Электрический ток

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрический ток. Сила и плотность тока

Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.

Электрический ток в проводниках различного рода представляет собой либо направленное движение электронов в металлах (проводники первого рода), имеющих отрицательный заряд, либо направленное движение более крупных частиц вещества -- ионов, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд -- в электролитах (проводники второго рода), либо направленное движение электронов и ионов обоих знаков в ионизированных газах (проводники третьего рода).

За направление электрического тока условно принято направление движения положительно заряженных частиц.

Для существования электрического тока в веществе необходимо:

наличие заряженных частиц, способных свободно перемещаться по проводнику под действием сил электрического поля;

наличие источника тока, создающего и поддерживающего в проводнике в течение длительного времени электрическое поле.

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.

Сила тока -- скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда Дq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Дt, к этому промежутку времени.

hIi=ДqДt; I=limДt>0ДqДt. hIi=ДqДt; I=limДt>0ДqДt.

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

Если сила тока и его направление со временем не изменяются, то ток называется постоянным.

Единица силы тока -- основная единица в СИ 1 А -- есть сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2·10^-7 З на каждый метр длины проводников.

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной Дl (рис. 1). Заряд каждой частицы q₀. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nSДl частиц, где n -- концентрация частиц. Их общий заряд Дq=q0nSДl Дq=q0nSДl.

Рис. 1

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов hхi hхi, то за промежуток времени Дt=Дlhхi Дt=Дlhхi все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:

I=ДqДt=q0nhхiSДlДl=q0nhхiS.(1) I=ДqДt=q0nhхiSДlДl=q0nhхiS.(1)

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов hхi hхi при максимально допустимых значениях силы тока ~ 10^-4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 10⁶ м/с.

Плотность тока j -- это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е.

j=IS. j=IS.

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м²).

Как следует из формулы (1), j? =q0nhх? i j>=q0nhх>i. Направление вектора плотности тока j? j> совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения hх? i hх>iположительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

Дихроизм

Дихроимзм -- явление, состоящее в различном поглощении веществом света в зависимости от его поляризации ^[1]. Различают следующие виды дихроизма:

Линейный дихроизм -- частный случай дихроизма; состоит в различном поглощении веществом света с взаимно перпендикулярными направлениями линейной поляризации^[1];

Эллиптический дихроизм -- частный случай дихроизма; состоит в различном поглощении веществом света с правой и левой эллиптической поляризацией^[1].

Круговой дихроизм (циркулярный дихроизм, эффект Коттона) -- частный случай эллиптического дихроизма; состоит в различном поглощении веществом света с различными направлениями круговой поляризации^[1]. Эффект открыт Эме Коттоном^[en] в 1911 году, поэтому иногда называется «эффектом Коттона».

Деление светового потока на части оптической системой, содержащей абсорбционные светофильтры и полупрозрачные зеркала, дихроическим не называется, так как происходит потеря значительной (от 1/3 до 2/3 и более) части исходного потока на поглощение в фильтрах.

История названия

Происходит от греческого dikhroos, буквально «двуцветный». Раньше всего (из различных явлений дихроизма) наблюдался дихроизм в кристаллах, турмалин является наиболее известным минералом с этим свойством.

Применение

Помимо дихроичных фильтров и дихроидных призм, дихроизм как интерференционный, так и поляризационный используется в ювелирном деле для получения переливающихся украшений.

Квантовая механика

Слово «квант» происходит от латинского quantum («сколько, как много») и английского quantum («количество, порция, квант»). «Механикой» издавна принято называть науку о движении материи. Соответственно, термин «квантовая механика» означает науку о движении материи порциями (или, выражаясь современным научным языком науку о движении квантующейся материи). Термин «квант» ввел в обиход немецкий физик Макс Планк (см. Постоянная Планка) для описания взаимодействия света с атомами.

Квантовая механика часто противоречит нашим понятиям о здравом смысле. А всё потому, что здравый смысл подсказывает нам вещи, которые берутся из повседневного опыта, а в своем повседневном опыте нам приходится иметь дело только с крупными объектами и явлениями макромира, а на атомарном и субатомном уровне материальные частицы ведут себя совсем иначе. Принцип неопределенности Гейзенберга как раз и очерчивает смысл этих различий. В макромире мы можем достоверно и однозначно определить местонахождение (пространственные координаты) любого объекта (например, этой книги). Не важно, используем ли мы линейку, радар, сонар, фотометрию или любой другой метод измерения, результаты замеров будут объективными и не зависящими от положения книги (конечно, при условии вашей аккуратности в процессе замера). То есть некоторая неопределенность и неточность возможны -- но лишь в силу ограниченных возможностей измерительных приборов и погрешностей наблюдения. Чтобы получить более точные и достоверные результаты, нам достаточно взять более точный измерительный прибор и постараться воспользоваться им без ошибок.

Теперь если вместо координат книги нам нужно измерить координаты микрочастицы, например электрона, то мы уже не можем пренебречь взаимодействиями между измерительным прибором и объектом измерения. Сила воздействия линейки или другого измерительного прибора на книгу пренебрежимо мала и не сказывается на результатах измерений, но чтобы измерить пространственные координаты электрона, нам нужно запустить в его направлении фотон, другой электрон или другую элементарную частицу сопоставимых с измеряемым электроном энергий и замерить ее отклонение. Но при этом сам электрон, являющийся объектом измерения, в результате взаимодействия с этой частицей изменит свое положение в пространстве. Таким образом, сам акт замера приводит к изменению положения измеряемого объекта, и неточность измерения обусловливается самим фактом проведения измерения, а не степенью точности используемого измерительного прибора. Вот с какой ситуацией мы вынуждены мириться в микромире. Измерение невозможно без взаимодействия, а взаимодействие -- без воздействия на измеряемый объект и, как следствие, искажения результатов измерения.

О результатах этого взаимодействия можно утверждать лишь одно:

неопределенность пространственных координат Ч неопределенность скорости частицы > h/m,

или, говоря математическим языком:

Дx Ч Дv > h/m

электрический ток дихроизм квантовый

где Дx и Дv -- неопределенность пространственного положения и скорости частицы соответственно, h -- постоянная Планка, а m -- масса частицы.

Соответственно, неопределенность возникает при определении пространственных координат не только электрона, но и любой субатомной частицы, да и не только координат, но и других свойств частиц -- таких как скорость. Аналогичным образом определяется и погрешность измерения любой такой пары взаимно увязанных характеристик частиц (пример другой пары -- энергия, излучаемая электроном, и отрезок времени, за который она испускается). То есть если нам, например, удалось с высокой точностью измерили пространственное положение электрона, значит мы в этот же момент времени имеем лишь самое смутное представление о его скорости, и наоборот. Естественно, при реальных измерениях до этих двух крайностей не доходит, и ситуация всегда находится где-то посередине. То есть если нам удалось, например, измерить положение электрона с точностью до 10-⁶ м, значит мы одновременно можем измерить его скорость, в лучшем случае, с точностью до 650 м/с.

Из-за принципа неопределенности описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми мы привыкли описывать механическое движение, например шара по бильярдному столу, в квантовой механике объекты описываются так называемой волновой функцией. Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением Шрёдингера, которое и говорит нам о том, как изменяется со временем состояние квантовой системы.

Картина квантовых событий в микромире, рисуемая уравнением Шрёдингера, такова, что частицы уподобляются отдельным приливным волнам, распространяющимся по поверхности океана-пространства. Со временем гребень волны (соответствующий пику вероятности нахождения частицы, например электрона, в пространстве) перемещается в пространстве в соответствии с волновой функцией, являющейся решением этого дифференциального уравнения. Соответственно, то, что нам традиционно представляется частицей, на квантовом уровне проявляет ряд характеристик, свойственных волнам.

Согласование волновых и корпускулярных свойств объектов микромира (см.Соотношение де Бройля) стало возможным после того, как физики условились считать объекты квантового мира не частицами и не волнами, а чем-то промежуточным и обладающим как волновыми, так и корпускулярными свойствами; в ньютоновской механике аналогов таким объектам нет. Хотя и при таком решении парадоксов в квантовой механике всё равно хватает (см. Теорема Белла), лучшей модели для описания процессов, происходящих в микромире, никто до сих пор не предложил.

Размещено на Allbest.ru