ფიზიკური ფენომენების უზარმაზარი მრავალფეროვნება, როგორც მიკროსკოპული, ასევე მაკროსკოპული, ბუნებით ელექტრომაგნიტურია. ეს მოიცავს ხახუნისა და ელასტიურობის ძალებს, ყველა ქიმიურ პროცესს, ელექტროენერგიას, მაგნეტიზმს, ოპტიკას.
ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების ერთ-ერთი ასეთი გამოვლინებაა დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებული მოძრაობა. ეს არის თითქმის ყველა თანამედროვე ტექნოლოგიის აბსოლუტურად აუცილებელი ელემენტი, რომელიც გამოიყენება სხვადასხვა სფეროში - ჩვენი ცხოვრების ორგანიზებიდან კოსმოსურ ფრენებამდე.
ფენომენის ზოგადი კონცეფცია
დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებულ მოძრაობას ელექტრული დენი ეწოდება. მუხტების ასეთი მოძრაობა შეიძლება განხორციელდეს სხვადასხვა მედიაში გარკვეული ნაწილაკების, ზოგჯერ კვაზინაწილაკების საშუალებით.
მიმდინარეობის წინაპირობააზუსტად მოწესრიგებული, მიმართული მოძრაობა. დამუხტული ნაწილაკები არის ობიექტები, რომლებსაც (ისევე როგორც ნეიტრალურს) აქვთ თერმული ქაოტური მოძრაობა. თუმცა, დენი წარმოიქმნება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ამ უწყვეტი ქაოტური პროცესის ფონზე ხდება მუხტების ზოგადი მოძრაობა რაიმე მიმართულებით.
როდესაც სხეული მოძრაობს, ელექტრულად ნეიტრალური მთლიანობაში, მის ატომებსა და მოლეკულებში ნაწილაკები, რა თქმა უნდა, მოძრაობენ მიმართულებით, მაგრამ ვინაიდან ნეიტრალურ ობიექტში საპირისპირო მუხტები აკომპენსირებენ ერთმანეთს, მუხტის გადაცემა არ ხდება. და შეგვიძლია ვისაუბროთ მიმდინარეობაზე არც ამ შემთხვევაში აქვს აზრი.
როგორ წარმოიქმნება დენი
განვიხილოთ პირდაპირი დენის აგზნების უმარტივესი ვერსია. თუ ელექტრული ველი გამოიყენება გარემოზე, სადაც მუხტის მატარებლები იმყოფებიან ზოგად შემთხვევაში, მასში დაიწყება დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებული მოძრაობა. ფენომენს ეწოდება მუხტის დრიფტი.
შეიძლება მოკლედ აღწერილი იყოს შემდეგნაირად. ველის სხვადასხვა წერტილში წარმოიქმნება პოტენციური სხვაობა (ძაბვა), ანუ ამ წერტილებში მდებარე ელექტრული მუხტების ურთიერთქმედების ენერგია ველთან, რომელიც დაკავშირებულია ამ მუხტების სიდიდესთან, განსხვავებული იქნება. ვინაიდან ნებისმიერი ფიზიკური სისტემა, როგორც ცნობილია, მიდრეკილია მინიმალური პოტენციური ენერგიისკენ, რომელიც შეესაბამება წონასწორობის მდგომარეობას, დამუხტული ნაწილაკები დაიწყებენ მოძრაობას პოტენციალების გათანაბრებისკენ. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ველი ასრულებს გარკვეულ სამუშაოს ამ ნაწილაკების გადასატანად.
როდესაც პოტენციალი გათანაბრდება, დაძაბულობა ქრებაელექტრული ველი - ქრება. ამავდროულად ჩერდება დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებული მოძრაობაც, დენი. სტაციონარული, ანუ დროიდან დამოუკიდებელი ველის მისაღებად, საჭიროა გამოვიყენოთ დენის წყარო, რომელშიც ენერგიის გამოყოფის გამო გარკვეულ პროცესებში (მაგალითად, ქიმიურ) მუხტები განუწყვეტლივ გამოიყოფა და მიეწოდება ბოძები, ინარჩუნებს ელექტრული ველის არსებობას.
დენის მიღება შესაძლებელია სხვადასხვა გზით. ამრიგად, მაგნიტური ველის ცვლილება გავლენას ახდენს მასში შეყვანილ გამტარ წრეში მუხტებზე და იწვევს მათ მიმართულ მოძრაობას. ასეთ დენს ინდუქციური ეწოდება.
მიმდინარეობის რაოდენობრივი მახასიათებლები
მთავარი პარამეტრი, რომლითაც დენი რაოდენობრივად არის აღწერილი, არის დენის სიძლიერე (ზოგჯერ ამბობენ "მნიშვნელობა" ან უბრალოდ "მიმდინარე"). იგი განისაზღვრება, როგორც ელექტროენერგიის რაოდენობა (დამუხტვის ოდენობა ან ელემენტარული მუხტების რაოდენობა), რომელიც გადის დროის ერთეულში გარკვეულ ზედაპირზე, ჩვეულებრივ, გამტარის კვეთის გავლით: I=Q / t. დენი იზომება ამპერებში: 1 A \u003d 1 C / s (კულონი წამში). ელექტრული წრედის განყოფილებაში, დენის სიძლიერე პირდაპირ კავშირშია პოტენციურ განსხვავებასთან და პირიქით - გამტარის წინააღმდეგობასთან: I \u003d U / R. სრული სქემისთვის ეს დამოკიდებულება (ომის კანონი) გამოიხატება როგორც I=⁇/R+r, სადაც ⁇ არის წყაროს ელექტრომოძრავი ძალა და r არის მისი შიდა წინააღმდეგობა..
დენის სიძლიერის შეფარდებას გამტარის კვეთაზე, რომლის მეშვეობითაც ხდება დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებული მოძრაობა მასზე პერპენდიკულურად, ეწოდება დენის სიმკვრივე: j=I/S=ქ/წმ. ეს მნიშვნელობა ახასიათებს ელექტროენერგიის რაოდენობას, რომელიც მიედინება დროის ერთეულზე ერთეულ ფართობზე. რაც უფრო მაღალია ველის სიძლიერე E და საშუალების ელექტრული გამტარობა, მით მეტია დენის სიმკვრივე: j=σ∙E. დენის სიძლიერისგან განსხვავებით, ეს სიდიდე ვექტორულია და აქვს მიმართულება დადებითი მუხტის მატარებელი ნაწილაკების მოძრაობის გასწვრივ.
მიმდინარე მიმართულება და დრიფტის მიმართულება
ელექტრულ ველში მუხტის მატარებელი ობიექტები, კულონის ძალების გავლენით, განახორციელებენ მოწესრიგებულ მოძრაობას დენის წყაროს პოლუსზე, მუხტის ნიშნის საპირისპიროდ. დადებითად დამუხტული ნაწილაკები მიდიან უარყოფითი პოლუსისკენ („მინუს“) და, პირიქით, თავისუფალი უარყოფითი მუხტები იზიდავს წყაროს „პლუს“. ნაწილაკებს ასევე შეუძლიათ ერთდროულად ორი საპირისპირო მიმართულებით გადაადგილება, თუ გამტარ გარემოში არის ორივე ნიშნის მუხტის მატარებლები.
ისტორიული მიზეზების გამო, ზოგადად მიღებულია, რომ დენი მიმართულია დადებითი მუხტების გადაადგილების გზით - "პლუს"-დან "მინუსამდე". დაბნეულობის თავიდან ასაცილებლად, უნდა გვახსოვდეს, რომ მიუხედავად იმისა, რომ მეტალის გამტარებში დენის ყველაზე ნაცნობ შემთხვევაში, ნაწილაკების - ელექტრონების რეალური მოძრაობა ხდება, რა თქმა უნდა, საპირისპირო მიმართულებით, ეს პირობითი წესი ყოველთვის მოქმედებს.
მიმდინარე გავრცელება და დრიფტის სიჩქარე
ხშირად არის პრობლემები იმის გაგებაში, თუ რამდენად სწრაფად მოძრაობს მიმდინარე. ორი განსხვავებული კონცეფცია არ უნდა აგვერიოს: დენის გავრცელების სიჩქარე (ელექტროსიგნალი) და ნაწილაკების დრიფტის სიჩქარე - მუხტის მატარებლები. პირველი არის სიჩქარე, რომლითაც ხდება ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების გადაცემა ან - რაც იგივეა - ველის გავრცელება. ის ახლოსაა (გავრცელების საშუალების გათვალისწინებით) სინათლის სიჩქარესთან ვაკუუმში და არის თითქმის 300000 კმ/წმ.
ნაწილაკები თავიანთ მოწესრიგებულ მოძრაობას აკეთებენ ძალიან ნელა (10-4–10-3 მ/წმ). დრეიფის სიჩქარე დამოკიდებულია მათზე გამოყენებული ელექტრული ველის ინტენსივობაზე, მაგრამ ყველა შემთხვევაში ის რამდენიმე რიგით ჩამოუვარდება ნაწილაკების თერმული შემთხვევითი მოძრაობის სიჩქარეს (105 –106მ/წმ). მნიშვნელოვანია გვესმოდეს, რომ ველის მოქმედების ქვეშ, იწყება ყველა უფასო მუხტის ერთდროული დრიფტი, ამიტომ დენი დაუყოვნებლივ ჩნდება მთელ გამტარში.
მიმდინარეობის ტიპები
უპირველეს ყოვლისა, დენები გამოირჩევა მუხტის მატარებლების ქცევით დროთა განმავლობაში.
- მუდმივი დენი არის დენი, რომელიც არ ცვლის არც სიდიდეს (სიძლიერეს) და არც ნაწილაკების მოძრაობის მიმართულებას. ეს არის დამუხტული ნაწილაკების გადაადგილების უმარტივესი გზა და ის ყოველთვის არის ელექტრული დენის შესწავლის დასაწყისი.
- ალტერნატიულ დენში ეს პარამეტრები დროთა განმავლობაში იცვლება. მისი წარმოქმნა ეფუძნება ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენს, რომელიც ხდება დახურულ წრეში მაგნიტური ველის ცვლილების (ბრუნვის) გამო. ელექტრული ველი ამ შემთხვევაში პერიოდულად აბრუნებს ინტენსივობის ვექტორს. შესაბამისად, იცვლება პოტენციალების ნიშნები და მათი მნიშვნელობა „პლუს“-დან „მინუს“გადადის ყველა შუალედურ მნიშვნელობაზე, ნულის ჩათვლით. Როგორც შედეგიფენომენი, დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებული მოძრაობა მუდმივად იცვლის მიმართულებას. ასეთი დენის სიდიდე მერყეობს (ჩვეულებრივ სინუსოიდულად, ანუ ჰარმონიულად) მაქსიმალურიდან მინიმუმამდე. ალტერნატიულ დენს აქვს ამ რხევების სიჩქარის ისეთი მნიშვნელოვანი მახასიათებელი, როგორიცაა სიხშირე - ცვლილების სრული ციკლების რაოდენობა წამში.
ამ უმნიშვნელოვანესი კლასიფიკაციის გარდა, დენებს შორის განსხვავებები ასევე შეიძლება გაკეთდეს ისეთი კრიტერიუმის მიხედვით, როგორიცაა მუხტის მატარებლების მოძრაობის ბუნება იმ გარემოსთან მიმართებაში, რომელშიც დენი ვრცელდება.
გამტარობის დენები
დენის ყველაზე ცნობილი მაგალითია დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებული, მიმართული მოძრაობა სხეულის შიგნით ელექტრული ველის მოქმედების ქვეშ (საშუალო). მას ჰქვია გამტარობის დენი.
მყარ სხეულებში (ლითონები, გრაფიტი, მრავალი რთული მასალა) და ზოგიერთ სითხეში (ვერცხლისწყალი და სხვა ლითონების დნება), ელექტრონები არის მობილური დამუხტული ნაწილაკები. გამტარში მოწესრიგებული მოძრაობა არის მათი დრეიფი ნივთიერების ატომებთან ან მოლეკულებთან შედარებით. ამ ტიპის გამტარობას ელექტრონული ეწოდება. ნახევარგამტარებში მუხტის გადაცემა ასევე ხდება ელექტრონების მოძრაობის გამო, მაგრამ მრავალი მიზეზის გამო მოსახერხებელია ხვრელის კონცეფციის გამოყენება დენის აღსაწერად - დადებითი კვაზინაწილაკი, რომელიც არის მოძრავი ელექტრონის ვაკანსია..
ელექტროლიტურ ხსნარებში დენის გავლა ხდება ხსნარის შემადგენელი უარყოფითი და დადებითი იონების - ანოდისა და კათოდისკენ გადაადგილების გამო..
დენების გადაცემა
გაზი - ნორმალურ პირობებში დიელექტრიკი - ასევე შეიძლება გახდეს გამტარი, თუ ექვემდებარება საკმარისად ძლიერ იონიზაციას. გაზის ელექტროგამტარობა შერეულია. იონიზებული გაზი უკვე არის პლაზმა, რომელშიც მოძრაობს ელექტრონებიც და იონებიც, ანუ ყველა დამუხტული ნაწილაკი. მათი მოწესრიგებული მოძრაობა ქმნის პლაზმურ არხს და ეწოდება გაზის გამონადენი.
მუხტების მიმართული მოძრაობა შეიძლება მოხდეს არა მხოლოდ გარემოში. დავუშვათ, ელექტრონების ან იონების სხივი მოძრაობს ვაკუუმში, გამოსხივებული დადებითი ან უარყოფითი ელექტროდიდან. ამ ფენომენს ელექტრონის ემისია ეწოდება და ფართოდ გამოიყენება, მაგალითად, ვაკუუმ მოწყობილობებში. რა თქმა უნდა, ეს მოძრაობა არის მიმდინარეობა.
კიდევ ერთი შემთხვევა არის ელექტრული დამუხტული მაკროსკოპული სხეულის მოძრაობა. ესეც მიმდინარეობაა, ვინაიდან ასეთი ვითარება აკმაყოფილებს მიმართული მუხტის გადაცემის პირობას.
ყველა ზემოთ მოყვანილი მაგალითი უნდა ჩაითვალოს როგორც დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებული მოძრაობა. ამ დენს ეწოდება კონვექცია ან გადაცემის დენი. მისი თვისებები, მაგალითად, მაგნიტური, სრულიად ჰგავს გამტარ დენების თვისებებს.
მიკერძოებული მიმდინარე
არის ფენომენი, რომელსაც არანაირი კავშირი არ აქვს მუხტის გადაცემასთან და ხდება იქ, სადაც არის დროში ცვალებადი ელექტრული ველი, რომელსაც აქვს "რეალური" გამტარობის ან გადაცემის დენების თვისება: ის აღაგზნებს ალტერნატიულ მაგნიტურ ველს. Ეს არისხდება, მაგალითად, ალტერნატიული დენის სქემებში კონდენსატორების ფირფიტებს შორის. ფენომენს თან ახლავს ენერგიის გადაცემა და ეწოდება გადაადგილების დენი.
ფაქტობრივად, ეს მნიშვნელობა გვიჩვენებს, თუ რამდენად სწრაფად იცვლება ელექტრული ველის ინდუქცია გარკვეულ ზედაპირზე მისი ვექტორის მიმართულების პერპენდიკულარულად. ელექტრული ინდუქციის კონცეფცია მოიცავს ველის სიძლიერეს და პოლარიზაციის ვექტორებს. ვაკუუმში მხედველობაში მიიღება მხოლოდ დაძაბულობა. რაც შეეხება მატერიის ელექტრომაგნიტურ პროცესებს, მოლეკულების ან ატომების პოლარიზაცია, რომლის დროსაც ველის ზემოქმედებისას ხდება შეკრული (არა თავისუფალი!) მუხტების მოძრაობა, გარკვეულ წვლილს ახდენს დიელექტრიკულში ან გამტარში გადაადგილების დენში.
სახელი წარმოიშვა მე-19 საუკუნეში და პირობითია, რადგან რეალური ელექტრული დენი არის დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებული მოძრაობა. გადაადგილების დენს არაფერი აქვს საერთო მუხტის დრიფტთან. ამიტომ, მკაცრად რომ ვთქვათ, ეს არ არის მიმდინარეობა.
მიმდინარე მანიფესტაციები (მოქმედებები)
დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებულ მოძრაობას ყოველთვის ახლავს გარკვეული ფიზიკური ფენომენი, რომელიც, ფაქტობრივად, შეიძლება გამოყენებულ იქნას იმის დასადგენად, მიმდინარეობს თუ არა ეს პროცესი. შესაძლებელია ასეთი ფენომენების (მიმდინარე მოქმედებების) დაყოფა სამ ძირითად ჯგუფად:
- მაგნიტური მოქმედება. მოძრავი ელექტრული მუხტი აუცილებლად ქმნის მაგნიტურ ველს. თუ დააყენებთ კომპასს დირიჟორის გვერდით, რომლის მეშვეობითაც დენი გადის, ისარი ამ დენის მიმართულების პერპენდიკულურად გადაიქცევა. ამ ფენომენიდან გამომდინარე, ელექტრომაგნიტური მოწყობილობები მოქმედებენ, რომლებიც, მაგალითად, ელექტროენერგიის გარდაქმნის საშუალებას იძლევამექანიკურად.
- თერმული ეფექტი. დენი მუშაობს გამტარის წინააღმდეგობის დასაძლევად, რაც იწვევს თერმული ენერგიის განთავისუფლებას. ეს იმიტომ ხდება, რომ დრიფტის დროს დამუხტული ნაწილაკები განიცდიან გაფანტვას კრისტალური მედის ან გამტარი მოლეკულების ელემენტებზე და აძლევს მათ კინეტიკურ ენერგიას. თუ, ვთქვათ, ლითონის გისოსები იყო იდეალურად რეგულარული, ელექტრონები მას პრაქტიკულად ვერ შეამჩნევდნენ (ეს ნაწილაკების ტალღური ბუნების შედეგია). თუმცა, ჯერ ერთი, თავად გისოსების ატომები ექვემდებარებიან თერმულ ვიბრაციას, რომელიც არღვევს მის კანონზომიერებას და მეორეც, გისოსის დეფექტები - მინარევის ატომები, დისლოკაციები, ვაკანსიები - ასევე მოქმედებს ელექტრონების მოძრაობაზე..
- ქიმიური მოქმედება შეინიშნება ელექტროლიტებში. საპირისპიროდ დამუხტული იონები, რომლებშიც ელექტროლიტური ხსნარი დისოცირებულია, როდესაც ელექტრული ველი გამოიყენება, გამოყოფილია საპირისპირო ელექტროდებზე, რაც იწვევს ელექტროლიტის ქიმიურ დაშლას.
გარდა იმ შემთხვევისა, როდესაც დამუხტული ნაწილაკების მოწესრიგებული მოძრაობა სამეცნიერო კვლევის საგანია, ის აინტერესებს ადამიანს თავისი მაკროსკოპული გამოვლინებით. ჩვენთვის მნიშვნელოვანია არა თავად დენი, არამედ ზემოთ ჩამოთვლილი ფენომენები, რომლებსაც ის იწვევს ელექტრო ენერგიის სხვა ფორმებად გადაქცევის გამო.
ყველა მიმდინარე მოქმედება ორმაგ როლს თამაშობს ჩვენს ცხოვრებაში. ზოგიერთ შემთხვევაში აუცილებელია ადამიანებისა და აღჭურვილობის დაცვა მათგან, ზოგ შემთხვევაში, ელექტრული მუხტების მიმართული გადაცემით გამოწვეული ამა თუ იმ ეფექტის მიღება პირდაპირია.მრავალფეროვანი ტექნიკური მოწყობილობების დანიშნულება.
