Una gran variedad de fenómenos físicos, tanto microscópicos como macroscópicos, son de naturaleza electromagnética. Estos incluyen fuerzas de fricción y elasticidad, todos los procesos químicos, electricidad, magnetismo, óptica.
Una de tales manifestaciones de interacción electromagnética es el movimiento ordenado de partículas cargadas. Es un elemento absolutamente necesario de casi todas las tecnologías modernas que se utilizan en diversos campos, desde la organización de nuestra vida hasta los vuelos espaciales.
Concepto general del fenómeno
El movimiento ordenado de partículas cargadas se denomina corriente eléctrica. Tal movimiento de cargas puede llevarse a cabo en diferentes medios por medio de ciertas partículas, a veces cuasi-partículas.
Un requisito previo para la corriente esmovimiento dirigido y ordenado con precisión. Las partículas cargadas son objetos que (al igual que los neutros) tienen un movimiento caótico térmico. Sin embargo, la corriente ocurre solo cuando, en el contexto de este proceso caótico continuo, hay un movimiento general de cargas en alguna dirección.
Cuando un cuerpo se mueve, eléctricamente neutro como un todo, las partículas en sus átomos y moléculas, por supuesto, se mueven en una dirección, pero dado que las cargas opuestas en un objeto neutral se compensan entre sí, no hay transferencia de carga, y podemos hablar de la corriente tampoco tiene sentido en este caso.
Cómo se genera la corriente
Considere la versión más simple de excitación de corriente continua. Si se aplica un campo eléctrico a un medio donde los portadores de carga están presentes en el caso general, comenzará en él un movimiento ordenado de partículas cargadas. El fenómeno se denomina deriva de carga.
Se puede describir brevemente de la siguiente manera. En diferentes puntos del campo, surge una diferencia de potencial (voltaje), es decir, la energía de interacción de las cargas eléctricas ubicadas en estos puntos con el campo, en relación con la magnitud de estas cargas, será diferente. Dado que todo sistema físico, como es sabido, tiende a un mínimo de energía potencial correspondiente al estado de equilibrio, las partículas cargadas comenzarán a moverse hacia la igualación de potenciales. En otras palabras, el campo realiza algún trabajo para mover estas partículas.
Cuando los potenciales se igualan, la tensión se desvanececampo eléctrico - desaparece. Al mismo tiempo, también se detiene el movimiento ordenado de las partículas cargadas, la corriente. Para obtener un campo estacionario, es decir, independiente del tiempo, es necesario utilizar una fuente de corriente en la que, debido a la liberación de energía en ciertos procesos (por ejemplo, químicos), las cargas se separan continuamente y se alimentan al polos, manteniendo la existencia de un campo eléctrico.
La corriente se puede obtener de varias formas. Entonces, un cambio en el campo magnético afecta las cargas en el circuito conductor introducido y provoca su movimiento dirigido. Tal corriente se llama inductiva.
Características cuantitativas de la corriente
El parámetro principal por el cual se describe cuantitativamente la corriente es la fuerza de la corriente (a veces se dice "valor" o simplemente "corriente"). Se define como la cantidad de electricidad (la cantidad de carga o el número de cargas elementales) que pasa por unidad de tiempo a través de una determinada superficie, generalmente a través de la sección transversal de un conductor: I=Q / t. La corriente se mide en amperios: 1 A \u003d 1 C / s (culombio por segundo). En la sección del circuito eléctrico, la intensidad de la corriente está directamente relacionada con la diferencia de potencial e inversamente, con la resistencia del conductor: I \u003d U / R. Para un circuito completo, esta dependencia (ley de Ohm) se expresa como I=Ꞌ/R+r, donde Ꞌ es la fuerza electromotriz de la fuente y r es su resistencia interna.
La relación entre la intensidad de la corriente y la sección transversal del conductor a través del cual se produce el movimiento ordenado de partículas cargadas perpendicularmente a él se denomina densidad de corriente: j=I/S=Q/St. Este valor caracteriza la cantidad de electricidad que fluye por unidad de tiempo a través de una unidad de área. Cuanto mayor sea la intensidad de campo E y la conductividad eléctrica del medio σ, mayor será la densidad de corriente: j=σ∙E. A diferencia de la intensidad de la corriente, esta cantidad es vectorial y tiene una dirección a lo largo del movimiento de las partículas que llevan una carga positiva.
Dirección actual y dirección de deriva
En un campo eléctrico, los objetos que llevan una carga, bajo la influencia de las fuerzas de Coulomb, realizarán un movimiento ordenado hacia el polo de la fuente de corriente, de signo opuesto a la carga. Las partículas con carga positiva se desplazan hacia el polo negativo ("menos") y, a la inversa, las cargas negativas libres son atraídas por el "más" de la fuente. Las partículas también pueden moverse en dos direcciones opuestas a la vez si hay portadores de carga de ambos signos en el medio conductor.
Por razones históricas, generalmente se acepta que la corriente se dirige de la forma en que se mueven las cargas positivas, de "más" a "menos". Para evitar confusiones, debe recordarse que aunque en el caso más familiar de corriente en conductores metálicos, el movimiento real de las partículas, los electrones, ocurre, por supuesto, en la dirección opuesta, siempre se aplica esta regla condicional.
Propagación actual y velocidad de deriva
A menudo hay problemas para entender qué tan rápido se mueve la corriente. No deben confundirse dos conceptos diferentes: la velocidad de propagación de la corriente (eléctricaseñal) y la velocidad de deriva de las partículas - portadores de carga. El primero es la velocidad a la que se transmite la interacción electromagnética o -lo que es lo mismo- se propaga el campo. Se acerca (teniendo en cuenta el medio de propagación) a la velocidad de la luz en el vacío y es de casi 300.000 km/s.
Las partículas realizan su movimiento ordenado muy lentamente (10-4–10-3 m/s). La velocidad de deriva depende de la intensidad con la que actúa sobre ellas el campo eléctrico aplicado, pero en todos los casos es varios órdenes de magnitud inferior a la velocidad del movimiento aleatorio térmico de las partículas (105 –106m/s). Es importante entender que bajo la acción del campo comienza la deriva simultánea de todas las cargas libres, por lo que la corriente aparece inmediatamente en todo el conductor.
Tipos de corriente
En primer lugar, las corrientes se distinguen por el comportamiento de los portadores de carga a lo largo del tiempo.
- Una corriente constante es una corriente que no cambia ni la magnitud (fuerza) ni la dirección del movimiento de las partículas. Esta es la forma más fácil de mover partículas cargadas y siempre es el comienzo del estudio de la corriente eléctrica.
- En corriente alterna, estos parámetros cambian con el tiempo. Su generación se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética que se produce en un circuito cerrado debido a un cambio (rotación) del campo magnético. El campo eléctrico en este caso invierte periódicamente el vector de intensidad. En consecuencia, los signos de los potenciales cambian y su valor pasa de "más" a "menos" todos los valores intermedios, incluido el cero. Como resultadofenómeno, el movimiento ordenado de partículas cargadas cambia de dirección todo el tiempo. La magnitud de tal corriente fluctúa (generalmente de forma sinusoidal, es decir, armónicamente) desde un máximo hasta un mínimo. La corriente alterna tiene una característica tan importante de la velocidad de estas oscilaciones como la frecuencia, el número de ciclos completos de cambio por segundo.
Además de esta clasificación tan importante, también se pueden hacer diferencias entre corrientes de acuerdo con un criterio como la naturaleza del movimiento de los portadores de carga en relación con el medio en el que se propaga la corriente.
Corrientes de conducción
El ejemplo más famoso de corriente es el movimiento ordenado y dirigido de partículas cargadas bajo la acción de un campo eléctrico dentro de un cuerpo (medio). Se llama corriente de conducción.
En los sólidos (metales, grafito, muchos materiales complejos) y algunos líquidos (mercurio y otros metales fundidos), los electrones son partículas móviles cargadas. Un movimiento ordenado en un conductor es su deriva con respecto a los átomos o moléculas de una sustancia. La conductividad de este tipo se llama electrónica. En los semiconductores, la transferencia de carga también ocurre debido al movimiento de los electrones, pero por varias razones es conveniente utilizar el concepto de hueco para describir la corriente: una cuasipartícula positiva, que es una vacante de electrones en movimiento.
En las soluciones electrolíticas, el paso de la corriente se lleva a cabo debido a que los iones negativos y positivos se desplazan hacia diferentes polos: el ánodo y el cátodo, que forman parte de la solución.
Corrientes de transferencia
Gas - en condiciones normales un dieléctrico - también puede convertirse en conductor si se somete a una ionización suficientemente fuerte. La conductividad eléctrica del gas es mixta. Un gas ionizado ya es un plasma en el que se mueven tanto los electrones como los iones, es decir, todas las partículas cargadas. Su movimiento ordenado forma un canal de plasma y se denomina descarga de gas.
El movimiento dirigido de cargas puede ocurrir no solo dentro del entorno. Supongamos que un haz de electrones o iones se mueve en el vacío, emitido por un electrodo positivo o negativo. Este fenómeno se denomina emisión de electrones y es muy utilizado, por ejemplo, en dispositivos de vacío. Por supuesto, este movimiento es una corriente.
Otro caso es el movimiento de un cuerpo macroscópico cargado eléctricamente. Esto también es una corriente, ya que tal situación satisface la condición de transferencia de carga dirigida.
Todos los ejemplos anteriores deben considerarse como un movimiento ordenado de partículas cargadas. Esta corriente se llama convección o corriente de transferencia. Sus propiedades, por ejemplo, magnéticas, son completamente similares a las de las corrientes de conducción.
Corriente de polarización
Hay un fenómeno que no tiene nada que ver con la transferencia de carga y ocurre donde hay un campo eléctrico variable en el tiempo que tiene la propiedad de conducir o transferir corrientes "reales": excita un campo magnético alterno. Este esocurre, por ejemplo, en circuitos de corriente alterna entre las placas de los capacitores. El fenómeno va acompañado de la transferencia de energía y se denomina corriente de desplazamiento.
De hecho, este valor muestra qué tan rápido cambia la inducción del campo eléctrico en una cierta superficie perpendicular a la dirección de su vector. El concepto de inducción eléctrica incluye la fuerza de campo y los vectores de polarización. En el vacío, solo se tiene en cuenta la tensión. En cuanto a los procesos electromagnéticos en la materia, la polarización de moléculas o átomos, en los que, cuando se exponen a un campo, tiene lugar el movimiento de cargas unidas (¡no libres!), hace alguna contribución al desplazamiento de la corriente en un dieléctrico o conductor.
El nombre se originó en el siglo XIX y es condicional, ya que una corriente eléctrica real es un movimiento ordenado de partículas cargadas. La corriente de desplazamiento no tiene nada que ver con la deriva de carga. Por tanto, estrictamente hablando, no es una corriente.
Manifestaciones (acciones) del actual
El movimiento ordenado de partículas cargadas siempre va acompañado de ciertos fenómenos físicos que, de hecho, pueden utilizarse para juzgar si este proceso se está produciendo o no. Es posible dividir tales fenómenos (acciones actuales) en tres grupos principales:
- Acción magnética. Una carga eléctrica en movimiento crea necesariamente un campo magnético. Si coloca una brújula junto a un conductor por el que fluye corriente, la flecha girará perpendicularmente a la dirección de esta corriente. En base a este fenómeno, operan dispositivos electromagnéticos que permiten, por ejemplo, convertir energía eléctricaen mecánica.
- Efecto térmico. La corriente realiza trabajo para vencer la resistencia del conductor, lo que resulta en la liberación de energía térmica. Esto se debe a que, durante la deriva, las partículas cargadas se dispersan sobre los elementos de la red cristalina o las moléculas conductoras y les dan energía cinética. Si la red de, digamos, un metal fuera perfectamente regular, los electrones prácticamente no la notarían (esto es consecuencia de la naturaleza ondulatoria de las partículas). Sin embargo, en primer lugar, los átomos en los sitios de la red están sujetos a vibraciones térmicas que violan su regularidad y, en segundo lugar, los defectos de la red (átomos de impurezas, dislocaciones, vacantes) también afectan el movimiento de los electrones.
- La acción química se observa en los electrolitos. Los iones de carga opuesta, en los que se disocia la solución electrolítica, cuando se aplica un campo eléctrico, se separan en electrodos opuestos, lo que conduce a la descomposición química del electrolito.
Excepto cuando el movimiento ordenado de partículas cargadas es objeto de investigación científica, interesa a una persona en sus manifestaciones macroscópicas. No es la corriente en sí lo que nos importa, sino los fenómenos enumerados anteriormente, que provoca, debido a la transformación de la energía eléctrica en otras formas.
Todas las acciones actuales juegan un doble papel en nuestras vidas. En algunos casos, es necesario proteger a las personas y equipos de ellos, en otros, la obtención de uno u otro efecto causado por la transferencia dirigida de cargas eléctricas es directa.propósito de una amplia variedad de dispositivos técnicos.
