Ruch uporządkowany cząstek naładowanych: pojęcie i charakterystyka

Wiele zjawisk fizycznych, zarówno mikroskopowych, jak i makroskopowych, ma charakter elektromagnetyczny. Należą do nich siły tarcia i sprężystości, wszystkie procesy chemiczne, elektryczność, magnetyzm, optyka.

Jednym z takich przejawów oddziaływania elektromagnetycznego jest uporządkowanie uporządkowany ruch naładowanych cząstek. Jest to absolutnie niezbędny element niemal wszystkich nowoczesnych technologii, które znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach, począwszy od organizacji naszego życia, aż po podróże kosmiczne.

Ogólna koncepcja zjawiska

Uporządkowany ruch naładowanych cząstek nazywamy prądem elektrycznym. Ten dryf ładunków może odbywać się w różnych mediach za pomocą cząstek, czasem quasi-cząstek.

Właśnie uporządkowany, kierunkowy ruch ładunków jest warunkiem koniecznym do wzbudzenia prądu. Cząstki naładowane to obiekty, które (podobnie jak cząstki neutralne) mają chaotyczny ruch cieplny. Jednak prąd pojawia się tylko wtedy, gdy na tle tego ciągłego nieuporządkowanego procesu następuje ogólny ruch ładunków w określonym kierunku.

Podczas ruchu dowolnego ciała, w ogólności obojętnego elektrycznie, cząsteczki, składające się z jego atomów i molekuł, oczywiście poruszają się w sposób ukierunkowany, ale ponieważ przeciwne ładunki w obiekcie obojętnym kompensują się, nie dochodzi do przeniesienia ładunku i mówienie o prądzie w tym przypadku również nie ma sensu.

Jak powstaje prąd

Rozważmy najprostszy przypadek wzbudzenia prądem stałym. Jeżeli do ośrodka, w którym nośniki ładunków występują w ogóle, przyłożymy pole elektryczne, rozpocznie się w nim uporządkowany ruch naładowanych cząstek. Zjawisko to nazywane jest dryfem ładunków.

W skrócie można ją opisać w następujący sposób. W różnych punktach pola powstaje różnica potencjałów (napięcie), czyli energia oddziaływania ładunków elektrycznych znajdujących się w tych punktach z polem, związana z wartością tych ładunków będzie różna. Ponieważ każdy układ fizyczny, jak wiemy, dąży do minimum energii potencjalnej odpowiadającej stanowi równowagi, naładowane cząstki zaczną poruszać się w kierunku równowagi potencjałów. Innymi słowy, pole wykonuje pewną pracę, aby poruszyć te cząstki.

Gdy potencjały się wyrównają, natężenie pola elektrycznego jest zerowe - znika. Jednocześnie zatrzymuje uporządkowany ruch naładowanych cząstek, czyli prąd. W celu uzyskania pola stacjonarnego, tj. niezależnego od czasu, konieczne jest zastosowanie źródła prądu, w którym na skutek uwalniania energii w pewnych procesach (np. chemicznych) ładunki stale się rozdzielają i dochodzą do biegunów, podtrzymując istnienie pola elektrycznego.

Prąd można uzyskać na różne sposoby. Na przykład zmiana pola magnetycznego wpływa na ładunki we wprowadzonym obwodzie przewodzącym i powoduje ich kierunkowy ruch. Ten prąd nazywany jest prądem indukcyjnym.

Określenie ilościowe prądu

Głównym sposobem, w jaki prąd jest określany ilościowo, jest jego siła (czasami nazywana "magnitudą" lub po prostu "prądem"). Definiuje się ją jako ilość energii elektrycznej (ilość ładunku lub liczba ładunków elementarnych) przepływającą w jednostce czasu przez jakąś powierzchnię, najczęściej przez przekrój poprzeczny przewodnika: I = Q/t. Prąd mierzony jest w amperach: 1 A = 1 kl/s (coulomb na sekundę). W obwodzie natężenie prądu jest bezpośrednio związane z różnicą potencjałów i odwrotnie z oporem przewodnika: I = U/R. Dla pełnego obwodu zależność ta (prawo Ohma) wyraża się jako I = Ԑ/R+r, gdzie Ԑ jest siłą elektromotoryczną źródła, a r jego oporem wewnętrznym.

Stosunek natężenia prądu do przekroju poprzecznego przewodnika, przez który odbywa się uporządkowany ruch naładowanych cząstek prostopadły do niego, nazywamy gęstością prądu: j = I/S = Q/St. Wielkość ta opisuje ilość energii elektrycznej, która przepływa w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni. Im większe natężenie pola E i przewodność elektryczna ośrodka σ, tym większa gęstość prądu: j = σ∙E. W przeciwieństwie do siły prądu, wielkość ta jest wielkością wektorową i ma kierunek ruchu cząstek niosących ładunek dodatni.

Kierunek prądu i kierunek dryfu

W polu elektrycznym obiekty niosące ładunek, pod wpływem działania siły Coulomba, wykonują uporządkowany ruch w kierunku przeciwnego bieguna źródła prądu. Dodatnio naładowane cząstki dryfują w kierunku bieguna ujemnego ("minus") i odwrotnie, swobodne ładunki ujemne są przyciągane do "plus" źródło. Cząstki mogą poruszać się jednocześnie w dwóch przeciwnych kierunkach, jeśli w ośrodku przewodzącym znajdują się nośniki ładunków obu znaków.

Ze względów historycznych przyjmuje się na ogół, że prąd jest skierowany w ten sam sposób, w jaki poruszają się ładunki dodatnie - od "plus" к "minus". Aby uniknąć nieporozumień, należy pamiętać, że chociaż w najbardziej znanym przypadku prądu w przewodnikach metalicznych rzeczywisty ruch cząstek - elektronów - odbywa się, oczywiście, w przeciwnym kierunku, to podana zasada warunkowa obowiązuje zawsze.

Propagacja prądu i prędkość dryfowania

Często występują również problemy ze zrozumieniem, jak szybko przemieszcza się prąd. Nie należy mylić dwóch różnych pojęć: prędkości rozchodzenia się prądu (sygnału elektrycznego) i prędkości dryfu cząstek przenoszących ładunek. Pierwszą z nich jest prędkość, z jaką oddziaływanie elektromagnetyczne lub - analogicznie - pole rozchodzi się. Jest ona zbliżona (ze względu na ośrodek propagacji) do prędkości światła w próżni i wynosi około 300 000 km/s.

Cząstki natomiast wykonują swój uporządkowany ruch bardzo powoli (10^-4-10^-3 m/s). Prędkość dryfu zależy od siły, z jaką działa na nie przyłożone pole elektryczne, ale we wszystkich przypadkach jest o kilka rzędów wielkości mniejsza od termicznego ruchu bezładnego cząstek (10⁵-10⁶ m/s). Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że pole to rozpoczyna jednoczesne dryfowanie wszystkich ładunków swobodnych, dzięki czemu w całym przewodniku pojawia się od razu prąd.

Rodzaje prądów

Prądy wyróżnia przede wszystkim zachowanie się nośników ładunku w czasie.

• Prądem nazywamy prąd stały, który nie zmienia ani wielkości (siły), ani kierunku ruchu cząsteczek. Jest to najprostszy sposób poruszania się naładowanych cząstek i jest zawsze punktem wyjścia do badania prądu elektrycznego.
• Prąd zmienny ma te parametry zmieniać się w czasie. Jego wytwarzanie oparte jest na zjawisku indukcji elektromagnetycznej powstającej w obwodzie zamkniętym w wyniku zmiany (obrotu) pola magnetycznego. Pole elektryczne w tym przypadku okresowo odwraca wektor natężenia. W związku z tym zmieniają się znaki potencjałów, a ich wielkość przechodzi od "plus" do "minus" wszystkie wartości pośrednie, w tym zero. W wyniku tego zjawiska uporządkowany ruch kierunkowy naładowanych cząstek ulega ciągłej zmianie kierunku. Wielkość takiego prądu zmienia się (najczęściej sinusoidalnie, czyli harmonicznie) od maksimum do minimum. Prąd zmienny ma tak ważną cechę szybkości tych oscylacji jak częstotliwość - liczba pełnych cykli zmian w ciągu sekundy.

Oprócz ten najważniejszy W celu sklasyfikowania prądów można je również rozróżnić według takiego kryterium jak charakter ruchu nośników ładunku względem ośrodka, w którym prąd się rozchodzi.

prądy przewodzenia

Najbardziej znanym przykładem nurtu jest porządek, kierunkowy ruch naładowanych Prąd cząstki pod działaniem pola elektrycznego wewnątrz ciała (ośrodka). Nazywa się go prądem przewodzenia.

W ciałach stałych (metale, grafit, wiele materiałów złożonych) i niektórych cieczach (rtęć i inne stopione metale) elektrony są ruchomymi naładowanymi cząstkami. Ruch uporządkowany w przewodniku to ich dryf względem atomów lub cząsteczek substancji. Ten rodzaj przewodnictwa nazywany jest przewodnictwem elektronicznym. W półprzewodnikach przenoszenie ładunków również odbywa się kosztem ruchu elektronów, ale z pewnych względów do opisu prądu wygodnie jest używać pojęcia dziury - dodatniej quasi-cząstki, która jest wędrującą wakacją elektronową.

W roztworach elektrolitycznych przepływ prądu następuje w wyniku przemieszczania się jonów ujemnych i dodatnich, będących składnikami roztworu, do przeciwległych biegunów, anody i katody.

Prądy przesyłowe

Gaz - normalnie dielektryk - może stać się również przewodnikiem, jeśli zostanie poddany wystarczająco silnej jonizacji. Przewodnictwo gazowe ma charakter mieszany. Zjonizowany gaz jest już plazmą, w której poruszają się zarówno elektrony, jak i jony, czyli wszystkie naładowane cząstki. Uporządkowany ich ruch tworzy kanał plazmowy i nazywany jest wyładowaniem gazowym.

Kierunkowy ruch ładunków może odbywać się nie tylko w obrębie ośrodka. Załóżmy na przykład, że w próżni znajduje się wiązka elektronów lub jonów emitowanych z elektrody dodatniej lub ujemnej. Zjawisko to nazywane jest emisją elektronów i jest szeroko stosowane np. w urządzeniach próżniowych. Taki ruch bez wątpienia reprezentuje prąd.

Innym przypadkiem jest ruch naładowanego elektrycznie makroskopowego ciała. Jest to również prąd, gdyż taka sytuacja spełnia warunek kierunkowego przekazywania ładunków.

Wszystkie podane przykłady należy traktować jako uporządkowany ruch naładowanych cząstek. Ten prąd nazywany jest prądem konwekcyjnym lub transferowym. Jego właściwości, np. magnetyczne, są dość podobne do właściwości prądów przewodzonych.

Prąd wypornościowy

Istnieje zjawisko, niezwiązane z przenoszeniem ładunków, występujące tam, gdzie występuje zmienne w czasie pole elektryczne, które ma właściwość właściwą dla "prawdziwych" prądów przewodzenia lub przenoszenia: wzbudza zmienne pole magnetyczne. Występuje to np. w obwodach prądu zmiennego między uzwojeniami kondensatorów. Zjawisku temu towarzyszy przekazanie energii i nazywane jest prądem biasu.

Zasadniczo wielkość ta wskazuje, jak szybko zmienia się indukcja pola elektrycznego na jakiejś powierzchni prostopadłej do kierunku jego wektora. Pojęcie indukcji elektrycznej obejmuje wektory natężenia pola i polaryzacji. W próżni bierze się pod uwagę tylko siłę. Jeśli chodzi o procesy elektromagnetyczne w materii, to polaryzacja cząsteczek lub atomów, w których pod wpływem pola następuje ruch związanych (nie wolnych!) ładunków, wnosi coś do prądu bias w dielektryku lub przewodniku.

Nazwa powstała w XIX wieku i jest umowna, gdyż rzeczywisty prąd elektryczny to uporządkowany ruch naładowanych cząstek. Prąd wyporu nie ma nic wspólnego z dryfem ładunku. Dlatego, ściśle rzecz biorąc, nie jest to prąd.

Zjawiska bieżące (działania)

Uporządkowanemu ruchowi naładowanych cząstek towarzyszą zawsze różne zjawiska fizyczne, które świadczą o tym, czy proces ten zachodzi, czy nie. Takie zjawiska (działania bieżące) możemy podzielić na trzy główne grupy:

• Działanie magnetyczne. Ładunek elektryczny w ruchu z konieczności tworzy pole magnetyczne. Jeśli kompas umieścimy w pobliżu przewodnika przewodzącego prąd, to strzałka będzie się obracać prostopadle do kierunku prądu. Urządzenia elektromagnetyczne działają w oparciu o to zjawisko, umożliwiając np. zamianę energii elektrycznej na mechaniczną.
• Działanie termiczne. Prąd wykonuje pracę polegającą na pokonaniu oporu przewodnika, co powoduje emisję energia cieplna. Dzieje się tak, ponieważ podczas dryfu naładowane cząstki doświadczają rozproszenia na elementach sieci lub cząsteczkach przewodnika i nadają im energię kinetyczną. Gdyby siatka np. metalu była idealnie regularna, elektrony prawie by jej nie zauważyły (jest to konsekwencja falowej natury cząstek). Jednak po pierwsze, atomy w węzłach sieci same podlegają drganiom termicznym, które zaburzają jej regularność, a po drugie, defekty sieci - atomy zanieczyszczeń, dyslokacje, wakanse - również wpływają na ruch elektronów.
• Działanie chemiczne obserwowane w elektrolitach. Dychotomicznie naładowane jony, na które dysocjuje roztwór elektrolityczny, po przyłożeniu pola elektrycznego rozdzielają się na przeciwległe elektrody, co prowadzi do chemicznej dysocjacji elektrolitu.

Z wyjątkiem sytuacji, gdy przedmiotem badań naukowych jest uporządkowany ruch naładowanych cząstek, interesuje on człowieka w swoich makroskopowych przejawach. Nie sam prąd jest dla nas ważny, ale wymienione powyżej zjawiska, które on wywołuje, poprzez przekształcenie energii elektrycznej w inne rodzaje.

Wszystkie obecne działania odgrywają w naszym życiu podwójną rolę. W niektórych przypadkach konieczna jest ochrona przed nimi ludzi i maszyn, w innych bezpośrednim celem jest uzyskanie jakiegoś efektu spowodowanego kierunkowym przenoszeniem ładunków elektrycznych z najbardziej zróżnicowanych urządzenia techniczne.