Une grande variété de phénomènes physiques, à la fois microscopiques et macroscopiques, sont de nature électromagnétique. Il s'agit notamment des forces de frottement et d'élasticité, de tous les processus chimiques, de l'électricité, du magnétisme, de l'optique.
L'une de ces manifestations de l'interaction électromagnétique est le mouvement ordonné de particules chargées. C'est un élément absolument nécessaire de presque toutes les technologies modernes utilisées dans divers domaines - de l'organisation de notre vie aux vols spatiaux.
Concept général du phénomène
Le mouvement ordonné des particules chargées est appelé courant électrique. Un tel mouvement de charges peut s'effectuer dans différents milieux au moyen de certaines particules, parfois des quasi-particules.
Une condition préalable pour le courant estmouvement ordonné et dirigé avec précision. Les particules chargées sont des objets qui (ainsi que les neutres) ont un mouvement chaotique thermique. Cependant, le courant ne se produit que lorsque, dans le contexte de ce processus chaotique continu, il y a un mouvement général de charges dans une certaine direction.
Quand un corps se déplace, électriquement neutre dans son ensemble, les particules de ses atomes et molécules, bien sûr, se déplacent dans une direction, mais puisque des charges opposées dans un objet neutre se compensent, il n'y a pas de transfert de charge, et nous pouvons parler du courant n'a pas de sens dans ce cas non plus.
Comment le courant est généré
Considérez la version la plus simple de l'excitation en courant continu. Si un champ électrique est appliqué à un milieu où des porteurs de charge sont présents dans le cas général, un mouvement ordonné de particules chargées y commencera. Le phénomène est appelé dérive de charge.
Il peut être brièvement décrit comme suit. En différents points du champ, une différence de potentiel (tension) apparaît, c'est-à-dire que l'énergie d'interaction des charges électriques situées en ces points avec le champ, liée à l'amplitude de ces charges, sera différente. Puisque tout système physique, comme on le sait, tend vers un minimum d'énergie potentielle correspondant à l'état d'équilibre, les particules chargées commenceront à se déplacer vers l'égalisation des potentiels. En d'autres termes, le champ effectue un certain travail pour déplacer ces particules.
Lorsque les potentiels sont égalisés, la tension disparaîtchamp électrique - il disparaît. Dans le même temps, le mouvement ordonné des particules chargées, le courant, s'arrête également. Afin d'obtenir un champ stationnaire, c'est-à-dire indépendant du temps, il est nécessaire d'utiliser une source de courant dans laquelle, en raison de la libération d'énergie dans certains processus (par exemple, chimique), les charges sont séparées en continu et envoyées au pôles, maintenant l'existence d'un champ électrique.
Le courant peut être obtenu de différentes manières. Ainsi, une modification du champ magnétique affecte les charges du circuit conducteur qui y sont introduites et provoque leur mouvement dirigé. Un tel courant est appelé inductif.
Caractéristiques quantitatives du courant
Le principal paramètre par lequel le courant est décrit quantitativement est la force du courant (parfois ils disent "valeur" ou simplement "courant"). Il est défini comme la quantité d'électricité (la quantité de charge ou le nombre de charges élémentaires) passant par unité de temps à travers une certaine surface, généralement à travers la section d'un conducteur: I=Q / t. Le courant est mesuré en ampères: 1 A \u003d 1 C / s (coulomb par seconde). Dans la section du circuit électrique, l'intensité du courant est directement liée à la différence de potentiel et inversement - à la résistance du conducteur: I \u003d U / R. Pour un circuit complet, cette dépendance (loi d'Ohm) s'exprime par I=÷/R+r, où ÷ est la force électromotrice de la source et r est sa résistance interne.
Le rapport de l'intensité du courant à la section transversale du conducteur à travers lequel le mouvement ordonné des particules chargées se produit perpendiculairement à celui-ci s'appelle la densité de courant: j=I/S=Q/St. Cette valeur caractérise la quantité d'électricité qui circule par unité de temps à travers une unité de surface. Plus l'intensité du champ E et la conductivité électrique du milieu σ sont élevées, plus la densité de courant est élevée: j=σ∙E. Contrairement à la force actuelle, cette quantité est vectorielle et a une direction le long du mouvement des particules qui portent une charge positive.
Sens du courant et sens de la dérive
Dans un champ électrique, les objets porteurs d'une charge, sous l'influence des forces de Coulomb, effectueront un mouvement ordonné vers le pôle de la source de courant, opposé en signe de charge. Les particules chargées positivement dérivent vers le pôle négatif (« moins ») et, inversement, les charges négatives libres sont attirées vers le « plus » de la source. Les particules peuvent également se déplacer dans deux directions opposées à la fois s'il y a des porteurs de charge des deux signes dans le milieu conducteur.
Pour des raisons historiques, il est généralement admis que le courant est dirigé de la façon dont les charges positives se déplacent - du "plus" au "moins". Pour éviter toute confusion, il convient de rappeler que bien que dans le cas le plus courant du courant dans les conducteurs métalliques, le mouvement réel des particules - les électrons - se produise, bien sûr, dans le sens opposé, cette règle conditionnelle s'applique toujours.
Propagation du courant et vitesse de dérive
Il y a souvent des problèmes pour comprendre à quelle vitesse le courant se déplace. Il ne faut pas confondre deux notions différentes: la vitesse de propagation du courant (électriquesignal) et la vitesse de dérive des particules - porteurs de charge. Le premier est la vitesse à laquelle l'interaction électromagnétique est transmise ou - ce qui revient au même - le champ se propage. Elle est proche (compte tenu du milieu de propagation) de la vitesse de la lumière dans le vide et vaut près de 300 000 km/s.
Les particules effectuent leur mouvement ordonné très lentement (10-4–10-3 m/s). La vitesse de dérive dépend de l'intensité avec laquelle le champ électrique appliqué agit sur elles, mais dans tous les cas, elle est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à la vitesse du mouvement aléatoire thermique des particules (105 –106m/s). Il est important de comprendre que sous l'action du champ, la dérive simultanée de toutes les charges libres commence, de sorte que le courant apparaît immédiatement dans tout le conducteur.
Types de courant
Tout d'abord, les courants se distinguent par le comportement des porteurs de charge dans le temps.
- Un courant constant est un courant qui ne change ni l'amplitude (la force) ni la direction du mouvement des particules. C'est le moyen le plus simple de déplacer des particules chargées, et c'est toujours le début de l'étude du courant électrique.
- En courant alternatif, ces paramètres changent avec le temps. Sa génération est basée sur le phénomène d'induction électromagnétique qui se produit dans un circuit fermé en raison d'un changement (rotation) du champ magnétique. Le champ électrique dans ce cas inverse périodiquement le vecteur d'intensité. En conséquence, les signes des potentiels changent et leur valeur passe de "plus" à "moins" toutes les valeurs intermédiaires, y compris zéro. Par conséquentphénomène, le mouvement ordonné des particules chargées change de direction tout le temps. L'amplitude d'un tel courant fluctue (généralement de manière sinusoïdale, c'est-à-dire harmoniquement) d'un maximum à un minimum. Le courant alternatif a une caractéristique aussi importante de la vitesse de ces oscillations que la fréquence - le nombre de cycles complets de changement par seconde.
En plus de cette classification des plus importantes, des différences entre les courants peuvent également être faites en fonction d'un critère tel que la nature du mouvement des porteurs de charge par rapport au milieu dans lequel se propage le courant.
Courants de conduction
L'exemple le plus célèbre d'un courant est le mouvement ordonné et dirigé de particules chargées sous l'action d'un champ électrique à l'intérieur d'un corps (milieu). C'est ce qu'on appelle le courant de conduction.
Dans les solides (métaux, graphite, de nombreux matériaux complexes) et certains liquides (mercure et autres métaux fondus), les électrons sont des particules chargées mobiles. Un mouvement ordonné dans un conducteur est leur dérive par rapport aux atomes ou molécules d'une substance. La conductivité de ce type est appelée électronique. Dans les semi-conducteurs, le transfert de charge se produit également en raison du mouvement des électrons, mais pour un certain nombre de raisons, il est pratique d'utiliser le concept de trou pour décrire le courant - une quasi-particule positive, qui est une lacune d'électron en mouvement.
Dans les solutions électrolytiques, le passage du courant est effectué en raison des ions négatifs et positifs se déplaçant vers différents pôles - l'anode et la cathode, qui font partie de la solution.
Courants de transfert
Le gaz - dans des conditions normales un diélectrique - peut également devenir conducteur s'il est soumis à une ionisation suffisamment forte. La conductivité électrique du gaz est mixte. Un gaz ionisé est déjà un plasma dans lequel se déplacent à la fois les électrons et les ions, c'est-à-dire toutes les particules chargées. Leur mouvement ordonné forme un canal de plasma et s'appelle une décharge gazeuse.
Le mouvement dirigé des charges peut se produire non seulement à l'intérieur de l'environnement. Supposons qu'un faisceau d'électrons ou d'ions se déplace dans le vide, émis par une électrode positive ou négative. Ce phénomène est appelé émission d'électrons et est largement utilisé, par exemple, dans les dispositifs à vide. Bien sûr, ce mouvement est un courant.
Un autre cas est le mouvement d'un corps macroscopique chargé électriquement. C'est aussi un courant, puisqu'une telle situation satisfait la condition de transfert de charge dirigé.
Tous les exemples ci-dessus doivent être considérés comme un mouvement ordonné de particules chargées. Ce courant est appelé courant de convection ou de transfert. Ses propriétés, par exemple magnétiques, sont tout à fait similaires à celles des courants de conduction.
Courant de polarisation
Il existe un phénomène qui n'a rien à voir avec le transfert de charge et qui se produit lorsqu'il existe un champ électrique variable dans le temps qui a la propriété de courants de conduction ou de transfert "réels": il excite un champ magnétique alternatif. C'estse produit, par exemple, dans les circuits à courant alternatif entre les plaques de condensateurs. Le phénomène s'accompagne d'un transfert d'énergie et est appelé courant de déplacement.
En fait, cette valeur montre à quelle vitesse l'induction du champ électrique change sur une certaine surface perpendiculaire à la direction de son vecteur. Le concept d'induction électrique comprend les vecteurs d'intensité de champ et de polarisation. Dans le vide, seule la tension est prise en compte. En ce qui concerne les processus électromagnétiques dans la matière, la polarisation des molécules ou des atomes, dans laquelle, lorsqu'ils sont exposés à un champ, le mouvement des charges liées (non libres !) a lieu, contribue dans une certaine mesure au courant de déplacement dans un diélectrique ou un conducteur.
Le nom provient du 19ème siècle et est conditionnel, puisqu'un courant électrique réel est un mouvement ordonné de particules chargées. Le courant de déplacement n'a rien à voir avec la dérive de charge. Donc, à proprement parler, ce n'est pas un courant.
Manifestations (actions) du courant
Le mouvement ordonné des particules chargées est toujours accompagné de certains phénomènes physiques, qui, en fait, peuvent être utilisés pour juger si ce processus a lieu ou non. Il est possible de diviser ces phénomènes (actions en cours) en trois groupes principaux:
- Action magnétique. Une charge électrique en mouvement crée nécessairement un champ magnétique. Si vous placez une boussole à côté d'un conducteur traversé par un courant, la flèche tournera perpendiculairement à la direction de ce courant. Sur la base de ce phénomène, des dispositifs électromagnétiques fonctionnent, permettant, par exemple, de convertir l'énergie électriqueen mécanique.
- Effet thermique. Le courant fonctionne pour surmonter la résistance du conducteur, ce qui entraîne la libération d'énergie thermique. En effet, lors de la dérive, les particules chargées subissent une diffusion sur les éléments du réseau cristallin ou molécules conductrices et leur confèrent de l'énergie cinétique. Si le réseau d'un métal, par exemple, était parfaitement régulier, les électrons ne le remarqueraient pratiquement pas (c'est une conséquence de la nature ondulatoire des particules). Cependant, premièrement, les atomes des sites du réseau eux-mêmes sont soumis à des vibrations thermiques qui violent sa régularité, et deuxièmement, les défauts du réseau - atomes d'impuretés, dislocations, lacunes - affectent également le mouvement des électrons.
- L'action chimique est observée dans les électrolytes. Les ions chargés de manière opposée, dans lesquels la solution électrolytique est dissociée, lorsqu'un champ électrique est appliqué, sont séparés aux électrodes opposées, ce qui conduit à la décomposition chimique de l'électrolyte.
Sauf lorsque le mouvement ordonné des particules chargées fait l'objet de recherches scientifiques, il intéresse une personne dans ses manifestations macroscopiques. Ce n'est pas le courant lui-même qui est important pour nous, mais les phénomènes énumérés ci-dessus, qu'il provoque, en raison de la transformation de l'énergie électrique en d'autres formes.
Toutes les actions actuelles jouent un double rôle dans nos vies. Dans certains cas, il est nécessaire d'en protéger les personnes et les équipements, dans d'autres, l'obtention de l'un ou l'autre effet provoqué par le transfert dirigé de charges électriques est directe.le but d'une grande variété de dispositifs techniques.
