Berbagai macam fenomena fisik, baik mikroskopis maupun makroskopis, bersifat elektromagnetik. Ini termasuk gaya gesekan dan elastisitas, semua proses kimia, listrik, magnet, optik.
Salah satu manifestasi interaksi elektromagnetik adalah pergerakan teratur partikel bermuatan. Ini adalah elemen yang mutlak diperlukan dari hampir semua teknologi modern yang digunakan di berbagai bidang - mulai dari organisasi kehidupan kita hingga penerbangan luar angkasa.
Konsep umum fenomena
Pergerakan teratur partikel bermuatan disebut arus listrik. Pergerakan muatan seperti itu dapat dilakukan di media yang berbeda melalui partikel tertentu, terkadang partikel kuasi.
Prasyarat untuk saat ini adalahgerakan yang teratur dan terarah. Partikel bermuatan adalah objek yang (dan juga netral) memiliki gerakan kacau termal. Namun, arus hanya terjadi ketika, dengan latar belakang proses kacau yang terus-menerus ini, ada pergerakan umum muatan ke beberapa arah.
Ketika sebuah benda bergerak, secara keseluruhan netral secara listrik, partikel dalam atom dan molekulnya, tentu saja, bergerak ke arah, tetapi karena muatan yang berlawanan dalam objek netral saling mengimbangi, tidak ada transfer muatan, dan kita dapat berbicara tentang arus yang tidak masuk akal dalam kasus ini juga.
Bagaimana arus dihasilkan
Pertimbangkan versi paling sederhana dari eksitasi arus searah. Jika medan listrik diterapkan ke media di mana pembawa muatan hadir dalam kasus umum, gerakan teratur partikel bermuatan akan dimulai di dalamnya. Fenomena ini disebut arus muatan.
Secara ringkas dapat dijelaskan sebagai berikut. Pada titik-titik medan yang berbeda, perbedaan potensial (tegangan) muncul, yaitu energi interaksi muatan listrik yang terletak di titik-titik ini dengan medan, terkait dengan besarnya muatan ini, akan berbeda. Karena sistem fisik apa pun, seperti yang diketahui, cenderung memiliki energi potensial minimum yang sesuai dengan keadaan setimbang, partikel bermuatan akan mulai bergerak menuju pemerataan potensial. Dengan kata lain, medan melakukan beberapa pekerjaan untuk memindahkan partikel-partikel ini.
Ketika potensi disamakan, ketegangan menghilangmedan listrik - menghilang. Pada saat yang sama, gerakan teratur partikel bermuatan, arus, juga berhenti. Untuk mendapatkan medan yang stasioner, yaitu medan yang tidak bergantung waktu, perlu menggunakan sumber arus di mana, karena pelepasan energi dalam proses tertentu (misalnya, kimia), muatan terus menerus dipisahkan dan diumpankan ke kutub, menjaga keberadaan medan listrik.
Arus dapat diperoleh dengan berbagai cara. Jadi, perubahan medan magnet mempengaruhi muatan dalam rangkaian penghantar yang dimasukkan ke dalamnya dan menyebabkan gerakan terarahnya. Arus seperti ini disebut induktif.
Karakteristik kuantitatif arus
Parameter utama yang menggambarkan arus secara kuantitatif adalah kekuatan arus (kadang-kadang mereka mengatakan "nilai" atau hanya "arus"). Ini didefinisikan sebagai jumlah listrik (jumlah muatan atau jumlah muatan dasar) yang melewati per satuan waktu melalui permukaan tertentu, biasanya melalui penampang konduktor: I=Q / t. Arus diukur dalam ampere: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb per detik). Di bagian sirkuit listrik, kekuatan arus secara langsung berkaitan dengan perbedaan potensial dan berbanding terbalik - dengan resistansi konduktor: I \u003d U / R. Untuk rangkaian lengkap, ketergantungan ini (hukum Ohm) dinyatakan sebagai I=Ԑ/R+r, di mana adalah gaya gerak listrik sumber dan r adalah resistansi internalnya.
Perbandingan kuat arus terhadap penampang konduktor yang dilalui oleh gerakan teratur partikel bermuatan yang terjadi tegak lurus disebut rapat arus: j=I/S=Q/St. Nilai ini mencirikan jumlah listrik yang mengalir per satuan waktu melalui suatu satuan luas. Semakin tinggi kuat medan E dan konduktivitas listrik medium, semakin besar rapat arus: j=E. Berbeda dengan kuat arus, besaran ini adalah vektor, dan memiliki arah sepanjang pergerakan partikel yang membawa muatan positif.
Arah saat ini dan arah drift
Dalam medan listrik, benda yang membawa muatan, di bawah pengaruh gaya Coulomb, akan membuat gerakan teratur ke kutub sumber arus, berlawanan tanda muatan. Partikel bermuatan positif melayang menuju kutub negatif ("minus") dan, sebaliknya, muatan negatif bebas tertarik ke "plus" sumbernya. Partikel juga dapat bergerak dalam dua arah yang berlawanan sekaligus jika ada pembawa muatan dari kedua tanda di media penghantar.
Untuk alasan historis, umumnya diterima bahwa arus diarahkan dengan cara muatan positif bergerak - dari "plus" ke "minus". Untuk menghindari kebingungan, harus diingat bahwa meskipun dalam kasus arus yang paling umum dalam konduktor logam, pergerakan partikel yang sebenarnya - elektron - terjadi, tentu saja, dalam arah yang berlawanan, aturan bersyarat ini selalu berlaku.
Perambatan arus dan kecepatan drift
Seringkali ada masalah dalam memahami seberapa cepat arus bergerak. Dua konsep yang berbeda tidak boleh dikacaukan: kecepatan rambat arus (listriksinyal) dan kecepatan drift partikel - pembawa muatan. Yang pertama adalah kecepatan di mana interaksi elektromagnetik ditransmisikan atau - yang sama - medan merambat. Ini dekat (dengan mempertimbangkan media propagasi) dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa dan hampir 300.000 km/s.
Partikel membuat gerakan teraturnya sangat lambat (10-4–10-3 m/s). Kecepatan drift tergantung pada intensitas yang diterapkan medan listrik pada mereka, tetapi dalam semua kasus itu beberapa kali lipat lebih rendah daripada kecepatan gerakan acak termal partikel (105 –106m/s). Penting untuk dipahami bahwa di bawah aksi medan, penyimpangan simultan dari semua muatan bebas dimulai, sehingga arus segera muncul di seluruh konduktor.
Jenis arus
Pertama-tama, arus dibedakan oleh perilaku pembawa muatan dari waktu ke waktu.
- Arus konstan adalah arus yang tidak mengubah besar (kekuatan) maupun arah pergerakan partikel. Ini adalah cara termudah untuk memindahkan partikel bermuatan, dan selalu merupakan awal dari studi arus listrik.
- Dalam arus bolak-balik, parameter ini berubah seiring waktu. Pembangkitannya didasarkan pada fenomena induksi elektromagnetik yang terjadi pada rangkaian tertutup akibat perubahan (rotasi) medan magnet. Medan listrik dalam hal ini secara periodik membalik vektor intensitas. Dengan demikian, tanda-tanda potensi berubah, dan nilainya beralih dari "plus" ke "minus" semua nilai antara, termasuk nol. Hasil darifenomena, gerakan teratur partikel bermuatan berubah arah sepanjang waktu. Besarnya arus seperti itu berfluktuasi (biasanya secara sinusoidal, yaitu secara harmonis) dari maksimum ke minimum. Arus bolak-balik memiliki karakteristik penting dari kecepatan osilasi ini seperti frekuensi - jumlah siklus lengkap perubahan per detik.
Selain klasifikasi yang paling penting ini, perbedaan antara arus juga dapat dibuat menurut kriteria seperti sifat pergerakan pembawa muatan dalam kaitannya dengan media tempat arus merambat.
Arus konduksi
Contoh arus yang paling terkenal adalah gerakan teratur dan terarah dari partikel bermuatan di bawah aksi medan listrik di dalam benda (medium). Ini disebut arus konduksi.
Dalam padatan (logam, grafit, banyak bahan kompleks) dan beberapa cairan (merkuri dan lelehan logam lainnya), elektron adalah partikel bermuatan bergerak. Gerakan teratur dalam konduktor adalah penyimpangannya relatif terhadap atom atau molekul suatu zat. Konduktivitas semacam ini disebut elektronik. Dalam semikonduktor, transfer muatan juga terjadi karena pergerakan elektron, tetapi karena beberapa alasan, konsep lubang dapat digunakan untuk menggambarkan arus - kuasipartikel positif, yang merupakan kekosongan elektron yang bergerak.
Dalam larutan elektrolit, aliran arus dilakukan karena ion negatif dan positif bergerak ke kutub yang berbeda - anoda dan katoda, yang merupakan bagian dari larutan.
Transfer arus
Gas - dalam kondisi normal dielektrik - juga dapat menjadi konduktor jika mengalami ionisasi yang cukup kuat. Konduktivitas listrik gas dicampur. Gas terionisasi sudah menjadi plasma di mana elektron dan ion, yaitu, semua partikel bermuatan, bergerak. Gerakan teratur mereka membentuk saluran plasma dan disebut pelepasan gas.
Pergerakan muatan yang terarah dapat terjadi tidak hanya di dalam lingkungan. Misalkan seberkas elektron atau ion bergerak dalam ruang hampa, dipancarkan dari elektroda positif atau negatif. Fenomena ini disebut emisi elektron dan digunakan secara luas, misalnya, dalam perangkat vakum. Tentu saja, gerakan ini adalah arus.
Kasus lain adalah pergerakan benda makroskopik bermuatan listrik. Ini juga merupakan arus, karena situasi seperti itu memenuhi kondisi transfer muatan terarah.
Semua contoh di atas harus dianggap sebagai gerakan teratur partikel bermuatan. Arus ini disebut arus konveksi atau transfer. Sifatnya, misalnya, magnet, sangat mirip dengan arus konduksi.
Bias saat ini
Ada fenomena yang tidak ada hubungannya dengan transfer muatan dan terjadi di mana ada medan listrik yang berubah-ubah terhadap waktu yang memiliki sifat konduksi "nyata" atau arus transfer: ia membangkitkan medan magnet bolak-balik. Initerjadi, misalnya, dalam rangkaian arus bolak-balik antara pelat kapasitor. Fenomena tersebut disertai dengan perpindahan energi dan disebut arus perpindahan.
Faktanya, nilai ini menunjukkan seberapa cepat perubahan induksi medan listrik pada permukaan tertentu yang tegak lurus dengan arah vektornya. Konsep induksi listrik meliputi kuat medan dan vektor polarisasi. Dalam ruang hampa, hanya tegangan yang diperhitungkan. Adapun proses elektromagnetik dalam materi, polarisasi molekul atau atom, di mana, ketika terkena medan, pergerakan terikat (tidak bebas!) Terjadi, membuat beberapa kontribusi untuk perpindahan arus dalam dielektrik atau konduktor.
Nama ini berasal dari abad ke-19 dan bersyarat, karena arus listrik nyata adalah gerakan teratur partikel bermuatan. Arus perpindahan tidak ada hubungannya dengan arus muatan. Oleh karena itu, sebenarnya, ini bukan arus.
Manifestasi (tindakan) saat ini
Pergerakan teratur partikel bermuatan selalu disertai dengan fenomena fisik tertentu, yang sebenarnya dapat digunakan untuk menilai apakah proses ini terjadi atau tidak. Dimungkinkan untuk membagi fenomena tersebut (tindakan saat ini) menjadi tiga kelompok utama:
- Aksi magnet. Muatan listrik yang bergerak pasti menciptakan medan magnet. Jika Anda meletakkan kompas di sebelah konduktor yang dilalui arus, panah akan berputar tegak lurus terhadap arah arus ini. Berdasarkan fenomena ini, perangkat elektromagnetik beroperasi, memungkinkan, misalnya, untuk mengubah energi listrikmenjadi mekanik.
- Efek termal. Arus bekerja untuk mengatasi hambatan konduktor, menghasilkan pelepasan energi panas. Ini karena, selama hanyut, partikel bermuatan mengalami hamburan pada elemen kisi kristal atau molekul konduktor dan memberi mereka energi kinetik. Jika kisi, katakanlah, sebuah logam beraturan sempurna, elektron praktis tidak akan menyadarinya (ini adalah konsekuensi dari sifat gelombang partikel). Namun, pertama, atom di situs kisi itu sendiri tunduk pada getaran termal yang melanggar keteraturannya, dan kedua, cacat kisi - atom pengotor, dislokasi, kekosongan - juga mempengaruhi pergerakan elektron.
- Tindakan kimia diamati dalam elektrolit. Ion bermuatan berlawanan, di mana larutan elektrolit dipisahkan, ketika medan listrik diterapkan, dipisahkan ke elektroda yang berlawanan, yang menyebabkan dekomposisi kimia elektrolit.
Kecuali ketika gerakan teratur partikel bermuatan adalah subjek penelitian ilmiah, itu menarik minat seseorang dalam manifestasi makroskopiknya. Bukan arus itu sendiri yang penting bagi kita, tetapi fenomena yang disebutkan di atas, yang menyebabkannya, karena transformasi energi listrik menjadi bentuk lain.
Semua tindakan saat ini memainkan peran ganda dalam hidup kita. Dalam beberapa kasus, perlu untuk melindungi orang dan peralatan dari mereka, dalam kasus lain, memperoleh satu atau lain efek yang disebabkan oleh transfer langsung muatan listrik secara langsung.tujuan dari berbagai macam perangkat teknis.
