinato delle particelle cariche cambia continuamente direzione. L'entità di tale corrente oscilla (di solito in modo sinusoidale, cioè armonico) da un massimo a un minimo. La corrente alternata ha una caratteristica così importante della velocità di queste oscillazioni come la frequenza - il numero di cicli completi di cambiamento al secondo.
Oltre a questa importantissima classificazione, le differenze tra le correnti possono essere fatte anche secondo un criterio come la natura del movimento dei portatori di carica in relazione al mezzo in cui la corrente si propaga.
Correnti di conduzione
L'esempio più famoso di corrente è il movimento ordinato e diretto di particelle cariche sotto l'azione di un campo elettrico all'interno di un corpo (medio). Si chiama corrente di conduzione.
Nei solidi (metalli, grafite, molti materiali complessi) e in alcuni liquidi (mercurio e altri metalli fusi), gli elettroni sono particelle cariche mobili. Un movimento ordinato in un conduttore è la loro deriva rispetto agli atomi o alle molecole di una sostanza. La conduttività di questo tipo è chiamata elettronica. Nei semiconduttori, il trasferimento di carica avviene anche a causa del movimento degli elettroni, ma per una serie di ragioni è conveniente usare il concetto di lacuna per descrivere la corrente - una quasiparticella positiva, che è una vacanza di elettroni in movimento.
Nelle soluzioni elettrolitiche, il passaggio della corrente avviene a causa degli ioni negativi e positivi che si spostano su poli diversi: l'anodo e il catodo, che fanno parte della soluzione.
Correnti di trasferimento
Il gas - in condizioni normali un dielettrico - può anche diventare conduttore se sottoposto ad una ionizzazione sufficientemente forte. La conducibilità elettrica del gas è mista. Un gas ionizzato è già un plasma in cui si muovono sia gli elettroni che gli ioni, cioè tutte le particelle cariche. Il loro movimento ordinato forma un canale plasma ed è chiamato scarica di gas.
Il movimento diretto delle cariche può avvenire non solo all'interno dell'ambiente. Supponiamo che un raggio di elettroni o ioni si muova nel vuoto, emesso da un elettrodo positivo o negativo. Questo fenomeno è chiamato emissione di elettroni ed è ampiamente utilizzato, ad esempio, nei dispositivi sottovuoto. Naturalmente, questo movimento è una corrente.
Un altro caso è il movimento di un corpo macroscopico caricato elettricamente. Anche questa è una corrente, poiché una tale situazione soddisfa la condizione di trasferimento diretto della carica.
Tutti gli esempi precedenti dovrebbero essere considerati come un movimento ordinato di particelle cariche. Questa corrente è chiamata convezione o corrente di trasferimento. Le sue proprietà, ad esempio magnetiche, sono del tutto simili a quelle delle correnti di conduzione.
Corrente di polarizzazione
C'è un fenomeno che non ha nulla a che fare con il trasferimento di carica e si verifica dove c'è un campo elettrico variabile nel tempo che ha la proprietà di conduzione o di trasferimento di correnti "reali": eccita un campo magnetico alternato. Questo èsi verifica, ad esempio, nei circuiti a corrente alternata tra le piastre dei condensatori. Il fenomeno è accompagnato dal trasferimento di energia ed è chiamato corrente di spostamento.
In effetti, questo valore mostra quanto velocemente l'induzione del campo elettrico cambia su una certa superficie perpendicolare alla direzione del suo vettore. Il concetto di induzione elettrica include l'intensità del campo e i vettori di polarizzazione. Nel vuoto, viene presa in considerazione solo la tensione. Per quanto riguarda i processi elettromagnetici nella materia, la polarizzazione di molecole o atomi, in cui, quando esposti a un campo, avviene il movimento di cariche legate (non libere!), contribuisce in qualche modo allo spostamento della corrente in un dielettrico o conduttore.
Il nome ha origine nel 19° secolo ed è condizionale, poiché una vera corrente elettrica è un movimento ordinato di particelle cariche. La corrente di spostamento non ha nulla a che fare con la deriva di carica. Pertanto, a rigor di termini, non è una corrente.
Manifestazioni (azioni) dell'attuale
Il movimento ordinato di particelle cariche è sempre accompagnato da certi fenomeni fisici, che, infatti, possono essere usati per giudicare se questo processo sta avvenendo o meno. È possibile dividere tali fenomeni (azioni in corso) in tre gruppi principali:
- Azione magnetica. Una carica elettrica in movimento crea necessariamente un campo magnetico. Se si posiziona una bussola accanto a un conduttore attraverso il quale scorre la corrente, la freccia girerà perpendicolarmente alla direzione di questa corrente. Sulla base di questo fenomeno operano dispositivi elettromagnetici che consentono, ad esempio, di convertire l'energia elettricain meccanico.
- Effetto termico. La corrente lavora per superare la resistenza del conduttore, con conseguente rilascio di energia termica. Questo perché, durante la deriva, le particelle cariche subiscono la dispersione sugli elementi del reticolo cristallino o sulle molecole conduttrici e danno loro energia cinetica. Se il reticolo, diciamo, di un metallo fosse perfettamente regolare, gli elettroni praticamente non se ne accorgerebbero (questa è una conseguenza della natura ondulatoria delle particelle). Tuttavia, in primo luogo, gli atomi negli stessi siti del reticolo sono soggetti a vibrazioni termiche che ne violano la regolarità e, in secondo luogo, i difetti del reticolo - atomi di impurità, dislocazioni, posti liberi - influenzano anche il movimento degli elettroni.
- Negli elettroliti si osserva un'azione chimica. Gli ioni con carica opposta, in cui la soluzione elettrolitica si dissocia, quando viene applicato un campo elettrico, vengono separati da elettrodi opposti, il che porta alla decomposizione chimica dell'elettrolita.
Tranne quando il moto ordinato delle particelle cariche è oggetto di ricerca scientifica, interessa una persona nelle sue manifestazioni macroscopiche. Non è la corrente stessa ad essere importante per noi, ma i fenomeni sopra elencati, che essa provoca, a causa della trasformazione dell'energia elettrica in altre forme.
Tutte le azioni in corso svolgono un duplice ruolo nelle nostre vite. In alcuni casi, è necessario proteggerne le persone e le apparecchiature, in altri, ottenere l'uno o l' altro effetto causato dal trasferimento diretto di cariche elettriche è diretto.scopo di un'ampia varietà di dispositivi tecnici.
