Një larmi e madhe fenomenesh fizike, si mikroskopike ashtu edhe makroskopike, janë me natyrë elektromagnetike. Këto përfshijnë forcat e fërkimit dhe elasticitetit, të gjitha proceset kimike, elektricitetin, magnetizmin, optikën.
Një nga manifestimet e tilla të ndërveprimit elektromagnetik është lëvizja e urdhëruar e grimcave të ngarkuara. Është një element absolutisht i domosdoshëm i pothuajse të gjitha teknologjive moderne që përdoren në fusha të ndryshme - nga organizimi i jetës sonë deri te fluturimet në hapësirë.
Koncepti i përgjithshëm i fenomenit
Lëvizja e renditur e grimcave të ngarkuara quhet rrymë elektrike. Një lëvizje e tillë ngarkesash mund të kryhet në media të ndryshme me anë të grimcave të caktuara, ndonjëherë edhe kuazi-grimcash.
Një parakusht për rrymën ështëLëvizja saktësisht e rregullt, e drejtuar. Grimcat e ngarkuara janë objekte që (si dhe ato neutrale) kanë lëvizje kaotike termike. Megjithatë, rryma ndodh vetëm kur, në sfondin e këtij procesi të vazhdueshëm kaotik, ka një lëvizje të përgjithshme të ngarkesave në një drejtim.
Kur një trup lëviz, elektrikisht neutral në tërësi, grimcat në atomet dhe molekulat e tij, natyrisht, lëvizin në një drejtim, por meqenëse ngarkesat e kundërta në një objekt neutral kompensojnë njëra-tjetrën, nuk ka transferim të ngarkesës, dhe mund të flasim për rrymën nuk ka kuptim as në këtë rast.
Si gjenerohet rryma
Konsideroni versionin më të thjeshtë të ngacmimit të rrymës së drejtpërdrejtë. Nëse një fushë elektrike aplikohet në një mjedis ku transportuesit e ngarkesës janë të pranishëm në rastin e përgjithshëm, një lëvizje e urdhëruar e grimcave të ngarkuara do të fillojë në të. Fenomeni quhet zhvendosje e ngarkesës.
Mund të përshkruhet shkurtimisht si më poshtë. Në pika të ndryshme të fushës, lind një ndryshim potencial (tension), domethënë, energjia e bashkëveprimit të ngarkesave elektrike të vendosura në këto pika me fushën, në lidhje me madhësinë e këtyre ngarkesave, do të jetë e ndryshme. Meqenëse çdo sistem fizik, siç dihet, priret në një minimum të energjisë potenciale që korrespondon me gjendjen e ekuilibrit, grimcat e ngarkuara do të fillojnë të lëvizin drejt barazimit të potencialeve. Me fjalë të tjera, fusha bën disa punë për të lëvizur këto grimca.
Kur potencialet barazohen, tensioni zhduketfushë elektrike - ajo zhduket. Në të njëjtën kohë, lëvizja e urdhëruar e grimcave të ngarkuara, rryma, gjithashtu ndalon. Për të marrë një fushë të palëvizshme, domethënë të pavarur nga koha, është e nevojshme të përdoret një burim rrymë në të cilin, për shkak të çlirimit të energjisë në procese të caktuara (për shembull, kimike), ngarkesat ndahen vazhdimisht dhe ushqehen në polet, duke ruajtur ekzistencën e një fushe elektrike.
Rryma mund të merret në mënyra të ndryshme. Pra, një ndryshim në fushën magnetike ndikon në ngarkesat në qarkun përcjellës të futur në të dhe shkakton lëvizjen e tyre të drejtuar. Një rrymë e tillë quhet induktive.
Karakteristikat sasiore të rrymës
Parametri kryesor me të cilin rryma përshkruhet në mënyrë sasiore është forca e rrymës (nganjëherë thonë "vlerë" ose thjesht "rrymë"). Përkufizohet si sasia e energjisë elektrike (sasia e ngarkesës ose numri i ngarkesave elementare) që kalon për njësi të kohës nëpër një sipërfaqe të caktuar, zakonisht përmes seksionit kryq të një përcjellësi: I=Q / t. Rryma matet në amper: 1 A \u003d 1 C / s (kulomb për sekondë). Në seksionin e qarkut elektrik, forca aktuale lidhet drejtpërdrejt me ndryshimin e potencialit dhe anasjelltas - me rezistencën e përcjellësit: I \u003d U / R. Për një qark të plotë, kjo varësi (ligji i Ohmit) shprehet si I=⁇/R+r, ku ⁇ është forca elektromotore e burimit dhe r është rezistenca e tij e brendshme.
Raporti i fuqisë së rrymës me seksionin kryq të përcjellësit përmes të cilit lëvizja e renditur e grimcave të ngarkuara ndodh pingul me të quhet dendësia e rrymës: j=I/S=Q/Rr. Kjo vlerë karakterizon sasinë e energjisë elektrike që rrjedh për njësi të kohës nëpër një njësi sipërfaqeje. Sa më e lartë të jetë forca e fushës E dhe përçueshmëria elektrike e mediumit σ, aq më e madhe është densiteti i rrymës: j=σ∙E. Ndryshe nga forca aktuale, kjo sasi është vektoriale dhe ka një drejtim përgjatë lëvizjes së grimcave që mbajnë një ngarkesë pozitive.
Drejtimi aktual dhe drejtimi i lëvizjes
Në një fushë elektrike, objektet që mbartin një ngarkesë, nën ndikimin e forcave të Kulonit, do të bëjnë një lëvizje të urdhëruar në polin e burimit aktual, përballë shenjës së ngarkesës. Grimcat e ngarkuara pozitivisht lëvizin drejt polit negativ ("minus") dhe, anasjelltas, ngarkesat negative të lira tërhiqen në "plus" të burimit. Grimcat gjithashtu mund të lëvizin në dy drejtime të kundërta në të njëjtën kohë nëse ka bartës ngarkese të të dy shenjave në mjedisin përcjellës.
Për arsye historike, përgjithësisht pranohet se rryma drejtohet në mënyrën se si lëvizin ngarkesat pozitive - nga "plus" në "minus". Për të shmangur konfuzionin, duhet mbajtur mend se megjithëse në rastin më të njohur të rrymës në përçuesit metalikë, lëvizja reale e grimcave - elektroneve - ndodh, natyrisht, në drejtim të kundërt, ky rregull i kushtëzuar zbatohet gjithmonë.
Shpejtësia aktuale e përhapjes dhe zhvendosjes
Shpesh ka probleme me të kuptuarit se sa shpejt lëviz rryma. Dy koncepte të ndryshme nuk duhet të ngatërrohen: shpejtësia e përhapjes së rrymës (elektrikesinjal) dhe shpejtësia e lëvizjes së grimcave - bartës të ngarkesës. E para është shpejtësia me të cilën transmetohet bashkëveprimi elektromagnetik ose - që është e njëjtë - fusha përhapet. Është afër (duke marrë parasysh mjedisin e përhapjes) me shpejtësinë e dritës në vakum dhe është pothuajse 300,000 km/s.
Grimcat e bëjnë lëvizjen e tyre të rregullt shumë ngadalë (10-4–10-3 m/s). Shpejtësia e lëvizjes varet nga intensiteti me të cilin fusha elektrike e aplikuar vepron mbi to, por në të gjitha rastet është disa rend të madhësisë inferiore ndaj shpejtësisë së lëvizjes termike të rastësishme të grimcave (105 –106m/s). Është e rëndësishme të kuptohet se nën veprimin e fushës, fillon zhvendosja e njëkohshme e të gjitha tarifave falas, kështu që rryma shfaqet menjëherë në të gjithë përcjellësin.
Llojet e rrymës
Së pari, rrymat dallohen nga sjellja e transportuesve të ngarkesës me kalimin e kohës.
- Një rrymë konstante është një rrymë që nuk ndryshon as madhësinë (forcën) dhe as drejtimin e lëvizjes së grimcave. Kjo është mënyra më e lehtë për të lëvizur grimcat e ngarkuara dhe është gjithmonë fillimi i studimit të rrymës elektrike.
- Në rrymë alternative, këta parametra ndryshojnë me kalimin e kohës. Gjenerimi i tij bazohet në fenomenin e induksionit elektromagnetik që ndodh në një qark të mbyllur për shkak të një ndryshimi (rrotullimi) të fushës magnetike. Fusha elektrike në këtë rast ndryshon periodikisht vektorin e intensitetit. Prandaj, shenjat e potencialeve ndryshojnë dhe vlera e tyre kalon nga "plus" në "minus" të gjitha vlerat e ndërmjetme, përfshirë zero. Si rezultatfenomen, lëvizja e urdhëruar e grimcave të ngarkuara ndryshon drejtimin gjatë gjithë kohës. Madhësia e një rryme të tillë luhatet (zakonisht në mënyrë sinusoidale, domethënë në mënyrë harmonike) nga maksimumi në minimum. Rryma alternative ka një karakteristikë kaq të rëndësishme të shpejtësisë së këtyre lëkundjeve si frekuenca - numri i cikleve të plota të ndryshimit për sekondë.
Përveç këtij klasifikimi më të rëndësishëm, ndryshimet ndërmjet rrymave mund të bëhen edhe sipas një kriteri të tillë si natyra e lëvizjes së transportuesve të ngarkesës në raport me mjedisin në të cilin përhapet rryma.
Rrymat e përçueshmërisë
Shembulli më i famshëm i një rryme është lëvizja e urdhëruar, e drejtuar e grimcave të ngarkuara nën veprimin e një fushe elektrike brenda një trupi (medium). Quhet rrymë përcjellëse.
Në trupat e ngurtë (metale, grafit, shumë materiale komplekse) dhe disa lëngje (zhiva dhe shkrirjet e tjera të metaleve), elektronet janë grimca të ngarkuara lëvizëse. Një lëvizje e renditur në një përcjellës është zhvendosja e tyre në lidhje me atomet ose molekulat e një lënde. Përçueshmëria e këtij lloji quhet elektronike. Në gjysmëpërçuesit, transferimi i ngarkesës ndodh gjithashtu për shkak të lëvizjes së elektroneve, por për një sërë arsyesh është i përshtatshëm të përdoret koncepti i një vrime për të përshkruar rrymën - një kuazigrimcë pozitive, e cila është një boshllëk elektroni në lëvizje.
Në tretësirat elektrolitike, kalimi i rrymës kryhet për shkak të lëvizjes së joneve negative dhe pozitive në pole të ndryshëm - anoda dhe katoda, të cilat janë pjesë e tretësirës.
Rrymat e transferimit
Gazi - në kushte normale një dielektrik - mund të bëhet gjithashtu një përcjellës nëse i nënshtrohet një jonizimi mjaft të fortë. Përçueshmëria elektrike e gazit është e përzier. Një gaz i jonizuar është tashmë një plazmë në të cilën lëvizin të dy elektronet dhe jonet, domethënë të gjitha grimcat e ngarkuara. Lëvizja e tyre e renditur formon një kanal plazmatik dhe quhet shkarkim gazi.
Lëvizja e drejtuar e ngarkesave mund të ndodhë jo vetëm brenda mjedisit. Supozoni se një rreze elektronesh ose jonesh po lëviz në vakum, e emetuar nga një elektrodë pozitive ose negative. Ky fenomen quhet emetim i elektroneve dhe përdoret gjerësisht, për shembull, në pajisjet vakum. Sigurisht, kjo lëvizje është një rrymë.
Një rast tjetër është lëvizja e një trupi makroskopik të ngarkuar elektrikisht. Kjo është gjithashtu një rrymë, pasi një situatë e tillë plotëson kushtin e transferimit të ngarkesës së drejtuar.
Të gjithë shembujt e mësipërm duhet të konsiderohen si një lëvizje e renditur e grimcave të ngarkuara. Kjo rrymë quhet rrymë konveksioni ose transferimi. Vetitë e tij, për shembull, magnetike, janë plotësisht të ngjashme me ato të rrymave përcjellëse.
Rryma e paragjykimit
Ekziston një fenomen që nuk ka të bëjë fare me transferimin e ngarkesës dhe ndodh kur ka një fushë elektrike që ndryshon nga koha që ka vetinë e përcjelljes "reale" ose rrymave të transferimit: ajo ngacmon një fushë magnetike alternative. Kjo ështëndodh, për shembull, në qarqet e rrymës alternative midis pllakave të kondensatorëve. Fenomeni shoqërohet me transferim të energjisë dhe quhet rrymë zhvendosëse.
Në fakt, kjo vlerë tregon se sa shpejt ndryshon induksioni i fushës elektrike në një sipërfaqe të caktuar pingul me drejtimin e vektorit të saj. Koncepti i induksionit elektrik përfshin fuqinë e fushës dhe vektorët e polarizimit. Në një vakum, merret parasysh vetëm tensioni. Për sa i përket proceseve elektromagnetike në materie, polarizimi i molekulave ose atomeve, në të cilat, kur ekspozohen ndaj një fushe, ndodh lëvizja e ngarkesave të lidhura (jo të lira!), jep njëfarë kontributi në rrymën zhvendosëse në një dielektrik ose përcjellës.
Emri e ka origjinën në shekullin e 19-të dhe është i kushtëzuar, pasi një rrymë elektrike e vërtetë është një lëvizje e urdhëruar e grimcave të ngarkuara. Rryma e zhvendosjes nuk ka asnjë lidhje me lëvizjen e ngarkesës. Prandaj, në mënyrë rigoroze, nuk është një rrymë.
Manifestimet (veprimet) e tanishme
Lëvizja e urdhëruar e grimcave të ngarkuara shoqërohet gjithmonë nga disa fenomene fizike, të cilat, në fakt, mund të përdoren për të gjykuar nëse ky proces po zhvillohet apo jo. Është e mundur që fenomenet e tilla (veprimet aktuale) të ndahen në tre grupe kryesore:
- Veprim magnetik. Një ngarkesë elektrike lëvizëse krijon domosdoshmërisht një fushë magnetike. Nëse vendosni një busull pranë një përcjellësi përmes të cilit rrjedh rryma, shigjeta do të kthehet pingul me drejtimin e kësaj rryme. Bazuar në këtë fenomen, funksionojnë pajisjet elektromagnetike, duke lejuar, për shembull, të konvertojnë energjinë elektrikenë mekanik.
- Efekt termik. Rryma punon për të kapërcyer rezistencën e përcjellësit, duke rezultuar në çlirimin e energjisë termike. Kjo ndodh sepse, gjatë lëvizjes, grimcat e ngarkuara përjetojnë shpërndarje në elementët e rrjetës kristalore ose molekulave të përcjellësit dhe u japin atyre energji kinetike. Nëse rrjeta e, të themi, një metali do të ishte krejtësisht e rregullt, elektronet praktikisht nuk do ta vinin re atë (kjo është pasojë e natyrës valore të grimcave). Megjithatë, së pari, vetë atomet në vendet e rrjetës i nënshtrohen dridhjeve termike që shkelin rregullsinë e saj, dhe së dyti, defektet e rrjetës - atomet e papastërtisë, dislokimet, zbrazëtitë - ndikojnë gjithashtu në lëvizjen e elektroneve.
- Vërehet veprim kimik në elektrolite. Jonet me ngarkesë të kundërt, në të cilat shpërndahet tretësira elektrolitike, kur aplikohet një fushë elektrike, ndahen në elektroda të kundërta, gjë që çon në dekompozimin kimik të elektrolitit.
Me përjashtim të rasteve kur lëvizja e renditur e grimcave të ngarkuara është objekt i kërkimit shkencor, ajo i intereson një personi në manifestimet e saj makroskopike. Nuk është vetë rryma ajo që është e rëndësishme për ne, por fenomenet e renditura më sipër, të cilat ajo i shkakton, për shkak të shndërrimit të energjisë elektrike në forma të tjera.
Të gjitha veprimet aktuale luajnë një rol të dyfishtë në jetën tonë. Në disa raste, është e nevojshme të mbrohen njerëzit dhe pajisjet prej tyre, në të tjera, marrja e një ose një efekti tjetër të shkaktuar nga transferimi i drejtuar i ngarkesave elektrike është i drejtpërdrejtë.qëllimi i një shumëllojshmërie të gjerë pajisjesh teknike.
