ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่หลากหลาย ทั้งแบบจุลทรรศน์และมหภาค เป็นแม่เหล็กไฟฟ้าในธรรมชาติ ซึ่งรวมถึงแรงเสียดทานและความยืดหยุ่น กระบวนการทางเคมีทั้งหมด ไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก ทัศนศาสตร์
อาการอย่างหนึ่งของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าคือการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุ เป็นองค์ประกอบที่จำเป็นอย่างยิ่งของเทคโนโลยีสมัยใหม่เกือบทั้งหมดที่ใช้ในด้านต่างๆ ตั้งแต่การจัดระบบชีวิตของเราไปจนถึงการบินในอวกาศ
แนวคิดทั่วไปของปรากฏการณ์
การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุเรียกว่ากระแสไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของประจุดังกล่าวสามารถทำได้ในสื่อต่างๆ โดยใช้อนุภาคบางอย่าง บางครั้งอาจเป็นอนุภาคเสมือน
ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับปัจจุบันคืออย่างมีระเบียบ แม่นยำ ชี้นำการเคลื่อนไหว อนุภาคที่มีประจุเป็นวัตถุที่ (เช่นเดียวกับอนุภาคที่เป็นกลาง) มีการเคลื่อนที่แบบโกลาหลเนื่องจากความร้อน อย่างไรก็ตาม กระแสจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อมีการเคลื่อนไหวทั่วไปของประจุในบางทิศทางกับพื้นหลังของกระบวนการที่วุ่นวายอย่างต่อเนื่องนี้
เมื่อร่างกายเคลื่อนที่ เป็นกลางทางไฟฟ้า อนุภาคในอะตอมและโมเลกุลจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่แน่นอน แต่เนื่องจากประจุตรงข้ามในวัตถุที่เป็นกลางจะชดเชยซึ่งกันและกัน จึงไม่มีการถ่ายเทประจุ และเราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับปัจจุบันที่ไม่สมเหตุสมผลในกรณีนี้เช่นกัน
กระแสถูกสร้างขึ้นอย่างไร
พิจารณาเวอร์ชันที่ง่ายที่สุดของการกระตุ้นด้วยกระแสตรง หากสนามไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับสื่อที่มีประจุพาหะในกรณีทั่วไป การเคลื่อนที่ตามคำสั่งของอนุภาคที่มีประจุจะเริ่มต้นขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าชาร์จดริฟท์
อธิบายสั้น ๆ ได้ดังนี้ ที่จุดต่าง ๆ ของสนาม ความต่างศักย์ (แรงดัน) จะเกิดขึ้น กล่าวคือ พลังงานของปฏิกิริยาของประจุไฟฟ้าที่จุดเหล่านี้กับสนาม ซึ่งสัมพันธ์กับขนาดของประจุเหล่านี้จะแตกต่างกัน เนื่องจากระบบทางกายภาพใดๆ ตามที่ทราบกันดีอยู่แล้ว มีแนวโน้มที่จะมีพลังงานศักย์น้อยที่สุดที่สอดคล้องกับสภาวะสมดุล อนุภาคที่มีประจุจะเริ่มเคลื่อนไปสู่การทำให้ศักย์เท่ากัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ฟิลด์ทำงานบางอย่างเพื่อย้ายอนุภาคเหล่านี้
เมื่อศักยภาพเท่ากัน ความตึงเครียดก็หายไปสนามไฟฟ้า - มันหายไป ในเวลาเดียวกันการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุซึ่งปัจจุบันก็หยุดลงเช่นกัน เพื่อให้ได้มาซึ่งคงที่ กล่าวคือ สนามที่ไม่ขึ้นกับเวลา จำเป็นต้องใช้แหล่งกระแสซึ่งเนื่องจากการปลดปล่อยพลังงานในกระบวนการบางอย่าง (เช่น เคมี) ประจุจะถูกแยกออกอย่างต่อเนื่องและป้อนเข้า เสาคงความคงอยู่ของสนามไฟฟ้าไว้
ปัจจุบันสามารถรับได้หลายวิธี ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กจะส่งผลต่อประจุในวงจรการนำไฟฟ้าที่นำเข้ามาและทำให้เกิดการเคลื่อนที่โดยตรง กระแสดังกล่าวเรียกว่าอุปนัย
ลักษณะเชิงปริมาณของกระแส
พารามิเตอร์หลักที่อธิบายกระแสในเชิงปริมาณคือความแรงของกระแส (บางครั้งพวกเขาบอกว่า "ค่า" หรือเพียงแค่ "กระแส") มันถูกกำหนดให้เป็นปริมาณของไฟฟ้า (จำนวนประจุหรือจำนวนประจุพื้นฐาน) ที่ผ่านต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นผิวที่แน่นอนมักจะผ่านหน้าตัดของตัวนำ: I=Q / t กระแสวัดเป็นแอมแปร์: 1 A \u003d 1 C / s (คูลอมบ์ต่อวินาที) ในส่วนของวงจรไฟฟ้า ความแรงของกระแสจะสัมพันธ์โดยตรงกับความต่างศักย์และผกผัน - กับความต้านทานของตัวนำ: I \u003d U / R สำหรับวงจรที่สมบูรณ์ การพึ่งพาอาศัยกันนี้ (กฎของโอห์ม) จะแสดงเป็น I=Ԑ/R+r โดยที่ Ԑ คือแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งกำเนิด และ r คือความต้านทานภายใน
อัตราส่วนของความแรงกระแสต่อส่วนตัดขวางของตัวนำซึ่งการเคลื่อนที่ตามคำสั่งของอนุภาคที่มีประจุเกิดขึ้นตั้งฉากกับมันเรียกว่าความหนาแน่นกระแส: j=I/S=ถาม/เซนต์ ค่านี้กำหนดลักษณะปริมาณไฟฟ้าที่ไหลต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นที่หนึ่งหน่วย ยิ่งความแรงของสนาม E และค่าการนำไฟฟ้าของตัวกลาง σ สูงขึ้น ความหนาแน่นกระแสก็จะยิ่งมากขึ้น: j=σ∙E ปริมาณนี้เป็นเวกเตอร์และมีทิศทางตามการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุบวกต่างจากแรงในปัจจุบัน
ทิศทางปัจจุบันและทิศทางลอย
ในสนามไฟฟ้า วัตถุที่มีประจุภายใต้อิทธิพลของกองกำลังคูลอมบ์ จะทำให้เคลื่อนที่อย่างมีคำสั่งไปยังเสาของแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า ตรงข้ามกับเครื่องหมายประจุ อนุภาคที่มีประจุบวกจะลอยไปทางขั้วลบ ("ลบ") และในทางกลับกัน ประจุลบฟรีจะดึงดูด "บวก" ของแหล่งกำเนิด อนุภาคสามารถเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามสองทิศทางพร้อมกันได้หากมีตัวพาประจุของทั้งสองสัญญาณในตัวกลางนำไฟฟ้า
ด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์ เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่ากระแสจะกำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ของประจุบวก - จาก "บวก" เป็น "ลบ" เพื่อหลีกเลี่ยงความสับสน ควรจำไว้ว่าแม้ว่าในกรณีที่คุ้นเคยกันมากที่สุดของกระแสในตัวนำโลหะ แต่แน่นอนว่าการเคลื่อนที่ที่แท้จริงของอนุภาค - อิเล็กตรอน - เกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้ามกฎแบบมีเงื่อนไขนี้ใช้เสมอ
การขยายพันธุ์และความเร็วของกระแสน้ำ
มักมีปัญหาในการทำความเข้าใจว่าการเคลื่อนไหวในปัจจุบันเร็วแค่ไหน ไม่ควรสับสนสองแนวคิดที่แตกต่างกัน: ความเร็วของการแพร่กระจายของกระแส (ไฟฟ้าสัญญาณ) และความเร็วของอนุภาค - ตัวพาประจุ อย่างแรกคือความเร็วที่ส่งปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าหรือ - ซึ่งเท่ากัน - การแพร่กระจายของสนาม มันอยู่ใกล้ (โดยคำนึงถึงตัวกลางในการแพร่กระจาย) กับความเร็วของแสงในสุญญากาศและเกือบ 300,000 กม./วินาที
อนุภาคเคลื่อนตัวช้ามาก (10-4–10-3 m/s). ความเร็วดริฟท์ขึ้นอยู่กับความเข้มที่สนามไฟฟ้าใช้กระทำกับพวกมัน แต่ในทุกกรณี ลำดับของขนาดที่ต่ำกว่าความเร็วของการเคลื่อนที่แบบสุ่มด้วยความร้อนของอนุภาคจะมีหลายขนาด (105 –106m/s). สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าภายใต้การกระทำของสนาม การดริฟท์ของค่าใช้จ่ายฟรีทั้งหมดจะเริ่มต้นขึ้นพร้อมกัน ดังนั้นกระแสไฟจะปรากฏขึ้นทันทีในตัวนำทั้งหมด
ประเภทของกระแส
อย่างแรกเลย กระแสน้ำจะแตกต่างไปตามพฤติกรรมของผู้ให้บริการชาร์จเมื่อเวลาผ่านไป
- กระแสคงที่คือกระแสที่ไม่เปลี่ยนขนาด (ความแรง) หรือทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาค นี่เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการเคลื่อนย้ายอนุภาคที่มีประจุ และเป็นจุดเริ่มต้นของการศึกษากระแสไฟฟ้าเสมอ
- ในกระแสสลับ พารามิเตอร์เหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงตามเวลา การสร้างขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในวงจรปิดเนื่องจากการเปลี่ยนแปลง (การหมุน) ของสนามแม่เหล็ก สนามไฟฟ้าในกรณีนี้จะย้อนกลับเวกเตอร์ความเข้มเป็นระยะ ดังนั้นสัญญาณของศักยภาพจึงเปลี่ยนไปและค่าของมันจะส่งผ่านจาก "บวก" เป็น "ลบ" ค่ากลางทั้งหมดรวมถึงศูนย์ ผลที่ตามมาปรากฏการณ์การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุจะเปลี่ยนทิศทางตลอดเวลา ขนาดของกระแสดังกล่าวจะผันผวน (โดยปกติคือไซนัส นั่นคือ กลมกลืนกัน) จากค่าสูงสุดไปต่ำสุด กระแสสลับมีลักษณะที่สำคัญของความเร็วของการแกว่งเหล่านี้เป็นความถี่ - จำนวนรอบที่สมบูรณ์ของการเปลี่ยนแปลงต่อวินาที
นอกจากการจำแนกประเภทที่สำคัญที่สุดนี้แล้ว ความแตกต่างระหว่างกระแสยังสามารถสร้างได้ตามเกณฑ์เช่นธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุที่สัมพันธ์กับสื่อที่กระแสน้ำแพร่กระจาย
กระแสนำ
ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงที่สุดของกระแสคือการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุตามคำสั่งภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายในร่างกาย (ขนาดกลาง) เรียกว่าการนำกระแส
ในของแข็ง (โลหะ กราไฟต์ วัสดุที่ซับซ้อนจำนวนมาก) และของเหลวบางชนิด (ปรอทและโลหะหลอมเหลวอื่นๆ) อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่แบบมีคำสั่งในตัวนำคือการดริฟท์ที่สัมพันธ์กับอะตอมหรือโมเลกุลของสสาร การนำไฟฟ้าประเภทนี้เรียกว่าอิเล็กทรอนิกส์ ในเซมิคอนดักเตอร์ การถ่ายเทประจุยังเกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน แต่ด้วยเหตุผลหลายประการ จึงสะดวกที่จะใช้แนวคิดของรูเพื่ออธิบายกระแส - quasiparticle เชิงบวก ซึ่งเป็นตำแหน่งว่างของอิเล็กตรอนเคลื่อนที่
ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ กระแสไหลผ่านเนื่องจากไอออนลบและประจุบวกเคลื่อนที่ไปยังขั้วต่างๆ - แอโนดและแคโทด ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสารละลาย
กระแสโอน
แก๊ส - ภายใต้สภาวะปกติ ไดอิเล็กตริก - ยังสามารถกลายเป็นตัวนำได้หากอยู่ภายใต้ไอออไนซ์ที่แรงเพียงพอ การนำไฟฟ้าของแก๊สผสมกัน ก๊าซไอออไนซ์เป็นพลาสมาอยู่แล้วซึ่งทั้งอิเล็กตรอนและไอออน ซึ่งก็คืออนุภาคที่มีประจุทั้งหมดเคลื่อนที่ การเคลื่อนไหวตามคำสั่งของพวกมันก่อตัวเป็นช่องพลาสมาและเรียกว่าการปล่อยก๊าซ
การเคลื่อนตัวโดยตรงของประจุสามารถเกิดขึ้นได้ไม่เฉพาะในสภาพแวดล้อมเท่านั้น สมมติว่าลำอิเล็กตรอนหรือไอออนเคลื่อนที่ในสุญญากาศ ที่ปล่อยออกมาจากขั้วบวกหรือขั้วลบ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการปล่อยอิเล็กตรอนและมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย เช่น ในอุปกรณ์สูญญากาศ แน่นอน การเคลื่อนไหวนี้เป็นปัจจุบัน
อีกกรณีหนึ่งคือการเคลื่อนไหวของวัตถุขนาดใหญ่ที่มีประจุไฟฟ้า นี่เป็นปัจจุบันเช่นกัน เนื่องจากสถานการณ์ดังกล่าวเป็นไปตามเงื่อนไขของการโอนค่าธรรมเนียมโดยตรง
ตัวอย่างข้างต้นทั้งหมดควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นการเคลื่อนที่แบบมีลำดับของอนุภาคที่มีประจุ กระแสนี้เรียกว่าการพาความร้อนหรือกระแสถ่ายโอน คุณสมบัติของมัน เช่น แม่เหล็ก มีความคล้ายคลึงกับของการนำไฟฟ้าโดยสิ้นเชิง
อคติในปัจจุบัน
มีปรากฏการณ์ที่ไม่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนประจุและเกิดขึ้นโดยมีสนามไฟฟ้าแปรผันตามเวลาที่มีคุณสมบัติของการนำ "ของจริง" หรือกระแสการถ่ายโอน: มันกระตุ้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ นี่คือเกิดขึ้นตัวอย่างเช่นในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับระหว่างเพลตของตัวเก็บประจุ ปรากฏการณ์นี้มาพร้อมกับการถ่ายโอนพลังงานและเรียกว่ากระแสการกระจัด
อันที่จริง ค่านี้แสดงให้เห็นว่าการเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงได้เร็วเพียงใดบนพื้นผิวบางอย่างในแนวตั้งฉากกับทิศทางของเวกเตอร์ แนวคิดของการเหนี่ยวนำไฟฟ้ารวมถึงความแรงของสนามและเวกเตอร์โพลาไรซ์ ในสุญญากาศจะพิจารณาเฉพาะความตึงเครียดเท่านั้น สำหรับกระบวนการทางแม่เหล็กไฟฟ้าในสสาร โพลาไรซ์ของโมเลกุลหรืออะตอม ซึ่งเมื่อสัมผัสกับสนาม การเคลื่อนที่ของประจุที่เกิดขึ้น (ไม่ฟรี!) ทำให้เกิดการกระจัดของกระแสในไดอิเล็กตริกหรือตัวนำ
ชื่อนี้มีต้นกำเนิดในศตวรรษที่ 19 และมีเงื่อนไข เนื่องจากกระแสไฟฟ้าจริงเป็นการเคลื่อนตัวของอนุภาคที่มีประจุตามคำสั่ง กระแสดิสเพลสเมนต์ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการดริฟท์ของประจุ เพราะฉะนั้น พูดตรงๆ มันไม่ใช่กระแส
การแสดงออก (การกระทำ) ของปัจจุบัน
การเคลื่อนตัวของอนุภาคที่มีประจุตามคำสั่งมักมาพร้อมกับปรากฏการณ์ทางกายภาพบางอย่าง ซึ่งอันที่จริง สามารถใช้เพื่อตัดสินว่ากระบวนการนี้เกิดขึ้นหรือไม่ เป็นไปได้ที่จะแบ่งปรากฏการณ์ดังกล่าว (การกระทำปัจจุบัน) ออกเป็นสามกลุ่มหลัก:
- แรงแม่เหล็ก ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่จำเป็นต้องสร้างสนามแม่เหล็ก หากคุณวางเข็มทิศไว้ข้างๆ ตัวนำที่กระแสไหลผ่าน ลูกศรจะหมุนตั้งฉากกับทิศทางของกระแสน้ำนี้ จากปรากฏการณ์นี้ อุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าทำงาน เช่น การแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นเครื่องกล
- ผลทางความร้อน กระแสไฟฟ้าทำงานเพื่อเอาชนะความต้านทานของตัวนำ ส่งผลให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานความร้อน เนื่องจากในระหว่างการดริฟท์ อนุภาคที่มีประจุจะกระเจิงบนองค์ประกอบของผลึกตาข่ายหรือโมเลกุลตัวนำ และให้พลังงานจลน์แก่พวกมัน ถ้าโครงตาข่ายของโลหะนั้นสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์ อิเล็กตรอนก็แทบไม่สังเกตเห็นมัน (นี่เป็นผลมาจากธรรมชาติคลื่นของอนุภาค) อย่างไรก็ตาม ประการแรก อะตอมในไซต์ขัดแตะนั้นอาจมีการสั่นสะเทือนจากความร้อนซึ่งละเมิดความสม่ำเสมอของมัน และประการที่สอง ข้อบกพร่องของโครงตาข่าย - อะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ ความคลาดเคลื่อน ตำแหน่งว่าง - ก็ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเช่นกัน
- สังเกตปฏิกิริยาทางเคมีในอิเล็กโทรไลต์ อิออนที่มีประจุตรงข้ามซึ่งสารละลายอิเล็กโทรไลต์ถูกแยกออกจากกัน เมื่อใช้สนามไฟฟ้า จะถูกแยกไปยังอิเล็กโทรดที่อยู่ตรงข้าม ซึ่งนำไปสู่การสลายตัวทางเคมีของอิเล็กโทรไลต์
ยกเว้นกรณีที่การสั่งการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุเป็นเรื่องของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ มันสนใจบุคคลในเรื่องที่แสดงออกด้วยตาเปล่า ไม่ใช่กระแสที่มีความสำคัญสำหรับเรา แต่เป็นปรากฏการณ์ที่กล่าวข้างต้นซึ่งทำให้เกิดเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของพลังงานไฟฟ้าเป็นรูปแบบอื่น
การกระทำในปัจจุบันทั้งหมดมีบทบาทในชีวิตของเรา ในบางกรณี จำเป็นต้องปกป้องผู้คนและอุปกรณ์จากพวกเขา ในบางกรณี การได้รับผลกระทบอย่างใดอย่างหนึ่งที่เกิดจากการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าโดยตรงนั้นเป็นทางตรงวัตถุประสงค์ของอุปกรณ์ทางเทคนิคที่หลากหลาย