Daudzām fizikālām parādībām, gan mikroskopiskām, gan makroskopiskām, ir elektromagnētisks raksturs. Tie ietver berzes un elastības spēkus, visus ķīmiskos procesus, elektrību, magnētismu, optiku.
Viena no šādām elektromagnētiskās mijiedarbības izpausmēm ir lādētu daļiņu sakārtota kustība. Tas ir absolūti nepieciešams elements gandrīz visās mūsdienu tehnoloģijās, kuras tiek izmantotas dažādās jomās – no mūsu dzīves organizēšanas līdz lidojumiem kosmosā.
Vispārīga parādības koncepcija
Uzlādētu daļiņu sakārtotu kustību sauc par elektrisko strāvu. Šādu lādiņu kustību var veikt dažādās vidēs, izmantojot noteiktas daļiņas, dažreiz kvazidaļiņas.
Priekšnoteikums pašreizējam irprecīzi sakārtota, virzīta kustība. Uzlādētas daļiņas ir objekti, kuriem (kā arī neitrālajām) ir termiska haotiska kustība. Tomēr strāva rodas tikai tad, ja uz šī nepārtrauktā haotiskā procesa fona notiek vispārēja lādiņu kustība kādā virzienā.
Ķermenim kustoties, kopumā elektriski neitrālam, tā atomos un molekulās esošās daļiņas, protams, pārvietojas noteiktā virzienā, taču, tā kā neitrālā objektā pretējie lādiņi viens otru kompensē, lādiņa pārnese nenotiek, un mēs varam runāt par to, ka strāvai arī šajā gadījumā nav jēgas.
Kā tiek ģenerēta strāva
Apsveriet vienkāršāko līdzstrāvas ierosmes versiju. Ja vidē, kurā atrodas lādiņnesēji, tiek pielietots elektriskais lauks, tajā sāksies sakārtota lādētu daļiņu kustība. Šo parādību sauc par lādiņa novirzi.
Īsumā to var raksturot šādi. Dažādos lauka punktos rodas potenciāla atšķirība (spriegums), tas ir, šajos punktos esošo elektrisko lādiņu mijiedarbības enerģija ar lauku, kas saistīta ar šo lādiņu lielumu, būs atšķirīga. Tā kā jebkurai fiziskai sistēmai, kā zināms, ir tendence uz līdzsvara stāvoklim atbilstošu potenciālās enerģijas minimumu, lādētās daļiņas sāks virzīties uz potenciālu izlīdzināšanu. Citiem vārdiem sakot, lauks veic zināmu darbu, lai pārvietotu šīs daļiņas.
Kad potenciāli ir izlīdzināti, spriedze pazūdelektriskais lauks - tas pazūd. Tajā pašā laikā apstājas arī lādēto daļiņu sakārtotā kustība, strāva. Lai iegūtu stacionāru, tas ir, no laika neatkarīgu lauku, nepieciešams izmantot strāvas avotu, kurā, pateicoties enerģijas izdalīšanai noteiktos procesos (piemēram, ķīmiskajos), lādiņi tiek nepārtraukti atdalīti un ievadīti stabi, saglabājot elektriskā lauka esamību.
Strāvu var iegūt dažādos veidos. Tātad magnētiskā lauka izmaiņas ietekmē lādiņus tajā ievadītajā vadošajā ķēdē un izraisa to virzītu kustību. Šādu strāvu sauc par induktīvu.
Strāvas kvantitatīvie raksturlielumi
Galvenais parametrs, ar kuru strāvu raksturo kvantitatīvi, ir strāvas stiprums (dažreiz viņi saka "vērtība" vai vienkārši "strāva"). To definē kā elektroenerģijas daudzumu (lādiņa daudzumu vai elementāro lādiņu skaitu), kas laika vienībā iet caur noteiktu virsmu, parasti caur vadītāja šķērsgriezumu: I=Q / t. Strāvu mēra ampēros: 1 A \u003d 1 C / s (kulons sekundē). Elektriskās ķēdes sadaļā strāvas stiprums ir tieši saistīts ar potenciālu starpību un apgriezti - ar vadītāja pretestību: I \u003d U / R. Pilnai ķēdei šī atkarība (Oma likums) tiek izteikta kā I=Ԑ/R+r, kur Ԑ ir avota elektromotora spēks un r ir tā iekšējā pretestība.
Strāvas stipruma attiecību pret vadītāja šķērsgriezumu, caur kuru notiek lādētu daļiņu sakārtota kustība tai perpendikulāri, sauc par strāvas blīvumu: j=I/S=Q/St. Šī vērtība raksturo elektroenerģijas daudzumu, kas laika vienībā plūst caur laukuma vienību. Jo lielāka ir lauka intensitāte E un vides elektrovadītspēja σ, jo lielāks ir strāvas blīvums: j=σ∙E. Atšķirībā no strāvas stipruma šis lielums ir vektors, un tam ir virziens gar daļiņu kustību, kurām ir pozitīvs lādiņš.
Pašreizējais virziens un dreifēšanas virziens
Elektriskajā laukā objekti, kas nes lādiņu Kulona spēku ietekmē, veiks sakārtotu kustību uz strāvas avota polu, kas ir pretējs lādiņa zīmei. Pozitīvi lādētas daļiņas virzās uz negatīvo polu ("mīnus"), un, gluži pretēji, brīvie negatīvie lādiņi tiek piesaistīti avota "plusam". Daļiņas var pārvietoties arī divos pretējos virzienos vienlaikus, ja vadošajā vidē ir abu zīmju lādiņnesēji.
Vēsturisku iemeslu dēļ ir vispāratzīts, ka strāva tiek virzīta tā, kā pārvietojas pozitīvie lādiņi - no "plus" uz "mīnusu". Lai izvairītos no neskaidrībām, jāatceras, ka, lai gan vispazīstamākajā strāvas gadījumā metāla vadītājos daļiņu - elektronu - reālā kustība notiek, protams, pretējā virzienā, šis nosacījuma noteikums vienmēr ir spēkā.
Strāvas izplatīšanās un dreifēšanas ātrums
Bieži ir problēmas ar izpratni par to, cik ātri straume pārvietojas. Nevajadzētu sajaukt divus dažādus jēdzienus: strāvas izplatīšanās ātrums (elektriskssignāls) un daļiņu – lādiņnesēju – dreifēšanas ātrums. Pirmais ir ātrums, ar kādu tiek pārraidīta elektromagnētiskā mijiedarbība vai - kas ir vienāds - lauks izplatās. Tas ir tuvu (ņemot vērā izplatīšanās vidi) gaismas ātrumam vakuumā un ir gandrīz 300 000 km/s.
Daļiņas veic sakārtotu kustību ļoti lēni (10-4–10-3 m/s). Dreifa ātrums ir atkarīgs no intensitātes, ar kādu uz tām iedarbojas pielietotais elektriskais lauks, taču visos gadījumos tas ir par vairākām lieluma kārtām mazāks par daļiņu termiskās nejaušās kustības ātrumu (105 –106m/s). Ir svarīgi saprast, ka lauka iedarbībā sākas visu brīvo lādiņu vienlaicīga dreifēšana, tāpēc strāva uzreiz parādās visā vadītājā.
Strāvas veidi
Pirmkārt, strāvas izceļas ar lādiņu nesēju uzvedību laika gaitā.
- Pastāvīga strāva ir strāva, kas nemaina ne daļiņu kustības lielumu (stiprību), ne virzienu. Tas ir vienkāršākais veids, kā pārvietot lādētas daļiņas, un tas vienmēr ir elektriskās strāvas izpētes sākums.
- Maiņstrāvā šie parametri laika gaitā mainās. Tās ģenerēšanas pamatā ir elektromagnētiskās indukcijas fenomens, kas notiek slēgtā ķēdē magnētiskā lauka maiņas (rotācijas) dēļ. Elektriskais lauks šajā gadījumā periodiski maina intensitātes vektoru. Attiecīgi mainās potenciālu zīmes, un to vērtība pāriet no "plus" uz "mīnus" visas starpvērtības, ieskaitot nulli. Rezultātāparādība, lādētu daļiņu sakārtotā kustība visu laiku maina virzienu. Šādas strāvas stiprums svārstās (parasti sinusoidāli, tas ir, harmoniski) no maksimuma līdz minimumam. Maiņstrāvai ir tik svarīga šo svārstību ātruma īpašība kā frekvence - pilnu izmaiņu ciklu skaits sekundē.
Papildus šai vissvarīgākajai klasifikācijai strāvu atšķirības var noteikt arī pēc tāda kritērija kā lādiņnesēju kustības raksturs attiecībā pret vidi, kurā strāva izplatās.
Vadītspējas strāvas
Slavenākais strāvas piemērs ir lādētu daļiņu sakārtota, virzīta kustība elektriskā lauka iedarbībā ķermeņa (vides) iekšpusē. To sauc par vadīšanas strāvu.
Cietās vielās (metāli, grafīts, daudzi sarežģīti materiāli) un dažos šķidrumos (dzīvsudrabs un citi metālu kūsti) elektroni ir kustīgas lādētas daļiņas. Sakārtota kustība vadītājā ir to novirze attiecībā pret vielas atomiem vai molekulām. Šāda veida vadītspēju sauc par elektronisko. Pusvadītājos lādiņu pārnešana notiek arī elektronu kustības dēļ, taču vairāku iemeslu dēļ ir ērti izmantot jēdzienu caurums, lai aprakstītu strāvu - pozitīvu kvazidaļiņu, kas ir kustīga elektronu vakance.
Elektrolītiskajos šķīdumos strāvas pāreja notiek, jo negatīvie un pozitīvie joni pārvietojas uz dažādiem poliem - anodu un katodu, kas ir daļa no šķīduma.
Pārvadstrāvas
Gāze - normālos apstākļos dielektriķis - var kļūt arī par vadītāju, ja tiek pakļauta pietiekami spēcīgai jonizācijai. Gāzes elektrovadītspēja ir jaukta. Jonizēta gāze jau ir plazma, kurā pārvietojas gan elektroni, gan joni, tas ir, visas lādētās daļiņas. To sakārtotā kustība veido plazmas kanālu, un to sauc par gāzizlādi.
Tieši lādiņu kustība var notikt ne tikai apkārtējā vidē. Pieņemsim, ka elektronu vai jonu stars pārvietojas vakuumā, ko izstaro no pozitīva vai negatīva elektroda. Šo parādību sauc par elektronu emisiju un plaši izmanto, piemēram, vakuumierīcēs. Protams, šī kustība ir aktuāla.
Cits gadījums ir elektriski uzlādēta makroskopiska ķermeņa kustība. Tā ir arī strāva, jo šāda situācija apmierina virzītas maksas pārnešanas nosacījumu.
Visi iepriekš minētie piemēri ir jāuzskata par sakārtotu lādētu daļiņu kustību. Šo strāvu sauc par konvekciju vai pārvades strāvu. Tā īpašības, piemēram, magnētiskās, ir pilnīgi līdzīgas vadīšanas strāvu īpašībām.
Novirzes strāva
Ir parādība, kurai nav nekāda sakara ar lādiņa pārnešanu, un tā rodas tur, kur ir laikā mainīgs elektriskais lauks, kam piemīt "īstas" vadīšanas vai pārvades strāvas īpašības: tas ierosina mainīgu magnētisko lauku. Tas irrodas, piemēram, maiņstrāvas ķēdēs starp kondensatoru plāksnēm. Šo parādību pavada enerģijas pārnešana, un to sauc par pārvietošanas strāvu.
Faktiski šī vērtība parāda, cik ātri mainās elektriskā lauka indukcija uz noteiktas virsmas, kas ir perpendikulāra tās vektora virzienam. Elektriskās indukcijas jēdziens ietver lauka intensitātes un polarizācijas vektorus. Vakuumā tiek ņemta vērā tikai spriedze. Kas attiecas uz elektromagnētiskajiem procesiem vielā, tad molekulu vai atomu polarizācija, kurā, pakļaujot lauka iedarbībai, notiek saistīto (nevis brīvo!) lādiņu kustība, dod zināmu ieguldījumu nobīdes strāvā dielektrikā vai vadītājā.
Nosaukums radies 19. gadsimtā un ir nosacīts, jo īsta elektriskā strāva ir lādētu daļiņu sakārtota kustība. Nobīdes strāvai nav nekāda sakara ar lādiņa novirzi. Tāpēc, stingri ņemot, tā nav strāva.
Strāvas izpausmes (darbības)
Pasūtītu lādētu daļiņu kustību vienmēr pavada noteiktas fiziskas parādības, pēc kurām faktiski var spriest, vai šis process notiek vai ne. Šādas parādības (pašreizējās darbības) var iedalīt trīs galvenajās grupās:
- Magnētiska darbība. Kustīgs elektriskais lādiņš noteikti rada magnētisko lauku. Ja novietojat kompasu blakus vadītājam, caur kuru plūst strāva, bultiņa pagriezīsies perpendikulāri šīs strāvas virzienam. Pamatojoties uz šo parādību, darbojas elektromagnētiskās ierīces, kas ļauj, piemēram, pārveidot elektrisko enerģijumehāniskajā.
- Termiskais efekts. Strāva darbojas, lai pārvarētu vadītāja pretestību, kā rezultātā izdalās siltumenerģija. Tas ir tāpēc, ka dreifēšanas laikā uzlādētas daļiņas izkliedējas uz kristāla režģa elementiem vai vadītāju molekulām un piešķir tiem kinētisko enerģiju. Ja, teiksim, metāla režģis būtu pilnīgi regulārs, elektroni to praktiski nepamanītu (tās ir daļiņu viļņu rakstura sekas). Taču, pirmkārt, paši atomi režģa vietās ir pakļauti termiskām vibrācijām, kas pārkāpj tās regularitāti, otrkārt, režģa defekti – piemaisījumu atomi, dislokācijas, vakances – ietekmē arī elektronu kustību.
- Elektrolītos tiek novērota ķīmiska iedarbība. Pretēji lādēti joni, kuros elektrolītiskais šķīdums tiek sadalīts, iedarbojoties elektriskajam laukam, tiek atdalīti pretējiem elektrodiem, kas izraisa elektrolīta ķīmisku sadalīšanos.
Izņemot gadījumus, kad lādētu daļiņu sakārtotā kustība ir zinātnisku pētījumu priekšmets, tā interesē cilvēku tās makroskopiskajās izpausmēs. Mums ir svarīga nevis pati strāva, bet gan iepriekš uzskaitītās parādības, kuras tā izraisa elektriskās enerģijas pārveidošanās dēļ citos veidos.
Visām pašreizējām darbībām mūsu dzīvē ir divējāda loma. Dažos gadījumos ir nepieciešams aizsargāt cilvēkus un iekārtas no tiem, citos tāda vai cita efekta iegūšana, ko izraisa elektrisko lādiņu virzīta pārnešana, ir tieša.dažādām tehniskām ierīcēm.
