Uma enorme variedade de fenômenos físicos, tanto microscópicos quanto macroscópicos, são de natureza eletromagnética. Estes incluem forças de atrito e elasticidade, todos os processos químicos, eletricidade, magnetismo, ótica.
Uma dessas manifestações de interação eletromagnética é o movimento ordenado de partículas carregadas. É um elemento absolutamente necessário de quase todas as tecnologias modernas que são usadas em vários campos - desde a organização da nossa vida até os voos espaciais.
Conceito geral do fenômeno
O movimento ordenado de partículas carregadas é chamado de corrente elétrica. Tal movimento de cargas pode ser realizado em diferentes meios por meio de certas partículas, às vezes quase-partículas.
Um pré-requisito para a corrente émovimento precisamente ordenado e dirigido. Partículas carregadas são objetos que (assim como os neutros) têm movimento caótico térmico. No entanto, a corrente ocorre apenas quando, no contexto desse processo caótico contínuo, há um movimento geral de cargas em alguma direção.
Quando um corpo se move, eletricamente neutro como um todo, as partículas em seus átomos e moléculas, é claro, se movem em uma direção, mas como cargas opostas em um objeto neutro se compensam, não há transferência de carga, e podemos falar que a corrente também não faz sentido nesse caso.
Como a corrente é gerada
Considere a versão mais simples da excitação de corrente contínua. Se um campo elétrico é aplicado a um meio onde os portadores de carga estão presentes no caso geral, um movimento ordenado de partículas carregadas começará nele. O fenômeno é chamado de desvio de carga.
Pode ser brevemente descrito como segue. Em diferentes pontos do campo surge uma diferença de potencial (tensão), ou seja, a energia de interação das cargas elétricas localizadas nesses pontos com o campo, em relação à magnitude dessas cargas, será diferente. Como qualquer sistema físico, como se sabe, tende a um mínimo de energia potencial correspondente ao estado de equilíbrio, as partículas carregadas começarão a se mover em direção à equalização de potenciais. Em outras palavras, o campo faz algum trabalho para mover essas partículas.
Quando os potenciais são equalizados, a tensão desaparececampo elétrico - ele desaparece. Ao mesmo tempo, o movimento ordenado de partículas carregadas, a corrente, também pára. Para obter um campo estacionário, ou seja, independente do tempo, é necessário utilizar uma fonte de corrente na qual, devido à liberação de energia em determinados processos (por exemplo, químico), as cargas são continuamente separadas e alimentadas ao pólos, mantendo a existência de um campo elétrico.
Current pode ser obtido de várias maneiras. Assim, uma mudança no campo magnético afeta as cargas no circuito condutor introduzido nele e causa seu movimento direcionado. Tal corrente é chamada indutiva.
Características quantitativas da corrente
O principal parâmetro pelo qual a corrente é descrita quantitativamente é a força da corrente (às vezes eles dizem "valor" ou simplesmente "corrente"). É definida como a quantidade de eletricidade (a quantidade de carga ou o número de cargas elementares) que passa por unidade de tempo através de uma determinada superfície, geralmente através da seção transversal de um condutor: I=Q / t. A corrente é medida em amperes: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb por segundo). Na seção do circuito elétrico, a força da corrente está diretamente relacionada à diferença de potencial e inversamente - à resistência do condutor: I \u003d U / R. Para um circuito completo, essa dependência (lei de Ohm) é expressa como I=Ԑ/R+r, onde Ԑ é a força eletromotriz da fonte e r é sua resistência interna.
A razão entre a intensidade da corrente e a seção transversal do condutor através da qual ocorre o movimento ordenado de partículas carregadas perpendicularmente a ele é chamada de densidade de corrente: j=I/S=Q/St. Este valor caracteriza a quantidade de eletricidade que flui por unidade de tempo através de uma unidade de área. Quanto maior a intensidade de campo E e a condutividade elétrica do meio σ, maior a densidade de corrente: j=σ∙E. Ao contrário da intensidade da corrente, essa quantidade é vetorial e tem uma direção ao longo do movimento das partículas que carregam uma carga positiva.
Direção atual e direção de deriva
Em um campo elétrico, objetos carregando uma carga, sob a influência das forças de Coulomb, farão um movimento ordenado para o polo da fonte de corrente, oposto em sinal de carga. Partículas carregadas positivamente derivam em direção ao pólo negativo ("menos") e, inversamente, cargas negativas livres são atraídas para o "mais" da fonte. As partículas também podem se mover em duas direções opostas ao mesmo tempo se houver portadores de carga de ambos os signos no meio condutor.
Por razões históricas, é geralmente aceito que a corrente é direcionada da maneira como as cargas positivas se movem - de "mais" para "menos". Para evitar confusão, deve-se lembrar que, embora no caso mais familiar de corrente em condutores metálicos, o movimento real das partículas - elétrons - ocorra, é claro, na direção oposta, essa regra condicional sempre se aplica.
Propagação de corrente e velocidade de deriva
Muitas vezes há problemas em entender o quão rápido a corrente se move. Dois conceitos diferentes não devem ser confundidos: a velocidade de propagação da corrente (elétricasinal) e a velocidade de deriva das partículas - portadores de carga. A primeira é a velocidade com que a interação eletromagnética é transmitida ou - o que é o mesmo - o campo se propaga. Está próximo (levando em conta o meio de propagação) da velocidade da luz no vácuo e é quase 300.000 km/s.
As partículas fazem seu movimento ordenado muito lentamente (10-4–10-3 m/s). A velocidade de deriva depende da intensidade com que o campo elétrico aplicado atua sobre elas, mas em todos os casos é várias ordens de grandeza inferior à velocidade do movimento térmico aleatório das partículas (105 –106m/s). É importante entender que, sob a ação do campo, começa a deriva simultânea de todas as cargas livres, de modo que a corrente aparece imediatamente em todo o condutor.
Tipos de corrente
Em primeiro lugar, as correntes são distinguidas pelo comportamento dos portadores de carga ao longo do tempo.
- Uma corrente constante é uma corrente que não muda nem a magnitude (força) nem a direção do movimento da partícula. Esta é a maneira mais fácil de mover partículas carregadas e é sempre o início do estudo da corrente elétrica.
- Em corrente alternada, esses parâmetros mudam com o tempo. Sua geração é baseada no fenômeno da indução eletromagnética que ocorre em um circuito fechado devido a uma mudança (rotação) do campo magnético. O campo elétrico neste caso inverte periodicamente o vetor de intensidade. Assim, os sinais dos potenciais mudam e seu valor passa de "mais" para "menos" todos os valores intermediários, incluindo zero. Como resultadofenômeno, o movimento ordenado de partículas carregadas muda de direção o tempo todo. A magnitude de tal corrente flutua (geralmente de forma senoidal, isto é, harmonicamente) de um máximo a um mínimo. A corrente alternada tem uma característica tão importante da velocidade dessas oscilações quanto a frequência - o número de ciclos completos de mudança por segundo.
Além desta classificação mais importante, as diferenças entre as correntes também podem ser feitas de acordo com um critério como a natureza do movimento dos portadores de carga em relação ao meio em que a corrente se propaga.
Correntes de condução
O exemplo mais famoso de corrente é o movimento ordenado e direcionado de partículas carregadas sob a ação de um campo elétrico dentro de um corpo (meio). Chama-se corrente de condução.
Em sólidos (metais, grafite, muitos materiais complexos) e alguns líquidos (mercúrio e outros metais fundidos), os elétrons são partículas móveis carregadas. Um movimento ordenado em um condutor é sua deriva em relação aos átomos ou moléculas de uma substância. A condutividade desse tipo é chamada de eletrônica. Em semicondutores, a transferência de carga também ocorre devido ao movimento de elétrons, mas por várias razões é conveniente usar o conceito de um buraco para descrever a corrente - uma quasipartícula positiva, que é uma vacância de elétron em movimento.
Em soluções eletrolíticas, a passagem da corrente é realizada devido ao deslocamento dos íons negativos e positivos para os diferentes polos - o ânodo e o cátodo, que fazem parte da solução.
Transferência de correntes
Gás - em condições normais um dielétrico - também pode se tornar um condutor se submetido a uma ionização suficientemente forte. A condutividade elétrica do gás é mista. Um gás ionizado já é um plasma no qual se movem elétrons e íons, ou seja, todas as partículas carregadas. Seu movimento ordenado forma um canal de plasma e é chamado de descarga de gás.
O movimento direcionado de cargas pode ocorrer não apenas dentro do ambiente. Suponha que um feixe de elétrons ou íons esteja se movendo no vácuo, emitido por um eletrodo positivo ou negativo. Esse fenômeno é chamado de emissão de elétrons e é amplamente utilizado, por exemplo, em dispositivos a vácuo. Claro, esse movimento é uma corrente.
Outro caso é o movimento de um corpo macroscópico eletricamente carregado. Esta também é uma corrente, uma vez que tal situação satisfaz a condição de transferência de carga direcionada.
Todos os exemplos acima devem ser considerados como um movimento ordenado de partículas carregadas. Essa corrente é chamada de convecção ou corrente de transferência. Suas propriedades, por exemplo, magnéticas, são completamente semelhantes às das correntes de condução.
Corrente de polarização
Existe um fenômeno que não tem nada a ver com transferência de carga e ocorre onde há um campo elétrico variável no tempo que tem a propriedade de condução "real" ou correntes de transferência: ele excita um campo magnético alternado. Isso éocorre, por exemplo, em circuitos de corrente alternada entre as placas dos capacitores. O fenômeno é acompanhado pela transferência de energia e é chamado de corrente de deslocamento.
Na verdade, este valor mostra a rapidez com que a indução do campo elétrico muda em uma certa superfície perpendicular à direção de seu vetor. O conceito de indução elétrica inclui a força de campo e os vetores de polarização. No vácuo, apenas a tensão é levada em consideração. Quanto aos processos eletromagnéticos na matéria, a polarização de moléculas ou átomos, nos quais, quando expostos a um campo, ocorre o movimento de cargas ligadas (não livres!), contribui de alguma forma para a corrente de deslocamento em um dielétrico ou condutor.
O nome originou-se no século 19 e é condicional, pois uma corrente elétrica real é um movimento ordenado de partículas carregadas. A corrente de deslocamento não tem nada a ver com a deriva de carga. Portanto, estritamente falando, não é uma corrente.
Manifestações (ações) da corrente
O movimento ordenado de partículas carregadas é sempre acompanhado por certos fenômenos físicos, que, de fato, podem ser usados para julgar se esse processo está ocorrendo ou não. É possível dividir tais fenômenos (ações atuais) em três grupos principais:
- Ação magnética. Uma carga elétrica em movimento necessariamente cria um campo magnético. Se você colocar uma bússola ao lado de um condutor através do qual a corrente flui, a seta ficará perpendicular à direção dessa corrente. Com base nesse fenômeno, dispositivos eletromagnéticos operam, permitindo, por exemplo, converter energia elétricaem mecânica.
- Efeito térmico. A corrente faz trabalho para superar a resistência do condutor, resultando na liberação de energia térmica. Isso ocorre porque, durante a deriva, as partículas carregadas sofrem dispersão nos elementos da rede cristalina ou nas moléculas condutoras e lhes dão energia cinética. Se a rede de, digamos, um metal fosse perfeitamente regular, os elétrons praticamente não a notariam (isso é uma consequência da natureza ondulatória das partículas). No entanto, em primeiro lugar, os próprios átomos da rede estão sujeitos a vibrações térmicas que violam sua regularidade e, em segundo lugar, os defeitos da rede - átomos de impureza, deslocamentos, vacâncias - também afetam o movimento dos elétrons.
- Ação química é observada nos eletrólitos. Íons de carga oposta, nos quais a solução eletrolítica é dissociada, quando um campo elétrico é aplicado, são separados em eletrodos opostos, o que leva à decomposição química do eletrólito.
Exceto quando o movimento ordenado de partículas carregadas é objeto de pesquisa científica, interessa a uma pessoa em suas manifestações macroscópicas. Não é a corrente em si que é importante para nós, mas os fenômenos listados acima, que ela causa, devido à transformação da energia elétrica em outras formas.
Todas as ações atuais desempenham um papel duplo em nossas vidas. Em alguns casos, é necessário proteger pessoas e equipamentos deles, em outros, a obtenção de um ou outro efeito causado pela transferência direcionada de cargas elétricas é direta.finalidade de uma ampla variedade de dispositivos técnicos.
