Una gran varietat de fenòmens físics, tant microscòpics com macroscòpics, són de naturalesa electromagnètica. Aquests inclouen forces de fricció i elasticitat, tots els processos químics, electricitat, magnetisme, òptica.
Una d'aquestes manifestacions de la interacció electromagnètica és el moviment ordenat de partícules carregades. És un element absolutament necessari de gairebé totes les tecnologies modernes que s'utilitzen en diversos camps, des de l'organització de la nostra vida fins als vols espacials.
Concepte general del fenomen
El moviment ordenat de les partícules carregades s'anomena corrent elèctric. Aquest moviment de càrregues es pot dur a terme en diferents mitjans mitjançant determinades partícules, de vegades quasi-partícules.
Un requisit previ per a l'actual ésmoviment precisament ordenat i dirigit. Les partícules carregades són objectes que (així com els neutres) tenen un moviment caòtic tèrmic. Tanmateix, el corrent només es produeix quan, en el context d'aquest procés caòtic continu, hi ha un moviment general de càrregues en alguna direcció.
Quan un cos es mou, elèctricament neutre en el seu conjunt, les partícules dels seus àtoms i molècules, per descomptat, es mouen en una direcció, però com que les càrregues oposades en un objecte neutre es compensen entre elles, no hi ha transferència de càrrega, i podem parlar que el corrent tampoc té sentit en aquest cas.
Com es genera el corrent
Considereu la versió més senzilla de l'excitació de corrent continu. Si s'aplica un camp elèctric a un medi on hi ha portadors de càrrega en el cas general, s'iniciarà un moviment ordenat de partícules carregades. El fenomen s'anomena deriva de càrrega.
Es pot descriure breument de la següent manera. En diferents punts del camp, sorgeix una diferència de potencial (tensió), és a dir, l'energia d'interacció de les càrregues elèctriques situades en aquests punts amb el camp, relacionada amb la magnitud d'aquestes càrregues, serà diferent. Com que qualsevol sistema físic, com és sabut, tendeix a un mínim d'energia potencial corresponent a l'estat d'equilibri, les partícules carregades començaran a moure's cap a l'equalització de potencials. En altres paraules, el camp fa una mica de treball per moure aquestes partícules.
Quan els potencials estan igualats, la tensió s'esvaeixcamp elèctric - desapareix. Al mateix temps, també s'atura el moviment ordenat de les partícules carregades, el corrent. Per obtenir un camp estacionari, és a dir, independent del temps, cal utilitzar una font de corrent en la qual, a causa de l'alliberament d'energia en determinats processos (per exemple, químics), les càrregues es separen contínuament i s'alimenten al pols, mantenint l'existència d'un camp elèctric.
El corrent es pot obtenir de diverses maneres. Així doncs, un canvi en el camp magnètic afecta les càrregues del circuit conductor introduïdes en ell i provoca el seu moviment dirigit. Aquest corrent s'anomena inductiu.
Característiques quantitatives de l'actual
El principal paràmetre pel qual es descriu quantitativament el corrent és la força del corrent (de vegades diuen "valor" o simplement "actual"). Es defineix com la quantitat d'electricitat (la quantitat de càrrega o el nombre de càrregues elementals) que passa per unitat de temps per una determinada superfície, normalment a través de la secció transversal d'un conductor: I=Q / t. El corrent es mesura en amperes: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb per segon). A la secció del circuit elèctric, la intensitat del corrent està directament relacionada amb la diferència de potencial i inversament amb la resistència del conductor: I \u003d U / R. Per a un circuit complet, aquesta dependència (llei d'Ohm) s'expressa com I=Ԑ/R+r, on Ԑ és la força electromotriu de la font i r és la seva resistència interna.
La relació entre la intensitat del corrent i la secció transversal del conductor a través de la qual es produeix el moviment ordenat de les partícules carregades perpendicularment a aquest s'anomena densitat de corrent: j=I/S=Q/St. Aquest valor caracteritza la quantitat d'electricitat que flueix per unitat de temps per una unitat d'àrea. Com més gran sigui la intensitat de camp E i la conductivitat elèctrica del medi σ, més gran serà la densitat de corrent: j=σ∙E. A diferència de la força actual, aquesta quantitat és vectorial i té una direcció al llarg del moviment de les partícules que porten una càrrega positiva.
Direcció actual i direcció de deriva
En un camp elèctric, els objectes que porten una càrrega, sota la influència de les forces de Coulomb, faran un moviment ordenat fins al pol de la font de corrent, oposat en signe de càrrega. Les partícules carregades positivament es desplacen cap al pol negatiu ("menys") i, per contra, les càrregues negatives lliures són atretes pel "plus" de la font. Les partícules també es poden moure en dues direccions oposades alhora si hi ha portadors de càrrega dels dos signes al medi conductor.
Per raons històriques, generalment s'accepta que el corrent es dirigeix de la manera com es mouen les càrregues positives: de "més" a "menys". Per evitar confusions, cal recordar que encara que en el cas més conegut del corrent en conductors metàl·lics, el moviment real de les partícules -electrons- es produeix, per descomptat, en sentit contrari, aquesta regla condicional sempre s'aplica.
Propagació actual i velocitat de deriva
Sovint hi ha problemes per entendre la rapidesa amb què es mou el corrent. No s'han de confondre dos conceptes diferents: la velocitat de propagació del corrent (elèctricasenyal) i la velocitat de deriva de les partícules - portadors de càrrega. La primera és la velocitat a la qual es transmet la interacció electromagnètica o -que és el mateix- es propaga el camp. És propera (tenint en compte el medi de propagació) a la velocitat de la llum en el buit i gairebé 300.000 km/s.
Les partícules fan el seu moviment ordenat molt lentament (10-4–10-3 m/s). La velocitat de deriva depèn de la intensitat amb què el camp elèctric aplicat actua sobre elles, però en tots els casos és diversos ordres de magnitud inferior a la velocitat del moviment aleatori tèrmic de les partícules (105 –106m/s). És important entendre que sota l'acció del camp, comença la deriva simultània de totes les càrregues lliures, de manera que el corrent apareix immediatament a tot el conductor.
Tipus de corrent
En primer lloc, els corrents es distingeixen pel comportament dels portadors de càrrega al llarg del temps.
- Un corrent constant és un corrent que no canvia ni la magnitud (la força) ni la direcció del moviment de les partícules. Aquesta és la manera més fàcil de moure partícules carregades i sempre és el començament de l'estudi del corrent elèctric.
- En corrent altern, aquests paràmetres canvien amb el temps. La seva generació es basa en el fenomen d'inducció electromagnètica que es produeix en un circuit tancat per un canvi (rotació) del camp magnètic. El camp elèctric en aquest cas inverteix periòdicament el vector intensitat. En conseqüència, els signes dels potencials canvien i el seu valor passa de "plus" a "menys" tots els valors intermedis, inclòs zero. Com a resultatfenomen, el moviment ordenat de les partícules carregades canvia de direcció tot el temps. La magnitud d'aquest corrent fluctua (normalment de manera sinusoïdal, és a dir, harmònica) d'un màxim a un mínim. El corrent altern té una característica tan important de la velocitat d'aquestes oscil·lacions com la freqüència: el nombre de cicles complets de canvi per segon.
A més d'aquesta classificació més important, també es poden fer diferències entre corrents d'acord amb criteris com la naturalesa del moviment dels portadors de càrrega en relació amb el medi en què es propaga el corrent.
Corrents de conducció
L'exemple més famós d'un corrent és el moviment ordenat i dirigit de partícules carregades sota l'acció d'un camp elèctric dins d'un cos (mitjà). S'anomena corrent de conducció.
En els sòlids (metalls, grafit, molts materials complexos) i alguns líquids (mercuri i altres fundes metàl·liques), els electrons són partícules carregades mòbils. Un moviment ordenat en un conductor és la seva deriva respecte als àtoms o molècules d'una substància. La conductivitat d'aquest tipus s'anomena electrònica. En els semiconductors, la transferència de càrrega també es produeix a causa del moviment dels electrons, però per diverses raons és convenient utilitzar el concepte de forat per descriure el corrent: una quasipartícula positiva, que és una vacant d'electrons en moviment..
En les solucions electrolítiques, el pas del corrent es realitza a causa dels ions negatius i positius que es mouen a diferents pols: l'ànode i el càtode, que formen part de la solució.
Corrents de transferència
El gas -en condicions normals un dielèctric- també pot convertir-se en conductor si està sotmès a una ionització prou forta. La conductivitat elèctrica del gas es barreja. Un gas ionitzat ja és un plasma en el qual es mouen tant electrons com ions, és a dir, totes les partícules carregades. El seu moviment ordenat forma un canal de plasma i s'anomena descàrrega de gas.
El moviment dirigit de càrregues no només es pot produir dins l'entorn. Suposem que un feix d'electrons o ions es mou al buit, emès per un elèctrode positiu o negatiu. Aquest fenomen s'anomena emissió d'electrons i s'utilitza àmpliament, per exemple, en aparells de buit. Per descomptat, aquest moviment és un corrent.
Un altre cas és el moviment d'un cos macroscòpic carregat elèctricament. Això també és un corrent, ja que aquesta situació compleix la condició de transferència de càrrega dirigida.
Tots els exemples anteriors s'han de considerar com un moviment ordenat de partícules carregades. Aquest corrent s'anomena corrent de convecció o de transferència. Les seves propietats, per exemple, magnètiques, són completament semblants a les dels corrents de conducció.
Biaix actual
Hi ha un fenomen que no té res a veure amb la transferència de càrrega i que es produeix on hi ha un camp elèctric variable en el temps que té la propietat de corrents de conducció o transferència "reals": excita un camp magnètic altern. Això ésocorre, per exemple, en circuits de corrent altern entre les plaques dels condensadors. El fenomen va acompanyat de la transferència d'energia i s'anomena corrent de desplaçament.
De fet, aquest valor mostra la rapidesa amb què canvia la inducció del camp elèctric en una determinada superfície perpendicular a la direcció del seu vector. El concepte d'inducció elèctrica inclou la intensitat de camp i els vectors de polarització. En el buit només es té en compte la tensió. Pel que fa als processos electromagnètics de la matèria, la polarització de molècules o àtoms, en què, quan s'exposen a un camp, té lloc el moviment de càrregues lligades (no lliures!), contribueix en certa manera al corrent de desplaçament en un dielèctric o conductor.
El nom es va originar al segle XIX i és condicional, ja que un corrent elèctric real és un moviment ordenat de partícules carregades. El corrent de desplaçament no té res a veure amb la deriva de càrrega. Per tant, en sentit estricte, no és un corrent.
Manifestacions (accions) de l'actual
El moviment ordenat de partícules carregades sempre va acompanyat de determinats fenòmens físics, que, de fet, es poden utilitzar per jutjar si aquest procés s'està produint o no. És possible dividir aquests fenòmens (accions actuals) en tres grups principals:
- Acció magnètica. Una càrrega elèctrica en moviment crea necessàriament un camp magnètic. Si col·loqueu una brúixola al costat d'un conductor pel qual passa corrent, la fletxa girarà perpendicularment a la direcció d'aquest corrent. A partir d'aquest fenomen, funcionen dispositius electromagnètics que permeten, per exemple, convertir energia elèctrica.en mecànica.
- Efecte tèrmic. El corrent funciona per vèncer la resistència del conductor, donant lloc a l'alliberament d'energia tèrmica. Això es deu al fet que, durant la deriva, les partícules carregades experimenten dispersió sobre els elements de la xarxa cristal·lina o les molècules conductores i els donen energia cinètica. Si la xarxa de, per exemple, un metall fos perfectament regular, els electrons pràcticament no ho notarien (això és una conseqüència de la naturalesa ondulatòria de les partícules). Tanmateix, en primer lloc, els àtoms dels llocs de la gelosia estan subjectes a vibracions tèrmiques que violen la seva regularitat i, en segon lloc, els defectes de la gelosia (àtoms d'impuresa, dislocacions, vacants) també afecten el moviment dels electrons.
- S'observa acció química en els electròlits. Els ions de càrrega oposada, en els quals es dissocia la solució electrolítica, quan s'aplica un camp elèctric, es separen a elèctrodes oposats, la qual cosa condueix a la descomposició química de l'electròlit.
Excepte quan el moviment ordenat de les partícules carregades és objecte d'investigació científica, interessa a una persona en les seves manifestacions macroscòpiques. No és el corrent en si el que és important per a nos altres, sinó els fenòmens enumerats anteriorment, que provoca, a causa de la transformació de l'energia elèctrica en altres formes.
Totes les accions actuals tenen un doble paper a les nostres vides. En alguns casos, cal protegir-ne les persones i els equips, en altres, l'obtenció d'un o altre efecte provocat per la transferència dirigida de càrregues elèctriques és directa.propòsit d'una gran varietat de dispositius tècnics.
