Suur hulk füüsikalisi nähtusi, nii mikroskoopilisi kui ka makroskoopilisi, on oma olemuselt elektromagnetilised. Nende hulka kuuluvad hõõrde- ja elastsusjõud, kõik keemilised protsessid, elekter, magnetism, optika.
Üks sellistest elektromagnetilise vastasmõju ilmingutest on laetud osakeste korrapärane liikumine. See on absoluutselt vajalik element peaaegu kõigis kaasaegsetes tehnoloogiates, mida kasutatakse erinevates valdkondades – alates meie elukorraldusest kuni kosmoselendudeni.
Nähtuse üldkontseptsioon
Laetud osakeste järjestatud liikumist nimetatakse elektrivooluks. Sellist laengute liikumist saab erinevates keskkondades läbi viia teatud osakeste, mõnikord ka kvaasiosakeste abil.
Vooluse eelduseks ontäpselt korrapärane, suunatud liikumine. Laetud osakesed on objektid, millel (nagu ka neutraalsetel) on termiline kaootiline liikumine. Vooluvool tekib aga ainult siis, kui selle pideva kaootilise protsessi taustal toimub laengute üldine liikumine mingis suunas.
Kui keha, tervikuna elektriliselt neutraalne, liigub, liiguvad osakesed selle aatomites ja molekulides loomulikult mingis suunas, aga kuna neutraalses objektis vastandlaengud kompenseerivad üksteist, siis laenguülekannet ei toimu, ja me saame rääkida voolust, pole ka sel juhul mõtet.
Kuidas voolu genereeritakse
Mõelge alalisvoolu ergutamise lihtsaimale versioonile. Kui elektriväli rakendada keskkonnale, kus laengukandjad on üldjuhul olemas, algab selles laetud osakeste korrastatud liikumine. Seda nähtust nimetatakse laengu triiviks.
Seda saab lühid alt kirjeldada järgmiselt. Välja erinevates punktides tekib potentsiaalide erinevus (pinge), see tähendab, et nendes punktides asuvate elektrilaengute ja välja vastasmõju energia, mis on seotud nende laengute suurusega, on erinev. Kuna iga füüsikaline süsteem, nagu on teada, kaldub tasakaaluolekule vastava minimaalse potentsiaalse energia poole, hakkavad laetud osakesed liikuma potentsiaalide ühtlustamise suunas. Teisisõnu, väli teeb nende osakeste liigutamiseks tööd.
Kui potentsiaalid on võrdsustatud, kaob pingeelektriväli - see kaob. Samal ajal peatub ka laetud osakeste järjestatud liikumine, vool. Statsionaarse ehk ajast sõltumatu välja saamiseks on vaja kasutada vooluallikat, milles teatud protsessides (näiteks keemilistes) energia vabanemise tõttu eraldatakse laenguid pidev alt ja juhitakse poolused, säilitades elektrivälja olemasolu.
Voolust saab hankida mitmel viisil. Niisiis mõjutab magnetvälja muutus sellesse sisestatud juhtiva ahela laenguid ja põhjustab nende suunatud liikumist. Sellist voolu nimetatakse induktiivseks.
Voolu kvantitatiivsed omadused
Peamine parameeter, millega voolu kvantitatiivselt kirjeldatakse, on voolu tugevus (mõnikord öeldakse "väärtus" või lihts alt "vool"). See on määratletud kui elektrienergia kogus (laengu kogus või elementaarlaengute arv), mis läbib ajaühikus teatud pinna, tavaliselt läbi juhi ristlõike: I=Q / t. Voolutugevust mõõdetakse amprites: 1 A \u003d 1 C / s (kuloni sekundis). Elektriahela sektsioonis on voolutugevus otseselt seotud potentsiaalide erinevusega ja pöördvõrdeliselt juhi takistusega: I \u003d U / R. Täieliku vooluringi korral väljendatakse seda sõltuvust (Oomi seadus) kujul I=Ԑ/R+r, kus Ԑ on allika elektromotoorjõud ja r selle sisetakistus.
Voolu tugevuse suhet juhi ristlõikesse, mille kaudu toimub laetud osakeste järjestatud liikumine sellega risti, nimetatakse voolutiheduseks: j=I/S=Q/St. See väärtus iseloomustab elektrienergia hulka, mis voolab ajaühikus läbi pindalaühiku. Mida suurem on väljatugevus E ja keskkonna elektrijuhtivus σ, seda suurem on voolutihedus: j=σ∙E. Erinev alt voolutugevusest on see suurus vektor ja sellel on suund positiivset laengut kandvate osakeste liikumise suunas.
Praegune suund ja triivi suund
Elektriväljas sooritavad laengut kandvad objektid Coulombi jõudude mõjul korrapärase liikumise vooluallika poolusele, mis on laengu märgiga vastassuunas. Positiivselt laetud osakesed triivivad negatiivse pooluse ("miinus") poole ja vastupidi, vabad negatiivsed laengud tõmbavad allika "plussi". Osakesed võivad liikuda ka kahes vastassuunas korraga, kui juhtivas keskkonnas on mõlema märgi laengukandjad.
Ajaloolistel põhjustel on üldiselt aktsepteeritud, et vool on suunatud positiivsete laengute liikumisviisile – plussilt miinuseni. Segaduste vältimiseks tuleks meeles pidada, et kuigi metalljuhtide voolu kõige tuttavamal juhul toimub osakeste - elektronide - tegelik liikumine loomulikult vastupidises suunas, kehtib see tingimuslik reegel alati.
Praegune levimis- ja triivikiirus
Sageli on probleeme voolu liikumise kiiruse mõistmisega. Kahte erinevat mõistet ei tohiks segi ajada: voolu levimiskiirus (elektrilinesignaal) ja osakeste triivikiirus – laengukandjad. Esimene on kiirus, millega elektromagnetiline interaktsioon edastatakse või – mis on sama – välja levib. See on lähedane (arvestades levimiskeskkonda) valguse kiirusele vaakumis ja on peaaegu 300 000 km/s.
Osakesed teevad oma korrapärase liikumise väga aeglaselt (10-4–10-3 m/s). Triivi kiirus sõltub intensiivsusest, millega rakendatud elektriväli neile mõjub, kuid kõigil juhtudel on see mitu suurusjärku väiksem kui osakeste termilise juhusliku liikumise kiirus (105 –106m/s). Oluline on mõista, et välja mõjul algab kõigi vabade laengute samaaegne triivimine, nii et vool ilmub kohe kogu juhis.
Praeguse tüübid
Esiteks eristuvad voolud laengukandjate käitumise järgi ajas.
- Püsivool on vool, mis ei muuda osakeste liikumise suurust (tugevust) ega suunda. See on lihtsaim viis laetud osakeste liigutamiseks ja see on alati elektrivoolu uurimise algus.
- Vahelduvvoolu korral muutuvad need parameetrid aja jooksul. Selle genereerimine põhineb elektromagnetilise induktsiooni nähtusel, mis tekib suletud ahelas magnetvälja muutumise (pöörlemise) tõttu. Elektriväli pöörab sel juhul perioodiliselt intensiivsusvektorit ümber. Vastav alt sellele muutuvad potentsiaalide märgid ja nende väärtus läheb "plussist" "miinusesse" kõik vaheväärtused, sealhulgas null. Tulemusenanähtus, laetud osakeste järjestatud liikumine muudab kogu aeg suunda. Sellise voolu tugevus kõigub (tavaliselt sinusoidaalselt, st harmooniliselt) maksimumist miinimumini. Vahelduvvoolul on nende võnkumiste kiiruse selline oluline omadus nagu sagedus – täielike muutuste tsüklite arv sekundis.
Lisaks sellele kõige olulisemale klassifikatsioonile saab voolude vahel erinevusi teha ka sellise kriteeriumi järgi nagu laengukandjate liikumise iseloom keskkonna suhtes, milles vool levib.
Juhtvoolud
Kuulsaim näide voolust on laetud osakeste järjestatud, suunatud liikumine kehas (keskkonnas) elektrivälja toimel. Seda nimetatakse juhtivusvooluks.
Tahketes ainetes (metallid, grafiit, paljud keerulised materjalid) ja mõnedes vedelikes (elavhõbe ja muud metallisulamid) on elektronid liikuvad laetud osakesed. Korrastatud liikumine juhis on nende triiv aine aatomite või molekulide suhtes. Sellist juhtivust nimetatakse elektrooniliseks. Pooljuhtides toimub laengu ülekanne ka elektronide liikumise tõttu, kuid mitmel põhjusel on voolu kirjeldamiseks mugav kasutada augu mõistet – positiivne kvaasiosake, mis on liikuva elektroni vakantsus.
Elektrolüütilistes lahustes toimub voolu läbimine negatiivsete ja positiivsete ioonide liikumise tõttu erinevatele poolustele – anoodile ja katoodile, mis on lahuse osa.
Voolude ülekandmine
Gaas – tavatingimustes dielektrik – võib piisav alt tugeva ionisatsiooni korral muutuda juhiks. Gaasi elektrijuhtivus on segatud. Ioniseeritud gaas on juba plasma, milles liiguvad nii elektronid kui ioonid ehk kõik laetud osakesed. Nende järjestatud liikumine moodustab plasmakanali ja seda nimetatakse gaaslahenduseks.
Laengute suunatud liikumine võib toimuda mitte ainult keskkonnas. Oletame, et vaakumis liigub elektronide või ioonide kiir, mis kiirgub positiivselt või negatiivselt elektroodilt. Seda nähtust nimetatakse elektronide emissiooniks ja seda kasutatakse laialdaselt näiteks vaakumseadmetes. Muidugi on see liikumine praegune.
Teine juhtum on elektriliselt laetud makroskoopilise keha liikumine. See on ka vool, kuna selline olukord vastab suunatud laenguülekande tingimusele.
Kõiki ül altoodud näiteid tuleks käsitleda laetud osakeste järjestatud liikumisena. Seda voolu nimetatakse konvektsiooniks või ülekandevooluks. Selle omadused, näiteks magnetilised, on täiesti sarnased juhtivusvoolude omadega.
Eelpingevool
On nähtus, millel pole mingit pistmist laengu ülekandega ja mis tekib seal, kus on ajas muutuv elektriväli, millel on "päris" juhtivuse või ülekandevoolu omadus: see ergastab vahelduvat magnetvälja. See onesineb näiteks vahelduvvooluahelates kondensaatorite plaatide vahel. Nähtusega kaasneb energia ülekanne ja seda nimetatakse nihkevooluks.
Tegelikult näitab see väärtus, kui kiiresti muutub elektrivälja induktsioon teatud pinnal, mis on risti selle vektori suunaga. Elektrilise induktsiooni mõiste hõlmab väljatugevuse ja polarisatsiooni vektoreid. Vaakumis võetakse arvesse ainult pinget. Mis puudutab aines toimuvaid elektromagnetilisi protsesse, siis dielektriku või juhi nihkevoolule annab teatud panuse molekulide või aatomite polariseerumine, milles väljaga kokkupuutel toimub seotud (mitte vabade!) laengute liikumine.
Nimi tekkis 19. sajandil ja on tingimuslik, kuna tõeline elektrivool on laetud osakeste korrapärane liikumine. Nihkevoolul pole laengutriiviga midagi pistmist. Seetõttu ei ole see rangelt võttes vool.
Praeguse ilmingud (toimingud)
Laetud osakeste korrapärase liikumisega kaasnevad alati teatud füüsikalised nähtused, mille põhjal saab tegelikult hinnata, kas see protsess toimub või mitte. Sellised nähtused (praegused tegevused) on võimalik jagada kolme põhirühma:
- Magnetiline tegevus. Liikuv elektrilaeng tekitab tingimata magnetvälja. Kui asetate kompassi juhtme kõrvale, mille kaudu vool voolab, pöördub nool selle voolu suunaga risti. Selle nähtuse põhjal töötavad elektromagnetilised seadmed, mis võimaldavad näiteks elektrienergiat muundadamehaaniliseks.
- Soojusefekt. Vool töötab juhtme takistuse ületamiseks, mille tulemuseks on soojusenergia vabanemine. Selle põhjuseks on asjaolu, et triivi ajal hajuvad laetud osakesed kristallvõre elementidele või juhimolekulidele ja annavad neile kineetilise energia. Kui näiteks metalli võre oleks täiesti korrapärane, siis elektronid seda praktiliselt ei märkaks (see on osakeste lainelise olemuse tagajärg). Kuid esiteks alluvad võrekohtades olevad aatomid ise termilistele vibratsioonidele, mis rikuvad selle regulaarsust, ja teiseks mõjutavad elektronide liikumist ka võre defektid – lisandiaatomid, nihestused, vabad kohad.
- Elektrolüütides on täheldatud keemilist toimet. Vastupidiselt laetud ioonid, milleks elektrolüütiline lahus elektrivälja rakendamisel dissotsieerub, eraldatakse vastassuunalistele elektroodidele, mis viib elektrolüüdi keemilise lagunemiseni.
Välja arvatud juhul, kui laetud osakeste järjestatud liikumine on teadusliku uurimise objektiks, pakub see inimesele huvi selle makroskoopiliste ilmingute poolest. Meie jaoks pole oluline mitte vool ise, vaid ülalloetletud nähtused, mida see elektrienergia muudeks vormideks muutumise tõttu põhjustab.
Kõik praegused tegevused mängivad meie elus kahetist rolli. Mõnel juhul on vaja inimesi ja seadmeid nende eest kaitsta, teisel juhul on elektrilaengute suunatud ülekandmisest põhjustatud ühe või teise efekti saamine otsene.mitmesuguste tehniliste seadmete jaoks.
