Električna struja u različitim sredinama
Stranica 1
Mehanizam strujanja kroz metale u krutom i tekućem stanju određen je kretanjem slobodnih elektrona, zbog čega se oni nazivaju vodičima s elektronskom vodljivošću ili vodičima prve vrste.
Mehanizam strujanja kroz metale u krutom i tekućem stanju određen je kretanjem slobodnih elektrona, zbog čega se oni nazivaju vodičima s elektronskom vodljivošću ili vodičima prve vrste. Vodiči druge vrste, ili elektroliti, su otopine (uglavnom vodene) kiselina, lužina i soli. Prolaz struje kroz te vodiče povezan je s prijenosom dijelova molekule (iona) zajedno s električnim nabojima, zbog čega se sastav elektrolita postupno mijenja, a proizvodi elektrolize se oslobađaju na elektrodama.
Mehanizam strujanja kroz metale u krutom i tekućem stanju određen je kretanjem slobodnih elektrona, zbog čega se oni nazivaju vodičima s elektronskom vodljivošću ili vodičima prve vrste. Vodiči druge vrste, ili elektroliti, su otopine (uglavnom vodene) kiselina, lužina i soli.
Mehanizam protoka struje u lučnim uređajima ima neke značajke: u vakuumskoj diodi anodna struja određena je naponom električno polje na katodi, au gastronu - na anodi. To dovodi do smanjenja gustoće negativnog naboja u sloju blizu apoda. Kao rezultat difuzije dolazi do izjednačavanja koncentracije elektrona, te se u plazmi stvara kontinuirani tok elektrona usmjeren prema anodi. Povećanje struje u krugu uzrokuje povećanje jakosti polja na anodi i posljedično intenzivniju difuziju elektrona u međuelektrodnom prostoru.
Razmotrimo sada mehanizam protoka struje pod obrnutim prednaponom. Kao što slijedi iz smjera vektora električnog polja u pn spoju, tijekom obrnutog prednapona glavninski nositelji ne doprinose električnoj struji. Stoga se može pretpostaviti da je struja posljedica kretanja manjinskih nositelja u svakoj regiji. Rupe ubrizgane u p-područje tijekom xxp trenutno se pomiču u p-područje pod utjecajem polja drifta. Stoga je struja u ovom slučaju određena brojem rupa ubrizganih u 1 s. Ova struja rupa nastaje zbog difuzije rupa u području x xn.
Osim drifta, na mehanizam strujanja u poluvodičima utječe i difuzija. Na sl. Na slici 2.18 prikazano je nasumično kretanje nositelja pod utjecajem toplinske energije i raspršenja. Ako se u određenom volumenu kristala pojavi gradijent koncentracije nositelja, tada se javlja sila koja nastoji izjednačiti tu koncentraciju tijekom kaotičnog kretanja nositelja. Ovaj proces izjednačavanja koncentracije nositelja u cijelom volumenu kristala naziva se difuzija.
Ovdje je opći pregled mehanizama protoka struje u uređajima sa spojem elektron-rupa. Detaljno je razmotren proces prijenosa naboja samo elektronima, budući da se slična analiza može provesti i za rupe.
U postojećim instalacijama za zavarivanje, mehanizam protoka struje bit će nešto između rastavljenih krugova. Struja ispod induktora teći će kroz cijev, dok će ona biti zatvorena u suprotnom smjeru dijelom kroz cijev, a dijelom kroz elemente mlina. Ova reverzna struja teče preko tako velikih površina da ne uzrokuje njihovo zagrijavanje, dok je struja koncentrirana ispod induktora.
BCS teorija uključuje mehanizam za protok superstruje, koji je potpuno drugačiji od mehanizma za protok obične struje u normalnom metalu, pa čak iu hipotetskom savršenom vodiču s nultim otporom. Ako proces normalne vodljivosti provode pojedinačni elektroni i njihovi kontinuirano ponavljani sudari s rešetkom odgovorni su za električni otpor metala, tada su nositelji superstruje parovi slabo vezanih elektrona koji se ne sudaraju s atomima rešetke. Nepostojanje sudara između Cooperovih parova i kristalne rešetke objašnjava nulti otpor supravodiča.
Obloga okvira i njegovih dijelova (sekcija, kanala i spojnica) mijenja veličinu i mehanizam struja curenja.
Što se tiče solarnih ćelija na bazi organskih materijala, potrebno je proučiti utjecaj sastava i koncentracije bojila na njihove karakteristike, utvrditi mehanizme protoka struje, te ispitati Različite vrste dizajne kako bi se procijenila mogućnost dobivanja elemenata s prihvatljivom učinkovitošću. Trenutno su ti elementi samo od istraživačkog interesa.
Das i dr. izmjerili su strujno-naponske karakteristike solarnih ćelija baziranih na Cu2S - ZnxCd - xS i otkrili da za sve moguće vrijednosti x postoje dva mehanizma za protok struje. Za elemente obje vrste na bilo kojoj temperaturi, povećanje koncentracije cinka dovodi do smanjenja reverzne struje zasićenja. Za elemente stvorene vakuumskim isparavanjem, povećanje napona otvorenog kruga povezano s povećanjem koncentracije Zn uzrokovano je smanjenjem reverzne struje zasićenja, što je uglavnom posljedica povećanja PV - Autori primjećuju da neusklađenost u parametrima kristalnih rešetki korištenih materijala nema značajan učinak na gustoću stanja u područjima sučelja. Martinuzzi i dr. tvrde da je u elementima koje su proučavali povećanje Voc izravno povezano s povećanjem visine barijere i, posljedično, sa smanjenjem & EC.
Pri visokim temperaturama i velikim debljinama barijere, gustoća struje nositelja naboja, određena energijom toplinske aktivacije, / 0 / približno je jednaka q b / AT p, gdje je F /, visina barijere, a At p diodni koeficijent koji odgovara mehanizam toplinskog polja protoka struje. Na niske temperature i tanke barijere /0/ gotovo je neovisno o temperaturi.
Prema Drude-Lorentzovoj teoriji, nositelji struje u metalima su slobodni elektroni, što objašnjava visoku električnu vodljivost metala. Ioni ne sudjeluju u procesu protoka struje kroz metal. Kad bi to bilo tako, tada bi protok struje kroz metal bio popraćen prijenosom tvari. U stvarnosti se to ne opaža (Rikkeov eksperiment).
Glavne odredbe klasične elektroničke teorije metala su sljedeće: :
1. Metali imaju kristalnu rešetku, na čijim se čvorovima nalaze pozitivni ioni (sl. 14.1). Ti se ioni ne mogu kretati po kristalu, već doživljavaju samo male fluktuacije oko svojih ravnotežnih položaja.
2. Slobodni elektroni, tzv elektroni vodljivosti .
3. U prisutnosti vanjskog električnog polja E, kaotično kretanje slobodnih elektrona superponirano je njihovim uređenim (usmjerenim) kretanjem - takozvanim driftom elektrona u određenom smjeru.
4. Tijekom svog kretanja elektroni vodljivosti se sudaraju s ionima rešetke, sudari između elektrona vodljivosti se ne uzimaju u obzir.
5. Vanjsko polje ne utječe na koncentraciju nositelja struje i njihovo prosječno slobodno vrijeme putovanja.
§ 14.2 Ohmov i Joule-Lenzov zakon u klasičnoj elektroničkoj teoriji
Prema zakonu jednolike raspodjele energije po stupnjevima slobode, jedan elektron daje prosječnu kinetičku energiju toplinskog gibanja
(k je Boltzmannova konstanta, T je temperatura (za svaki stupanj slobode postoji energija jednaka 
, elektron se smatra materijalnom točkom; dakle, slobodni elektron ima tri stupnja slobode)).
Tijekom toplinskog gibanja elektroni doživljavaju sudare.
Put kojim elektroni prijeđu između dva uzastopna sudara naziva se duljina slobodnog puta <ℓ> (Slika 14.2).
Pretpostavimo da pri svakom sudaru elektron potpuno preda svoju energiju ionima rešetke i da je početna brzina naknadnog kretanja elektrona nula.
Ako kroz vodič teče istosmjerna struja, tada unutar vodiča postoji električno polje jakosti E. Na svaki elektron djeluje sila iz električnog polja F=e E, gdje je e naboj elektrona. Pod utjecajem te sile elektron dobiva akceleraciju A, što se može odrediti iz jednakosti m e a=eE, odakle
(14.1)
(m e - masa elektrona).
Ako < t> je prosječno vrijeme između dva uzastopna sudara, tada do kraja slobodnog puta elektron dobiva brzinu
(14.2)
Prosječna brzina uređenog gibanja elektrona
(14.3)
(početna brzina se smatra jednakom nuli, pa je kretanje jednoliko ubrzano).
Prosječno vrijeme između dva uzastopna sudara može se odrediti ako znamo srednji slobodni put i prosječnu brzinu toplinskog gibanja < υ τ > :
(14.4)
Uopće, 
, ali relacija (14.4) vrijedi, jer je već pokazano da 
Zamjena <ℓ> iz (3.99) u formulu (3.98), dobivamo
(14.5)
Zamjenom j = ne u formulu < υ > (13.37) , dobivamo
(14.6)
(14.
7)
- provodljivost materijal vodiča (recipročna vrijednost njegovog otpora)).
Jedinica vodljivosti – siemens po metru (S/m)
Iz izraza (3.101), koji predstavlja Ohmov zakon, slijedi: gustoća struje proporcionalna je jakosti električnog polja, što se podudara s (3,81).
Iz formule (3.101) lako je dobiti Ohmov zakon u obliku 
, za to se njegov desni i lijevi dio moraju pomnožiti sa S - površinom poprečnog presjeka vodiča. S obzirom na to 
, dobivamo 
, Ali 
, A 
(smatramo da je polje unutar vodiča duljine ℓ uniformno); stoga,
(14.8)
Modernu udobnost naših života dugujemo električnoj struji. Osvjetljava naše domove, generira zračenje u vidljivom rasponu svjetlosnih valova, kuha i zagrijava hranu u raznim uređajima kao što su električni štednjaci, mikrovalna pećnica, tosteri, spašavajući nas od potrebe da tražimo gorivo za vatru. Zahvaljujući njemu, brzo se krećemo u vodoravnoj ravnini u električnim vlakovima, podzemnoj željeznici i vlakovima, krećemo se u okomita ravnina na pokretnim stepenicama i u kabinama dizala. Toplinu i udobnost u našim domovima dugujemo električnoj struji koja teče u klima uređajima, ventilatorima i električnim grijačima. Razni električni strojevi koje pokreće električna struja olakšavaju nam rad, kako kod kuće tako i na poslu. Uistinu živimo u električnom dobu, jer zahvaljujući električnoj struji rade naša računala i pametni telefoni, internet i televizija te drugi pametni uređaji. elektronički uređaji. Nije uzalud čovječanstvo uložilo toliko truda u proizvodnju električne energije u termo, nuklearnim i hidroelektranama - električna energija je sama po sebi najprikladniji oblik energije.
Koliko god paradoksalno zvučalo, ideje o praktičnoj primjeni električne struje među prvima je usvojio najkonzervativniji dio društva – mornarički časnici. Jasno je da je doći do vrha u ovoj zatvorenoj kasti bila teška stvar; bilo je teško dokazati admiralima, koji su počeli kao kabinski momci u jedrenjačkoj floti, potrebu za prelaskom na potpuno metalne brodove s parnim strojevima, pa mlađi časnici uvijek su se oslanjali na inovacije. Upravo uspjeh upotrebe vatrogasnih brodova tijekom Rusko-turskog rata 1770., koji je odlučio ishod bitke u zaljevu Chesme, postavio je pitanje zaštite luka ne samo obalnim baterijama, već i suvremenijim sredstvima tadašnja obrana – minska polja.
Razvoj podvodnih mina raznih sustava provodi se od početka 19. stoljeća, najviše uspješni dizajni postali autonomni rudnici na električnu energiju. U 70-ima U 19. stoljeću njemački fizičar Heinrich Hertz izumio je uređaj za električnu detonaciju sidrenih mina s dubinom postavljanja do 40 m. Njegove modifikacije poznate su nam iz povijesnih filmova o pomorskim temama - ovo je zloglasni "rogati" mina, u kojoj se olovni “rog” s ampulom ispunjenom elektrolitom smrskao u kontaktu s trupom broda, uslijed čega je proradila jednostavna baterija čija je energija bila dovoljna za detonaciju mine. .
Mornari su bili prvi koji su cijenili potencijal tada još nesavršenih snažnih izvora svjetlosti - modifikacije Yablochkovljevih svijeća, u kojima je izvor svjetlosti bio električni luk i užarena vruća pozitivna ugljična elektroda - za upotrebu u signalizaciji i osvjetljavanju bojnog polja. Korištenje reflektora dalo je ogromnu prednost onoj strani koja ih je koristila u noćnim borbama ili ih je jednostavno koristila kao signalno sredstvo za prijenos informacija i koordinaciju djelovanja pomorskih formacija. A svjetionici opremljeni snažnim reflektorima pojednostavili su navigaciju u opasnim obalnim vodama.
Nije iznenađujuće da je mornarica ta koja je s praskom usvojila metode bežičnog prijenosa informacija - pomorcima nije bilo neugodno zbog velike veličine prvih radio postaja, budući da su prostori brodova omogućili smještaj tako naprednih, iako u to vrijeme vrlo glomazni, komunikacijski uređaji.
Električni strojevi pomogli su pojednostaviti punjenje brodskih topova, a električni agregati za okretanje topovskih kupola povećali su manevarsku sposobnost udara topova. Naredbe prenesene brodskim telegrafom povećale su učinkovitost interakcije između cijelog tima, što je dalo značajnu prednost u borbenim okršajima.
Najužasnija uporaba električne struje u pomorskoj povijesti bila je uporaba dizel-električnih podmornica U-klase za napad od strane Trećeg Reicha. Podmornice Hitlerovog "Vučjeg čopora" potopile su mnoge brodove savezničke transportne flote - sjetimo se samo tužne sudbine konvoja PQ-17.
Britanski mornari uspjeli su doći do nekoliko kopija Enigma (Riddle) strojeva za šifriranje, a britanski obavještajci uspješno su dešifrirali njegov kod. Jedan od istaknutih znanstvenika koji je radio na tome je Alan Turing, poznat po svojim doprinosima temeljima računalne znanosti. S pristupom radio porukama admirala Dönitza, saveznička mornarica i obalno zrakoplovstvo uspjeli su vratiti Wolfpack natrag do obala Norveške, Njemačke i Danske, tako da su podmorničke operacije bile ograničene na kratkotrajne napade od 1943. nadalje.
Hitler je planirao opremiti svoje podmornice projektilima V-2 za napade na istočnu obalu Sjedinjenih Država. Srećom, brzi saveznički napadi na zapadnoj i istočnoj bojišnici spriječili su ostvarenje ovih planova.
Moderna flota nezamisliva je bez nosača zrakoplova i nuklearnih podmornica čija je energetska neovisnost osigurana nuklearni reaktori, uspješno kombinirajući tehnologiju pare iz 19. stoljeća, tehnologiju električne energije iz 20. stoljeća i nuklearnu tehnologiju iz 21. stoljeća. Reaktori na nuklearni pogon proizvode dovoljno električne struje za napajanje cijelog grada.
Osim toga, pomorci su ponovno usmjerili pozornost na električnu energiju i testiraju korištenje tračnica - električne puške za ispaljivanje kinetičkih projektila goleme razorne moći.
Povijesna referenca
Pojavom pouzdanih elektrokemijskih izvora istosmjerna struja, koji je razvio talijanski fizičar Alessandro Volta, cijela galaksija divnih znanstvenika iz različite zemlje bavi se proučavanjem fenomena povezanih s električnom strujom i razvojem njezine praktične primjene u mnogim područjima znanosti i tehnologije. Dovoljno je prisjetiti se njemačkog znanstvenika Georga Ohma, koji je formulirao zakon protoka struje za elementarni električni krug; njemački fizičar Gustav Robert Kirchhoff, koji je razvio metode za proračun složenih električnih krugova; Francuski fizičar Andre Marie Ampere, koji je otkrio zakon interakcije za konstante električne struje. Radovi engleskog fizičara Jamesa Prescotta Joulea i ruskog znanstvenika Emila Christianovicha Lenza doveli su, neovisno jedan o drugome, do otkrića zakona kvantitativne procjene toplinskog učinka električne struje.
Daljnji razvoj proučavanja svojstava električne struje bio je rad britanskog fizičara Jamesa Clarkea Maxwella, koji je postavio temelje moderne elektrodinamike, danas poznate kao Maxwellove jednadžbe. Maxwell je također razvio elektromagnetsku teoriju svjetlosti, predviđajući mnoge pojave (elektromagnetske valove, tlak elektromagnetska radijacija). Kasnije je njemački znanstvenik Heinrich Rudolf Hertz eksperimentalno potvrdio postojanje elektromagnetskih valova; njegov rad na proučavanju refleksije, interferencije, difrakcije i polarizacije elektromagnetskih valova bio je osnova za stvaranje radija.
Rad francuskih fizičara Jean-Baptiste Biota i Felixa Savarda, koji su eksperimentalno otkrili manifestacije magnetizma kada teče istosmjerna struja, i izvanrednog francuskog matematičara Pierre-Simona Laplacea, koji je svoje rezultate generalizirao u obliku matematičkog zakona, za prvi put spojio dvije strane jednog fenomena, postavljajući temelje elektromagnetizma. Palicu od ovih znanstvenika preuzeo je briljantni britanski fizičar Michael Faraday, koji je otkrio fenomen elektromagnetske indukcije i postavio temelje modernoj elektrotehnici.
Velik doprinos objašnjenju prirode električne struje dao je nizozemski teorijski fizičar Hendrik Anton Lorentz, koji je stvorio klasičnu teoriju elektrona i dobio izraz za silu koja djeluje na pokretni naboj iz električnog magnetsko polje.
Struja. Definicije
Struja- usmjereno (uređeno) kretanje nabijenih čestica. Zbog toga se struja definira kao broj naboja koji prolaze kroz poprečni presjek vodiča u jedinici vremena:
I = q / t gdje je q naboj u kulonima, t je vrijeme u sekundama, I je struja u amperima
Druga definicija električne struje povezana je sa svojstvima vodiča i opisana je Ohmovim zakonom:
I = U/R gdje je U napon u voltima, R otpor u ohmima, I struja u amperima
Električna struja se mjeri u amperima (A) i njenim decimalnim višekratnicima i podvišekratnicima - nanoamperima (milijunti dijelovi ampera, nA), mikroamperima (milijunti dijelovi ampera, μA), miliamperima (tisućinke ampera, mA), kiloamperima (tisućinke ampera, kA) i megaampera (milijuna ampera, MA).
Dimenzija struje u SI sustavu definirana je kao
[A] = [Cl] / [sek]
Značajke toka električne struje u različitim sredinama. Fizika pojava
Električna struja u čvrstim tijelima: metali, poluvodiči i dielektrici
Pri razmatranju pitanja protoka električne struje potrebno je uzeti u obzir prisutnost različitih nositelja struje - elementarnih naboja - karakterističnih za određeno agregatno stanje tvari. Sama tvar može biti kruta, tekuća ili plinovita. Jedinstveni primjer takvih stanja promatranih u normalnim uvjetima je stanje dihidrogen monoksida, ili, drugim riječima, vodikovog hidroksida, ili jednostavno obične vode. Njegovu čvrstu fazu uočavamo kada iz zamrzivača izvadimo komadiće leda kako bismo ohladili pića, od kojih je većina bazirana na tekućoj vodi. A kada kuhamo čaj ili instant kavu, prelijemo ih kipućom vodom, a spremnost potonje kontrolira se pojavom maglice koja se sastoji od kapljica vode koje se kondenziraju u hladnom zraku iz plinovite vodene pare koja izlazi iz izljeva kuhalo za vodu.
Postoji i četvrto agregatno stanje koje se zove plazma, a koje čini gornje slojeve zvijezda, Zemljinu ionosferu, plamen, električne lukove i materiju u fluorescentnim svjetiljkama. Visokotemperaturnu plazmu teško je reproducirati u zemaljskim laboratorijima, jer zahtijeva vrlo visoke temperature - više od 1.000.000 K.
Sa strukturnog gledišta krutine se dijele na kristalne i amorfne. Kristalne tvari imaju uređenu geometrijsku strukturu; atomi ili molekule takve tvari tvore osebujne volumetrijske ili ravne rešetke; Kristalni materijali uključuju metale, njihove legure i poluvodiče. Ista voda u obliku snježnih pahuljica (kristala različitih oblika koji se ne ponavljaju) savršeno ilustrira ideju kristalnih tvari. Amorfne tvari nemaju kristalnu rešetku; Ova struktura je tipična za dielektrike.
U normalnim uvjetima, struja u tvrdih materijala nastaje zbog kretanja slobodnih elektrona nastalih iz valentnih elektrona atoma. S gledišta ponašanja materijala kada kroz njih prolazi električna struja, potonji se dijele na vodiče, poluvodiče i izolatore. Svojstva raznih materijala, prema tračnoj teoriji vodljivosti, određeni su širinom zabranjenog pojasa u kojem se ne mogu nalaziti elektroni. Izolatori imaju najširi zabranjeni pojas koji ponekad doseže 15 eV. Na temperaturi apsolutnoj nuli, izolatori i poluvodiči nemaju elektrone u vodljivom pojasu, ali će na sobnoj temperaturi već postojati određeni broj elektrona izbačenih iz valentnog pojasa zbog toplinske energije. U vodičima (metalima) vodljivi i valentni pojas se preklapaju, pa se na temperaturi apsolutnoj nuli nalazi prilično velik broj elektrona - strujnih vodiča, koji se zadržava na višim temperaturama materijala, sve do njihovog potpunog taljenja. Poluvodiči imaju male zabranjene pojaseve, a njihova sposobnost provođenja električne struje jako ovisi o temperaturi, zračenju i drugim čimbenicima, kao io prisutnosti nečistoća.
Poseban slučaj je protok električne struje kroz takozvane supravodiče - materijale koji imaju nulti otpor protoku struje. Elektroni vodljivosti takvih materijala tvore skupove čestica međusobno povezanih zbog kvantnih učinaka.
Izolatori, kao što im i samo ime kaže, izuzetno slabo provode struju. Ovo svojstvo izolatora koristi se za ograničavanje protoka struje između vodljivih površina različitih materijala.
Osim postojanja struja u vodičima s konstantnim magnetskim poljem, u prisutnosti naizmjenična struja i pridruženog izmjeničnog magnetskog polja, pojavljuju se učinci povezani s njegovom promjenom ili takozvanim "vrtložnim" strujama, koje se inače nazivaju Foucaultove struje. Što se brže mijenja magnetski tok, to su jače vrtložne struje, koje ne teku određenim stazama u žicama, već, zatvarajući se u vodič, tvore vrtložne krugove.
Vrtložne struje pokazuju skin efekt, što znači da se izmjenična električna struja i magnetski tok šire uglavnom u površinskom sloju vodiča, što dovodi do gubitaka energije. Da bi se smanjili gubici energije zbog vrtložnih struja, koristi se podjela magnetskih jezgri izmjenične struje na zasebne, električno izolirane ploče.
Električna struja u tekućinama (elektroliti)
Sve tekućine, u jednom ili drugom stupnju, sposobne su provoditi električnu struju kada se primjenjuju električni napon. Takve se tekućine nazivaju elektroliti. Nositelji struje u njima su pozitivno i negativno nabijeni ioni - kationi, odnosno anioni, koji postoje u otopini tvari zbog elektrolitičke disocijacije. Struja u elektrolitima uslijed kretanja iona, za razliku od struje uslijed kretanja elektrona, karakteristične za metale, prati prijenos tvari na elektrode uz stvaranje novih kemijskih spojeva u njihovoj blizini ili taloženje tih tvari ili novih spojeva na elektrodama.
Taj je fenomen postavio temelje moderne elektrokemije kvantificiranjem gram ekvivalenata različitih kemijskih tvari, čime je anorganska kemija postala egzaktna znanost. Daljnji razvoj kemije elektrolita omogućio je stvaranje jednokratno punjivih i punjivih izvora kemijske struje (suhe baterije, akumulatori i gorivne ćelije), što je zauzvrat dalo veliki poticaj razvoju tehnologije. Dovoljno je samo pogledati ispod haube svog automobila kako biste vidjeli rezultate napora generacija znanstvenika i kemijskih inženjera u obliku automobilskog akumulatora.
Velik broj tehnoloških procesa koji se temelje na protoku struje u elektrolitima omogućuje ne samo impresivan izgled konačnih proizvoda (kromiranje i poniklavanje), već i njihovu zaštitu od korozije. Procesi elektrokemijskog taloženja i elektrokemijskog jetkanja temelj su moderne proizvodnje elektronike. Danas su ove najpopularnije tehnološki procesi, broj komponenti proizvedenih ovim tehnologijama iznosi desetke milijardi jedinica godišnje.
Električna struja u plinovima
Električna struja u plinovima nastaje zbog prisutnosti slobodnih elektrona i iona u njima. Plinovi se, zbog svoje razrijeđenosti, odlikuju dugom duljinom puta prije sudara molekula i iona; Zbog toga je protok struje kroz njih u normalnim uvjetima relativno otežan. Isto se može reći i za mješavine plinova. Prirodna mješavina plinova je atmosferski zrak, koji se u elektrotehnici smatra dobrim izolatorom. To je također tipično za druge plinove i njihove smjese u uobičajenim fizikalnim uvjetima.
Tijek struje u plinovima uvelike ovisi o raznim fizikalnim čimbenicima, kao što su tlak, temperatura i sastav smjese. Osim toga, djeluju razne vrste ionizirajućeg zračenja. Tako, na primjer, obasjani ultraljubičastim ili rendgenskim zrakama, ili pod utjecajem čestica katode ili anode ili čestica koje emitiraju radioaktivne tvari, ili, konačno, pod utjecajem visoke temperature, plinovi poprimaju svojstvo da bolje provode električnu energiju. Trenutno.
Endotermni proces stvaranja iona kao rezultat apsorpcije energije od strane električki neutralnih atoma ili molekula plina naziva se ionizacija. Nakon što je primio dovoljno energije, elektron ili nekoliko elektrona iz vanjskog elektronska ljuska, prevladavajući potencijalnu barijeru, napuštaju atom ili molekulu, postajući slobodni elektroni. Atom ili molekula plina postaju pozitivno nabijeni ioni. Slobodni elektroni se mogu vezati za neutralne atome ili molekule i formirati negativno nabijene ione. Pozitivni ioni mogu ponovno uhvatiti slobodne elektrone nakon sudara, postajući ponovno električki neutralni. Taj se proces naziva rekombinacija.
Prolaz struje kroz plinoviti medij popraćen je promjenom stanja plina, što određuje složenu prirodu ovisnosti struje o primijenjenom naponu i, općenito, poštuje Ohmov zakon samo pri malim strujama.
U plinovima postoje nesamoodrživa i neovisna pražnjenja. U nesamoodrživom pražnjenju struja u plinu postoji samo u prisutnosti vanjskih ionizirajućih čimbenika; u njihovoj odsutnosti nema značajne struje u plinu. Tijekom samopražnjenja struja se održava zbog udarne ionizacije neutralnih atoma i molekula pri sudaru sa slobodnim elektronima i ionima ubrzanim električnim poljem, čak i nakon uklanjanja vanjskih ionizirajućih utjecaja.
Nesamoodrživo pražnjenje s malom razlikom potencijala između anode i katode u plinu naziva se tiho pražnjenje. S porastom napona struja prvo raste proporcionalno naponu (odsječak OA na strujno-naponskoj karakteristici tihog pražnjenja), zatim se porast struje usporava (odsječak krivulje AB). Kada sve čestice nastale pod utjecajem ionizatora odlaze na katodu i anodu istovremeno, struja ne raste s povećanjem napona (odjeljak BC grafa). Daljnjim povećanjem napona struja ponovno raste, a tiho pražnjenje prelazi u nesamoodrživo lavinsko pražnjenje. Vrsta nesamoodrživog izboja je tinjajući izboj koji stvara svjetlost u plinskim žaruljama različite boje i imenovanja.
Prijelaz nesamoodrživog električnog pražnjenja u plinu u samoodrživi pražnjenje karakterizira nagli porast struje (točka E na krivulji strujno-naponske karakteristike). Naziva se električnim slomom plina.
Sve gore navedene vrste pražnjenja odnose se na stacionarne vrste pražnjenja, čija glavna svojstva ne ovise o vremenu. Osim stacionarnih pražnjenja, postoje prolazna pražnjenja, koja obično nastaju u jakim nehomogenim električnim poljima, na primjer, u blizini šiljastih i zakrivljenih površina vodiča i elektroda. Postoje dvije vrste prolaznih pražnjenja: korona i iskričasto pražnjenje.
Kod koronskog pražnjenja ionizacija ne dovodi do kvara, ona jednostavno predstavlja ponavljajući proces paljenja nesamoodrživog pražnjenja u ograničenom prostoru u blizini vodiča. Primjer koronskog izboja je sjaj atmosferskog zraka u blizini visoko podignutih antena, gromobrana ili visokonaponskih vodova. Pojava koronskog pražnjenja na dalekovodima dovodi do gubitaka električne energije. Nekada je ovaj sjaj na vrhovima jarbola bio poznat pomorcima jedriličarske flote kao svjetla svetog Elma. Koronsko pražnjenje koristi se u laserski pisači i uređaji za elektrografsko kopiranje, gdje ga oblikuje korotron – metalna žica na koju visoki napon. To je potrebno za ionizaciju plina kako bi se napunio fotoosjetljivi bubanj. U ovom slučaju, koronsko pražnjenje je korisno.
Iskričasto pražnjenje, za razliku od koronskog pražnjenja, dovodi do kvara i ima oblik isprekidanih svijetlih razgranatih niti-kanala ispunjenih ioniziranim plinom, koji se pojavljuju i nestaju, praćeni oslobađanjem velika količina toplinu i jarki sjaj. Primjer prirodnog iskričastog pražnjenja je munja, gdje struja može doseći desetke kiloampera. Samom nastanku munje prethodi stvaranje provodnog kanala, tzv. silaznog “tamnog” vođe, koji zajedno s induciranim uzlaznim vođom čini provodni kanal. Munja je obično višestruko iskreće pražnjenje u formiranom provodnom kanalu. Snažno iskričasto pražnjenje našlo je svoju tehničku primjenu iu kompaktnim fotobljeskalicama, kod kojih se pražnjenje događa između elektroda cijevi od kvarcnog stakla ispunjene mješavinom ioniziranih plemenitih plinova.
Dugotrajno održani proboj plina naziva se lučno pražnjenje i koristi se u tehnologiji zavarivanja, koja je kamen temeljac tehnologija za stvaranje čelične konstrukcije našeg vremena, od nebodera do nosača zrakoplova i automobila. Koristi se i za zavarivanje i rezanje metala; razlika u procesima je zbog jakosti struje koja teče. Pri relativno nižim vrijednostima struje dolazi do zavarivanja metala, pri većim vrijednostima struje lučnog pražnjenja dolazi do rezanja metala zbog uklanjanja rastaljenog metala ispod električnog luka različitim metodama.
Još jedna primjena lučnog izboja u plinovima su rasvjetne svjetiljke s izbojem u plinu, koje raspršuju tamu na našim ulicama, trgovima i stadionima (natrijeve svjetiljke) ili automobilske halogene žarulje, koje su danas zamijenile konvencionalne žarulje sa žarnom niti u automobilskim svjetlima.
Električna struja u vakuumu
Vakuum je idealan dielektrik, stoga je električna struja u vakuumu moguća samo uz prisutnost slobodnih nositelja u obliku elektrona ili iona, koji nastaju toplinskom ili fotoemisijom, ili drugim metodama.
Glavna metoda stvaranja struje u vakuumu zbog elektrona je metoda termičke emisije elektrona metalima. Oko zagrijane elektrode, nazvane katoda, stvara se oblak slobodnih elektrona koji osiguravaju protok električne struje uz prisutnost druge elektrode, nazvane anoda, pod uvjetom da između njih postoji odgovarajući napon potrebnog polariteta. Takvi električni vakuumski uređaji nazivaju se diode i imaju svojstvo jednosmjerne vodljivosti struje, isključujući se kada je napon obrnut. Ovo se svojstvo koristi za ispravljanje izmjenične struje koju sustav pretvara iz dioda u impulsna struja stalni smjer.
Dodavanje dodatne elektrode, nazvane rešetka, koja se nalazi u blizini katode, omogućuje vam dobivanje triodnog elementa za pojačanje, u kojem male promjene napona na mreži u odnosu na katodu omogućuju postizanje značajnih promjena u struji koja teče, i , sukladno tome, značajne promjene u naponu preko opterećenja spojenog u seriju sa svjetiljkom u odnosu na izvor napajanja , koji se koristi za pojačavanje različitih signala.
Primjena elektrovakuumskih uređaja u obliku trioda i uređaja s velikim brojem rešetki raznih namjena (tetroda, pentoda pa čak i heptoda) revolucionarizirala je generiranje i pojačanje radiofrekventnih signala, te dovela do stvaranja moderni sustavi radio i televizijsko emitiranje.
Povijesno gledano, razvoj radiodifuzije bio je prvi, budući da su metode pretvaranja relativno niskofrekventnih signala i njihov prijenos, kao i sklopovi prijamnih uređaja s pojačanjem i pretvaranjem radiofrekvencije i pretvaranjem u akustični signal, bili relativno relativno jednostavan.
Prilikom stvaranja televizije korišteni su električni vakuumski uređaji za pretvaranje optičkih signala - ikonoskopi, gdje su elektroni emitirani zbog fotoemisije upadne svjetlosti. Daljnje pojačanje signala provedeno je pojačalima pomoću vakuumskih cijevi. Za obrnutu pretvorbu televizijskog signala korištene su slikovne cijevi koje proizvode sliku zahvaljujući fluorescenciji materijala ekrana pod utjecajem elektrona ubrzanih do visokih energija pod utjecajem akcelerirajućeg napona. Sinkronizirani sustav za čitanje signala ikonoskopa i sustav skeniranja slike kineskopa stvorili su televizijsku sliku. Prvi kineskopi bili su jednobojni.
Naknadno su stvoreni televizijski sustavi u boji u kojima su ikonoskopi koji čitaju slike reagirali samo na vlastitu boju (crvenu, plavu ili zelenu). Emitirajući elementi slikovnih cijevi (fosfor u boji) su zbog protoka struje koju stvaraju tzv. “elektronski topovi”, reagirajući na ulazak ubrzanih elektrona u njih, emitirali svjetlost u određenom rasponu odgovarajućeg intenziteta. Kako bi se osiguralo da zrake iz pištolja svake boje pogode vlastiti fosfor, korištene su posebne zaštitne maske.
Suvremena televizijska i radijska oprema izrađena je od naprednijih elemenata manje potrošnje energije - poluvodiča.
Jedna od raširenih metoda za dobivanje slika unutarnjih organa je metoda fluoroskopije, u kojoj elektroni koje emitira katoda dobivaju tako značajno ubrzanje da kad udare u anodu stvaraju X-zrake koje mogu prodrijeti kroz meke tkanine ljudsko tijelo. X-zrake pružaju liječnicima jedinstvene informacije o oštećenjima kostiju, stanju zuba i nekih unutarnjih organa, otkrivajući čak i tako ozbiljnu bolest kao što je rak pluća.
Općenito, električne struje koje nastaju kao rezultat kretanja elektrona u vakuumu imaju širok raspon primjena, što uključuje sve radiocijevi, akceleratore nabijenih čestica, masene spektrometre, elektronske mikroskope, vakuumske generatore ultravisoke frekvencije, u obliku putujućih valne cijevi, klistroni i magnetroni. Inače, upravo magnetroni griju ili kuhaju našu hranu u mikrovalnim pećnicama.
Velika vrijednost u U zadnje vrijeme posjeduje tehnologiju nanošenja filmskih premaza u vakuumu, koji imaju ulogu i zaštitnog, dekorativnog i funkcionalnog premaza. Kao takve prevlake koriste se prevlake s metalima i njihovim legurama, te njihovim spojevima s kisikom, dušikom i ugljikom. Takvi premazi mijenjaju električna, optička, mehanička, magnetska, korozijska i katalitička svojstva površina koje se premazuju ili kombiniraju nekoliko svojstava odjednom.
teško kemijski sastav Premazi se mogu dobiti samo tehnologijom ionskog raspršivanja u vakuumu, čije su varijante katodno raspršivanje ili njegova industrijska modifikacija - magnetronsko raspršivanje. U konačnici naime električna struja Zbog iona taloži komponente na nataloženu površinu dajući joj nova svojstva.
Na taj način moguće je dobiti tzv. ionsko reaktivne prevlake (filmove nitrida, karbida, metalnih oksida), koje imaju kompleks izvanrednih mehaničkih, termofizičkih i optičkih svojstava (uz visoku tvrdoću, otpornost na trošenje, električnu i toplinska vodljivost, optička gustoća), koja se ne može dobiti drugim metodama.
Električna struja u biologiji i medicini
Poznavanje ponašanja struja u biološkim objektima daje biolozima i liječnicima moćnu metodu istraživanja, dijagnoze i liječenja.
Sa stajališta elektrokemije, svi biološki objekti sadrže elektrolite, bez obzira na strukturne značajke danog objekta.
Pri razmatranju protoka struje kroz biološke objekte potrebno je uzeti u obzir njihovu staničnu strukturu. Bitan element stanice je stanična membrana - vanjska ovojnica koja štiti stanicu od utjecaja nepovoljnih čimbenika. okoliš zbog svoje selektivne propusnosti za razne tvari. Sa stajališta fizike, stanična membrana može se smatrati kao paralelna veza kondenzator i nekoliko serijski spojenih lanaca izvora struje i otpornika. To unaprijed određuje ovisnost električne vodljivosti biološkog materijala o frekvenciji primijenjenog napona i obliku njegovih oscilacija.
Biološko tkivo sastoji se od stanica samog organa, međustanične tekućine (limfe), krvnih žila i živčanih stanica. Potonji, kao odgovor na utjecaj električne struje, reagiraju uzbuđenjem, uzrokujući kontrakciju i opuštanje mišića i krvnih žila životinje. Treba napomenuti da je protok struje u biološkom tkivu nelinearan.
Klasičan primjer djelovanja električne struje na biološki objekt su pokusi talijanskog liječnika, anatoma, fiziologa i fizičara Luigija Galvanija, koji je postao jedan od utemeljitelja elektrofiziologije. U njegovim je eksperimentima propuštanje električne struje kroz živce žabljeg bataka dovelo do kontrakcije mišića i trzanja bataka. Godine 1791. Galvanijevo poznato otkriće opisano je u njegovoj Raspravi o silama elektriciteta u mišićnom kretanju. Sami fenomeni koje je Galvani otkrio dugo su se u udžbenicima i znanstvenim člancima nazivali “galvanizmom”. Ovaj izraz još uvijek je sačuvan u nazivima nekih uređaja i procesa.
Daljnji razvoj elektrofiziologije usko je povezan s neurofiziologijom. Godine 1875., neovisno jedan o drugom, engleski kirurg i fiziolog Richard Caton i ruski fiziolog V. Ya.Danilevsky pokazali su da je mozak generator električne aktivnosti, odnosno otkrivene su moždane biostruje.
Biološki objekti tijekom svoje životne aktivnosti stvaraju ne samo mikrostruje, već i velike napone i struje. Mnogo prije Galvanija, engleski anatom John Walsh dokazao je električnu prirodu udara raže, a škotski kirurg i anatom John Hunter dao je točan opis električnog organa ove životinje. Istraživanje Walsha i Huntera objavljeno je 1773. godine.
U modernoj biologiji i medicini koriste se razne metode proučavanje živih organizama, kako invazivnih tako i neinvazivnih.
Klasičan primjer invazivnih metoda je laboratorijski štakor s hrpom elektroda ugrađenih u mozak koji trči kroz labirint ili rješava druge probleme koje mu zadaju znanstvenici.
Neinvazivne metode uključuju takve poznate studije kao što su uzimanje encefalograma ili elektrokardiograma. U ovom slučaju, elektrode koje čitaju biostruje srca ili mozga uklanjaju struje izravno s kože subjekta. Kako bi se poboljšao kontakt s elektrodama, koža se navlaži fiziološkom otopinom, koja je dobar vodljivi elektrolit.
Osim uporabe električne struje kada znanstveno istraživanje i tehnička kontrola stanja raznih kemijskih procesa i reakcija, jedan od najdramatičnijih trenutaka njegove uporabe, poznat široj javnosti, je pokretanje “zaustavljenog” srca bilo kojeg lika u modernom filmu.
Doista, protok kratkotrajnog pulsa značajne struje samo je u izoliranim slučajevima sposoban pokrenuti zaustavljeno srce. Najčešće se njegov normalni ritam uspostavlja iz stanja kaotičnih konvulzivnih kontrakcija, nazvanih srčana fibrilacija. Uređaji koji se koriste za uspostavljanje normalnog ritma srčanih kontrakcija nazivaju se defibrilatori. Moderni automatski defibrilator sam uzima kardiogram, utvrđuje fibrilaciju srčanih klijetki i samostalno odlučuje hoće li šokirati ili ne - može biti dovoljno da kroz srce prođe mali okidački impuls. Postoji trend ugradnje automatskih defibrilatora na javnim mjestima, što bi moglo značajno smanjiti broj smrtnih slučajeva uslijed neočekivanog srčanog zastoja.
Praktični liječnici hitne pomoći ne sumnjaju u primjenu defibrilacije - osposobljeni za brzo utvrđivanje tjelesnog stanja pacijenta iz elektrokardiograma, oni donose odluku mnogo brže od automatskog defibrilatora namijenjenog široj javnosti.
Bilo bi prikladno spomenuti umjetne srčane stimulatore, inače zvane pacemakers. Ovi uređaji se ugrađuju pod kožu ili ispod prsnog mišića osobe, a takav uređaj preko elektroda isporučuje strujne impulse od oko 3 V u miokard (srčani mišić) potičući normalan rad srca. Moderni pacemakeri mogu osigurati neprekinuti rad 6-14 godina.
Značajke električne struje, njezino stvaranje i primjena
Električnu struju karakterizira veličina i oblik. Na temelju ponašanja tijekom vremena razlikujemo istosmjernu struju (koja se ne mijenja tijekom vremena), aperiodsku struju (koja se nasumično mijenja tijekom vremena) i izmjeničnu struju (koja se mijenja tijekom vremena prema određenom, obično periodičnom, zakonu). Ponekad rješavanje različitih problema zahtijeva istovremenu prisutnost istosmjerne i izmjenične struje. U ovom slučaju govorimo o izmjeničnoj struji s istosmjernom komponentom.
Povijesno gledano, prvi se pojavio triboelektrični generator struje, koji je struju stvarao trljanjem vune o komadić jantara. Napredniji generatori struje ovog tipa danas se nazivaju Van de Graaffovi generatori, nazvani po izumitelju prvog tehničkog rješenja takvih strojeva.
Kao što je gore spomenuto, talijanski fizičar Alessandro Volta izumio je elektrokemijski generator istosmjerne struje, koji je postao preteča suhih baterija, akumulatora i gorive ćelije, koje i danas koristimo kao prikladne izvore energije za razne uređaje - od ručni sat a pametne telefone samo automobilske baterije i vučne baterije za električna vozila Tesla.
Osim ovih generatora istosmjerne struje, postoje generatori struje koji se temelje na izravnom nuklearnom raspadu izotopa i magnetohidrodinamički generatori struje (MHD generatori), koji su do sada imali ograničenu primjenu zbog male snage, slabe tehnološke osnove za široka primjena i iz drugih razloga. Unatoč tome, radioizotopni izvori energije naširoko se koriste tamo gdje je potrebna potpuna autonomija: u svemiru, na dubokomorskim letjelicama i hidroakustičkim postajama, na svjetionicima, plutačama, kao i na dalekom sjeveru, Arktiku i Antarktiku.
U elektrotehnici se generatori struje dijele na generatore istosmjerne struje i generatore izmjenične struje.
Svi ovi generatori temelje se na fenomenu elektromagnetske indukcije, koji je otkrio Michael Faraday 1831. godine. Faraday je napravio prvi unipolarni generator male snage koji je proizvodio istosmjernu struju. Prvi generator izmjenične struje predložio je anonimni autor pod latinskim inicijalima R.M. u pismu Faradayu 1832. Nakon što je pismo objavljeno, Faraday je primio pismo zahvalnosti od istog anonimnog autora s dijagramom poboljšanog generatora iz 1833., koji je koristio dodatni čelični prsten (jaram) za zatvaranje magnetskih tokova jezgri namota.
Međutim, u to vrijeme izmjenična struja nije bila nikakva, jer je za sve tadašnje praktične primjene električne energije (rudnička elektrotehnika, elektrokemija, novonastala elektromagnetska telegrafija, prvi elektromotori) bila potrebna istosmjerna struja. Stoga su kasniji izumitelji usmjerili svoje napore na izgradnju generatora koji daju istosmjernu električnu struju, razvijajući različite sklopne uređaje za te svrhe.
Jedan od prvih generatora koji je primio praktičnu upotrebu, bio je magnetoelektrični generator ruskog akademika B. S. Jacobija. Ovaj generator usvojili su galvanski timovi ruske vojske, koji su ga koristili za paljenje minskih fitilja. Unaprijeđene modifikacije Jacobijevog generatora i danas se koriste za daljinsko aktiviranje minskih punjenja, što je naširoko prikazano u vojno-povijesnim filmovima u kojima diverzanti ili partizani dižu u zrak mostove, vlakove ili druge objekte.
Potom se među izumiteljima i praktičnim inženjerima s različitim uspjehom vodila borba između proizvodnje istosmjerne ili izmjenične struje, što je dovelo do apogeja sukoba između titana moderne elektroenergetike: Thomasa Edisona s tvrtkom General Electric na jednom strane, te Nikola Tesla s tvrtkom Westinghouse, s druge strane. Pobijedio je moćni kapital, a Teslin razvoj na području proizvodnje, prijenosa i transformacije izmjenične električne struje postao je nacionalnim vlasništvom američkog društva, što je u velikoj mjeri kasnije pridonijelo tehnološkoj dominaciji Sjedinjenih Država.
Osim stvarne proizvodnje električne energije za razne potrebe, temeljene na pretvorbi mehaničkog gibanja u električnu, zbog reverzibilnosti električnih strojeva postala je moguća i reverzna pretvorba električne struje u mehaničko gibanje, što se ostvaruje elektromotorima istosmjerne i izmjenične struje. . Možda su to najčešći strojevi našeg vremena, uključujući pokretače za automobile i motocikle, pogone za industrijske strojeve i razne kućanske uređaje. Korištenje razne modifikacije s takvim uređajima, postali smo majstori svih zanata, možemo blanjati, piliti, bušiti i glodati. A u našim se računalima, zahvaljujući minijaturnim preciznim istosmjernim motorima, vrte tvrdi i optički pogoni.
Uz uobičajene elektromehaničke motore, ionski motori rade zahvaljujući protoku električne struje, koristeći princip mlaznog pogona tijekom izbacivanja ubrzanih iona tvari. Za sada se uglavnom koriste u svemiru na malim satelitima za njihovo lansiranje u željene orbite. I fotonski motori 22. stoljeća, koji za sada postoje samo u dizajnu i koji će naše buduće međuzvjezdane brodove nositi subsvjetlosnim brzinama, najvjerojatnije će također raditi na električnu struju.
Za stvaranje elektronički elementi a kod uzgoja kristala za razne namjene iz tehnoloških razloga potrebni su ultrastabilni DC generatori. Takvi precizni istosmjerni generatori koji koriste elektroničke komponente nazivaju se stabilizatori struje.
Mjerenje električne struje
Valja napomenuti da se instrumenti za mjerenje struje (mikroampermetri, miliampermetri, ampermetri) međusobno vrlo razlikuju, prvenstveno po vrsti konstrukcije i principima rada - to mogu biti uređaji istosmjerne struje, niskofrekventne izmjenične struje i visokofrekventni uređaji. frekvencijska izmjenična struja.
Prema principu rada razlikuju se elektromehanički, magnetoelektrični, elektromagnetski, magnetodinamički, elektrodinamički, indukcijski, termoelektrični i elektronički uređaji. Većina instrumenata za mjerenje struje kazaljke sastoji se od kombinacije pokretnog/fiksnog okvira s namotanom zavojnicom i fiksnog/pokretnog magneta. Zbog ovog dizajna, tipični ampermetar ima ekvivalentni krug induktiviteta i otpora spojen u seriju, usmjeren kapacitivnošću. Zbog toga se frekvencijski odziv ampermetara s brojčanikom mijenja na visokim frekvencijama.
Osnova im je minijaturni galvanometar, a različita ograničenja mjerenja postižu se upotrebom dodatnih shuntova - otpornika s malim otporom, koji je za redove veličine manji od otpora mjernog galvanometra. Tako se na temelju jednog uređaja mogu stvoriti instrumenti za mjerenje struja različitih raspona - mikroampermetri, miliampermetri, ampermetri, pa čak i kiloampermetri.
Općenito, u praksi mjerenja važno je ponašanje mjerene struje - ona može biti funkcija vremena i hasa drugačiji oblik- biti konstantan, harmoničan, neharmoničan, pulsirajući i tako dalje, a njegova se vrijednost obično koristi za karakterizaciju načina rada radijskih krugova i uređaja. Razlikuju se sljedeće trenutne vrijednosti:
- trenutak,
- amplituda,
- prosjek,
- korijen srednje kvadratne vrijednosti (rms).
Trenutna vrijednost struje I i je vrijednost struje u određenom trenutku. Može se promatrati na ekranu osciloskopa i odrediti za svaki trenutak pomoću oscilograma.
Amplitudna (vršna) vrijednost struje I m je najveća trenutna vrijednost struje u razdoblju.
Korijen srednje kvadratne (rms) vrijednosti struje I određuje se kao kvadratni korijen prosječne kvadratne vrijednosti tijekom razdoblja trenutne vrijednosti Trenutno
Svi pokazivački ampermetri obično su kalibrirani u efektivnim vrijednostima struje.
Prosječna vrijednost (konstantna komponenta) struje je aritmetička sredina svih njezinih trenutnih vrijednosti tijekom vremena mjerenja.
Razlika između maksimalne i minimalne vrijednosti struje signala naziva se zamah signala.
Sada se uglavnom i višenamjenski digitalni instrumenti i osciloskopi koriste za mjerenje struje - njihovi zasloni prikazuju ne samo oblik napon/struja, ali također bitne karakteristike signal. Ove karakteristike također uključuju frekvenciju promjene periodičkih signala, stoga je u mjernoj tehnici važna frekvencijska granica mjerenja uređaja.
Mjerenje struje osciloskopom
Ilustracija gore navedenog bit će niz eksperimenata na mjerenju efektivnih i vršnih trenutnih vrijednosti sinusoidnih i trokutastih signala pomoću generatora signala, osciloskopa i višenamjenskog digitalnog uređaja (multimetra).
Opća shema eksperimenta br. 1 prikazana je u nastavku:
Generator signala (FG) je opterećen na serijska veza multimetar (MM), otpor šanta R s =100 Ohm i otpor opterećenja R 1 kOhm. Osciloskop OS je spojen paralelno s šantnim otporom R s. Vrijednost otpora šanta odabire se iz uvjeta R s< Primijenimo sinusoidni signal na otpor opterećenja iz generatora s frekvencijom od 60 Hz i amplitudom od 9 volti. Pritisnimo vrlo zgodnu tipku Auto Set i na ekranu ćemo vidjeti signal prikazan na sl. 1. Zamaj signala je oko pet velikih podjela s vrijednošću podjele od 200 mV. Multimetar pokazuje trenutnu vrijednost od 3,1 mA. Osciloskop utvrđuje efektivnu vrijednost napona signala na mjernom otporniku U=312 mV. Efektivna vrijednost struje kroz otpornik R s određena je Ohmovim zakonom: I RMS = U RMS /R = 0,31 V / 100 Ohm = 3,1 mA, što odgovara očitanju multimetra (3,10 mA). Imajte na umu da je raspon struje kroz naš krug od dva otpornika i multimetra spojenih u seriju jednak I P-P = U P-P /R = 0,89 V / 100 Ohm = 8,9 mA Poznato je da se vršne i efektivne vrijednosti struje i napona za sinusoidalni signal razlikuju za faktor √2. Ako pomnožim I RMS = 3,1 mA s √2, dobit ćemo 4,38. Udvostručite ovu vrijednost i dobit ćemo 8,8 mA, što je gotovo isto kao struja izmjerena osciloskopom (8,9 mA). Smanjimo signal generatora za pola. Opseg slike na osciloskopu smanjit će se točno za polovicu (464 mV), a multimetar će pokazati trenutnu vrijednost od 1,55 mA približno prepolovljenu. Odredimo očitanja efektivne vrijednosti struje na osciloskopu: I RMS = U RMS /R = 0,152 V / 100 Ohm = 1,52 mA, što približno odgovara očitanju multimetra (1,55 mA). Povećajmo frekvenciju generatora na 10 kHz. U tom će se slučaju slika na osciloskopu promijeniti, ali će raspon signala ostati isti, a očitanja multimetra će se smanjiti - to utječe na dopušteni radni raspon frekvencije multimetra. Vratimo se na izvornu frekvenciju od 60 Hertza i napon od 9 V generatora signala, ali promijenimo oblik njegov signal od sinusoidnog do trokutastog. Opseg slike na osciloskopu ostao je isti, ali su se očitanja multimetra smanjila u odnosu na trenutnu vrijednost koju je pokazao u eksperimentu br. 1, jer se promijenio efektivna vrijednost struja signala. Osciloskop također pokazuje smanjenje efektivne vrijednosti napona izmjerenog na otporniku R s =100 Ohm. Domaće izrađeno postolje s teleprompterom s punim značajkama i monitorima za kućni video studio Električna struja u različite sredine Električna struja u metalima. Nositelji naboja su pozitivni ioni i elektroni. Rekombinacija nabijenih čestica. Samostalno električno pražnjenje. Električna struja u poluvodičima. Ministarstvo obrazovanja i znanosti Ruske Federacije Savezna državna proračunska obrazovna ustanova visoko stručno obrazovanje "Državno sveučilište Južnog Urala" (NRU) Rudarsko-keramička škola Sažetak na temu: «
Električna struja u različitim sredinama" disciplina: "fizika" Voditelj, učitelj Iljankina E.N. učenik grupe 10_ Puno ime___________ 2012 Električna struja u plinovima U normalnim uvjetima plin je dielektrik, tj. sastoji se od neutralnih atoma i molekula i ne sadrži slobodne nositelje električne struje. Zrak je dielektrik u električnim vodovima, zračnim kondenzatorima i kontaktnim sklopkama. Zrak je vodič kada se pojavi munja, električna iskra ili kada se pojavi zavareni luk. Ionizacija plina To je razgradnja neutralnih atoma ili molekula u pozitivne ione i elektrone uklanjanjem elektrona iz atoma. Ionizacija se događa kada se plin zagrijava ili izloži zračenju (UV, X-zrake, radioaktivno) i objašnjava se raspadom atoma i molekula tijekom sudara pri velikim brzinama. To je električna struja u ioniziranim plinovima. Rekombinacija nabijenih čestica Postoji samoodrživo i nesamoodrživo plinsko pražnjenje. Nesamoodrživo električno pražnjenje.Iskustvo pokazuje da se dvije različito nabijene ploče odvojene slojem zraka ne prazne. U tom će se slučaju elektrometar početi brzo prazniti. Zbog toga je zrak pod utjecajem plamena postao vodič. Kada se plamen ukloni iz prostora između ploča, prestaje pražnjenje elektrometra. Isti se rezultat može dobiti ozračivanjem ploča svjetlom električnog luka. Ovi pokusi dokazuju da plin može postati vodič električne struje. Toplinska ionizacija.Zagrijavanje plina čini ga vodičem električne struje jer se neki atomi ili molekule plina pretvaraju u nabijene ione. Plazma. Plin u kojem je značajan dio atoma ili molekula ioniziran naziva se plazma. Stupanj toplinske ionizacije plazme ovisi o temperaturi. Na primjer, na temperaturi od 10 000 K ionizira se manje od 10% ukupnog broja atoma vodika, a na temperaturama iznad 20 000 K vodik je gotovo potpuno ioniziran. Fotoionizacija. Energija potrebna za uklanjanje elektrona iz atoma ili molekule može se prenijeti svjetlom. Ionizacija atoma ili molekula djelovanjem svjetlosti naziva se fotoionizacija. Samostalno električno pražnjenje.Kad se jakost električnog polja poveća do određene vrijednosti, ovisno o prirodi plina i njegovom tlaku, u plinu nastaje električna struja i bez utjecaja vanjskih ionizatora. Pojava prolaska električne struje kroz plin, neovisno o djelovanju vanjskih ionizatora, naziva senezavisno električno pražnjenje. Glavni mehanizam ionizacije plina tijekom samoodrživog električnog pražnjenja je ionizacija atoma i molekula uslijed udara elektrona. Ionizacija udarom elektrona.Ionizacija udarom elektrona postaje moguća kada elektron tijekom svog slobodnog puta dobije kinetičku energiju veću od energije vezanja W elektron s atomom. W k = Fl = eEl, gdje l duljina slobodnog puta. eEl > W . Energija vezanja elektrona u atomima i molekulama obično se izražava uelektronvolti(eV). 1 eV jednak je radu električnog polja pri pomicanju elektrona (ili druge čestice s elementarnim nabojem) između točaka polja, među kojima je napon 1 V: Energija ionizacije atoma vodika je, na primjer, 13,6 eV. Mehanizam samopražnjenja.Razvoj samostalnog električnog pražnjenja u plinu odvija se na sljedeći način. Slobodni elektron pod utjecajem električnog polja dobiva akceleraciju. Ako je jakost električnog polja dovoljno velika, slobodni put elektrona povećava njegovu kinetičku energiju toliko da ga ionizira pri sudaru s molekulom. Pozitivni ioni nastali u plinu kreću se pod utjecajem električnog polja od anode prema katodi. Kad pozitivni ioni udare u katodu i pod utjecajem svjetlosti emitirane tijekom procesa pražnjenja, novi elektroni se mogu osloboditi s katode. Ti se elektroni pak ubrzavaju električnim poljem i stvaraju nove elektron-ionske lavine, tako da se proces može kontinuirano nastaviti. Iskreće pražnjenje. Munja.Ako izvor struje nije sposoban dugo održavati samoodrživo električno pražnjenje, tada se samoodrživo pražnjenje koje se javlja nazivaiskričasto pražnjenje.Iskričasto pražnjenje prestaje kratko vrijeme nakon početka pražnjenja kao rezultat značajnog pada napona. Primjeri iskričastog pražnjenja: iskre koje nastaju prilikom češljanja kose, odvajanja listova papira ili pražnjenja kondenzatora. Kako se struja u kanalu munje povećava, plazma se zagrijava do temperature od preko 10 000 K. Promjene tlaka u kanalu plazme munje kako se struja povećava i pražnjenje prestaje uzrokovati zvučne pojave koje se nazivaju grmljavina. Sjajno pražnjenje. Kako se tlak plina u izbojnom rasporu smanjuje, izbojni kanal postaje sve širi, a tada je cijela izbojna cijev jednoliko ispunjena svjetlećom plazmom. Ova vrsta neovisnog električnog pražnjenja u plinovima naziva setinjajuće pražnjenje(Slika 167). Električni luk.Ako je jakost struje u samoodrživom plinskom pražnjenju vrlo visoka, tada udarci pozitivnih iona i elektrona mogu uzrokovati zagrijavanje katode i anode. Pri visokim temperaturama, elektroni se emitiraju s površine katode, osiguravajući održavanje samoodrživog pražnjenja u plinu. Dugotrajno neovisno električno pražnjenje u plinovima, koje se održava zbog termionske emisije s katode, naziva selučno pražnjenje(Slika 168). Koronsko pražnjenje.U jako nehomogenim električnim poljima koja nastaju npr. između vrha i ravnine ili između žice i ravnine (dalekovoda) dolazi do neovisnog pražnjenja posebne vrste, tzv.koronsko pražnjenje.Tijekom koronskog pražnjenja, ionizacija udarom elektrona događa se samo u blizini jedne od elektroda, u području s velikom jakošću električnog polja. Primjena električnih pražnjenja.Udarci elektrona ubrzanih električnim poljem dovode ne samo do ionizacije atoma i molekula plina, već i do ekscitacije atoma i molekula, popraćene emisijom svjetlosti. Svjetlosna emisija plazme iz neovisnog električnog pražnjenja naširoko se koristi u nacionalnom gospodarstvu iu svakodnevnom životu. To su fluorescentne svjetiljke i žarulje s izbojem u plinu za uličnu rasvjetu, električni luk u aparatu za projekciju filmova i živino-kvarcne žarulje koje se koriste u bolnicama i klinikama. Električna struja u poluvodičima Prema vrijednosti električnog otpora poluvodiči zauzimaju srednje mjesto između dobrih vodiča i dielektrika. Poluvodiči uključuju mnoge kemijske elemente (germanij, silicij, selen, telur, arsen itd.), ogroman broj legura i kemijskih spojeva. Gotovo sve anorganske tvari u svijetu oko nas su poluvodiči. Najrašireniji poluvodič u prirodi je silicij, koji čini oko 30% zemljine kore. Kvalitativna razlika između poluvodiča i metala očituje se prvenstveno u ovisnosti otpora o temperaturi. Kako se temperatura smanjuje, otpor metala se smanjuje. U poluvodičima, naprotiv, otpor raste s padom temperature i blizu apsolutne nule oni praktički postaju izolatori (slika 4.13.1). Ovakvo ponašanje ρ(T) ovisnosti pokazuje da u poluvodičima koncentracija slobodnih nositelja naboja ne ostaje konstantna, već raste s porastom temperature. Mehanizam električne struje u poluvodičima ne može se objasniti u okviru modela plina slobodnih elektrona. Razmotrimo kvalitativno ovaj mehanizam na primjeru germanija (Ge). U kristalu silicija (Si) mehanizam je sličan. Atomi germanija imaju četiri slabo vezana elektrona u svojoj vanjskoj ljusci. Zovu se valentni elektroni. U kristalnoj rešetki, svaki atom je okružen sa svoja četiri najbliža susjeda. Veza između atoma u kristalu germanija je kovalentni , odnosno provode parovi valentnih elektrona. Svaki valentni elektron pripada dvama atomima. Valentni elektroni u kristalu germanija mnogo su jače vezani za atome nego u metalima; Stoga je koncentracija vodljivih elektrona na sobnoj temperaturi u poluvodičima mnogo redova veličine niža nego u metalima. Blizu temperature apsolutne nule u kristalu germanija, svi elektroni su zauzeti u formiranju veza. Takav kristal ne provodi električnu struju. Kako se temperatura povećava, neki od valentnih elektrona mogu dobiti dovoljno energije da raskinu kovalentne veze. Tada će se u kristalu pojaviti slobodni elektroni (elektroni vodljivosti). Istodobno se stvaraju prazna mjesta na mjestima gdje su veze prekinute, a koja nisu zauzeta elektronima. Ova slobodna radna mjesta se zovu " rupe " Upražnjeno mjesto može zauzeti valentni elektron iz susjednog para, tada se šupljina pomiče na novo mjesto u kristalu. Pri određenoj temperaturi poluvodiča u jedinici vremena nastaje određeni broj parova elektron-šupljina. Istodobno se događa obrnuti proces: kada slobodni elektron susretne šupljinu, elektronska veza između atoma germanija se obnavlja. Ovaj proces se zove rekombinacija . Parovi elektron-šupljina također se mogu stvoriti kada se poluvodič osvijetli zbog energije elektromagnetskog zračenja. U nedostatku električnog polja, vodljivi elektroni i šupljine sudjeluju u kaotičnom toplinskom gibanju. Ako se poluvodič stavi u električno polje, tada u uređenom kretanju nisu uključeni samo slobodni elektroni, već i šupljine, koje se ponašaju kao pozitivno nabijene čestice. Stoga se struja I u poluvodiču sastoji od struje elektrona In i struje šupljina Ip: I = In + Ip. Koncentracija elektrona vodljivosti u poluvodiču jednaka je koncentraciji šupljina: nn = np. Mehanizam vodljivosti elektron-šupljina pojavljuje se samo u čistim (tj. bez primjesa) poluvodičima. To se zovevlastitu električnu vodljivostpoluvodiči. U prisutnosti nečistoća električna vodljivost poluvodiča jako se mijenja. Na primjer, dodavanje fosfornih nečistoća kristalu silicija u količini od 0,001 atomskog postotka smanjuje otpornost za više od pet redova veličine. Tako jak utjecaj nečistoća može se objasniti na temelju gornjih ideja o strukturi poluvodiča. Nužan uvjet za oštro smanjenje otpora poluvodiča pri uvođenju nečistoća je razlika u valenciji atoma nečistoća od valencije glavnih atoma kristala.Vodljivost poluvodiča u prisutnosti nečistoća naziva senečistoća vodljivost. Postoje dvije vrste provodljivosti nečistoća vodljivost elektrona i šupljina. Elektronska vodljivostnastaje kada se peterovalentni atomi (na primjer, atomi arsena, As) uvedu u kristal germanija s četverovalentnim atomima. Na sl. Slika 7 prikazuje peterovalentni atom arsena pronađen na mjestu u kristalnoj rešetki germanija. Četiri valentna elektrona atoma arsena uključena su u stvaranje kovalentnih veza s četiri susjedna atoma germanija. Pokazalo se da je peti valentni elektron suvišan; lako se odvaja od atoma arsena i postaje slobodan. Atom koji je izgubio elektron postaje pozitivan ion smješten na mjestu u kristalnoj rešetki. Nečistoća atoma čija je valencija veća od valencije glavnih atoma poluvodičkog kristala naziva sedonor primjesa.
Kao rezultat njegovog uvođenja, u kristalu se pojavljuje značajan broj slobodnih elektrona. To dovodi do naglog smanjenja otpora poluvodiča tisućama, pa čak i milijunima puta. Otpornost vodiča s visokim sadržajem nečistoća može se približiti metalnom vodiču. U kristalu germanija s primjesom arsena postoje elektroni i rupe odgovorni za vlastitu vodljivost kristala. Ali glavni tip slobodnih nositelja naboja su elektroni odvojeni od atoma arsena. U takvom kristalu nn >> np. Takvu vodljivost nazivamo elektroničkom, a poluvodič sa elektronička vodljivost se nazivapoluvodič n-tipa. Vodljivost rupanastaje kada se trovalentni atomi (na primjer, atomi indija, In) uvedu u kristal germanija. Atom indija nema elektron za stvaranje veze s četvrtim atomom germanija. Taj nedostajući elektron atom indija može uhvatiti iz kovalentne veze susjednih atoma germanija. U tom se slučaju atom indija pretvara u negativni ion smješten na mjestu kristalne rešetke, a u kovalentnoj vezi susjednih atoma nastaje prazno mjesto. Smjesa atoma sposobna uhvatiti elektrone naziva seakceptorska primjesa. Kao rezultat uvođenja akceptorske nečistoće, mnoge kovalentne veze se prekidaju u kristalu i stvaraju se prazna mjesta (rupe). Elektroni iz susjednih kovalentnih veza mogu skočiti na ta mjesta, što dovodi do kaotičnog lutanja rupa po kristalu. Prisutnost akceptorske nečistoće naglo smanjuje otpornost poluvodiča zbog pojave veliki broj slobodne rupe. Koncentracija rupa u poluvodiču s akceptorskom nečistoćom znatno premašuje koncentraciju elektrona koji su nastali zbog mehanizma vlastite električne vodljivosti poluvodiča: np >> nn. Ova vrsta vodljivosti naziva sevodljivost otvora.
Poluvodič s primjesom s šupljikom vodljivošću naziva sep-tip poluvodiča. Glavni slobodni nositelji naboja u poluvodičima p-tipa su rupe. Treba naglasiti da je vodljivost šupljina zapravo posljedica relejnog kretanja elektrona kroz prazna mjesta od jednog atoma germanija do drugog, koji ostvaruju kovalentnu vezu. Za poluvodiče n- i p-tipa, Ohmov zakon je zadovoljen u određenim područjima struje i napona, pod uvjetom da su koncentracije slobodnih nositelja konstantne. Električna struja u vakuumu Najvažniji uređaji u elektronici prve polovice XX. stoljeća. Postojale su vakuumske cijevi koje su koristile električnu struju u vakuumu. Međutim, oni su zamijenjeni poluvodički uređaji. Ali i danas se struja u vakuumu koristi u katodnim cijevima, u vakuumskom taljenju i zavarivanju, uključujući i svemirske, te u mnogim drugim instalacijama. To određuje važnost proučavanja električne struje u vakuumu. Vakuum (od lat. vakum praznina) stanje plina pri tlaku manjem od atmosferskog. Ovaj koncept se odnosi na plin u zatvorenoj posudi ili u posudi iz koje se plin pumpa, a često i na plin u slobodnom prostoru, kao što je svemir. Fizička karakteristika vakuuma je odnos između slobodnog puta molekula i veličine posude, između elektroda uređaja itd. Kad je u pitanju vakuum, iz nekog razloga misle da je to potpuno prazan prostor. Zapravo, to nije tako. Ako se zrak ispumpa iz posude, broj molekula u njoj će se s vremenom smanjiti, iako je nemoguće ukloniti sve molekule iz posude. Dakle, kada možemo smatrati da je nastao vakuum u posudi? Molekule zraka, krećući se kaotično, često se sudaraju jedna s drugom i sa stijenkama posude. Između takvih sudara, molekule lete određene udaljenosti, koje se nazivaju slobodnim putem molekula. Jasno je da se pri ispumpavanju zraka koncentracija molekula (njihov broj po jedinici volumena) smanjuje, a srednji slobodni put povećava. A onda dolazi trenutak kada srednji slobodni put postaje jednak veličini posude: molekula se kreće od stijenke do stijenke posude, praktički ne nailazeći na druge molekule. Tada vjeruju da se u posudi stvorio vakuum, iako u njoj još uvijek može biti mnogo molekula. Jasno je da se u manjim posudama stvara vakuum pri većem tlaku plina u njima nego u većim posudama. Ako nastavite ispumpavati zrak iz posude, kažu da se u njoj stvara dublji vakuum. U dubokom vakuumu, molekula može letjeti od zida do zida mnogo puta prije nego što se susretne s drugom molekulom. Gotovo je nemoguće ispumpati sve molekule iz posude. Odakle slobodni nositelji naboja u vakuumu? Ako se u posudi stvori vakuum, tada u njoj ima još mnogo molekula, neke od njih mogu biti ionizirane. Ali postoji nekoliko nabijenih čestica u takvoj posudi da bi se otkrila primjetna struja. Kako možemo dobiti dovoljan broj slobodnih nositelja naboja u vakuumu? Ako zagrijete vodič propuštanjem električne struje kroz njega ili na neki drugi način, tada će dio slobodnih elektrona u metalu imati dovoljno energije da napusti metal (obavi rad). Termionska emisija.Spojimo šipku nabijenog elektrometra s jednom elektrodom staklene tikvice, a tijelo elektrometra s drugom elektrodom, koja je tanka metalna nit (slika 169). Iskustvo će pokazati da se elektrometar ne prazni. Između dvije elektrode smještene u zatvorenoj posudi iz koje je odstranjen zrak i pod naponom nema električne struje jer u vakuumu nema slobodnih nositelja električnog naboja. Američki znanstvenik i izumitelj Thomas Edison (18471931) otkrio je (1879.) da u vakuumskoj staklenoj posudi nastaje električna struja ako se jedna od elektroda zagrije na visoku temperaturu. Dioda. Termionska emisija koristi se u raznim elektroničkim uređajima. Najjednostavniji od njih je električna vakuumska dioda. Ovaj uređaj sastoji se od staklenog cilindra koji sadrži dvije elektrode: katoda i anoda. Anoda je izrađena od metalne ploče, katoda je izrađena od tanke metalne žice smotane u spiralu. Krajevi spirale montirani su na metalne šipke s dva terminala za spajanje strujni krug. Spajanjem katodnih vodova na izvor struje, moguće je izazvati zagrijavanje spirale katodne žice prolaznom strujom do visoke temperature. Žičana spirala zagrijana električnom strujom naziva se žarulja. Simbol za vakuumsku diodu prikazan je na slici 170. Primjena diode.Spajanjem vakuumske diode u električni krug u seriju s izvorom istosmjerne struje i ampermetrom, možete otkriti glavno svojstvo diode, koja se koristi u raznim elektroničkim uređajima, jednosmjernu vodljivost. Kada je izvor struje spojen s pozitivnim polom na anodu i negativnim polom na katodu, elektroni koje emitira zagrijana katoda kreću se pod utjecajem električnog polja na anodu i električna struja teče u krugu. Ako spojite izvor struje s pozitivnim polom na katodu, a negativnim polom na anodu, tada će električno polje spriječiti kretanje elektrona s katode na anodu; u krugu nema električne struje. Svojstvo jednosmjerne vodljivosti diode koristi se u elektroničkim uređajima za pretvaranje izmjenične struje u istosmjernu. Trioda. Protok elektrona koji se kreće u vakuumskoj cijevi od katode do anode može se kontrolirati pomoću električnih i magnetskih polja. Najjednostavniji električni vakuumski uređaj u kojem se protok elektrona kontrolira pomoću električnog polja je trioda. Spremnik, anoda i katoda vakuumske triode imaju istu konstrukciju kao i dioda, međutim na putu elektrona od katode do anode u triodi postoji treća elektroda tzv. mreža. Rešetka je obično spirala od nekoliko zavoja tanke žice oko katode. Ureaj vakuumske triode prikazan je na slici 173, njezin simbol na dijagramima na slici 174. Elektronske zrake i njihova svojstva.Elektroni koje emitira zagrijana katoda mogu se ubrzati do velikih brzina pomoću električnih polja. Snopovi elektrona koji se kreću od velike brzine, može se koristiti za proizvodnju rendgenskih zraka, taljenje i rezanje metala. Sposobnost elektronskih zraka da se skrenu električnim i magnetskim poljima i izazovu sjaj kristala koristi se u katodnim cijevima. Katodna cijev. Ako su u anodi 2 vakuumska dioda napravi rupu, zatim dio elektrona emitira katoda 1
, proletjet će kroz rupu i formirati struju paralelno letećih elektrona u prostoru iza anodne elektronske zrake 5 (sl. 175). Elektrovakuumski uređaj koji koristi takav tok elektrona naziva sekatodna cijev. Električna struja u metalima Električna struja u metalima je uređeno kretanje elektrona pod utjecajem električnog polja. Eksperimenti pokazuju da kada struja teče kroz metalni vodič ne dolazi do prijenosa tvari, stoga ioni metala ne sudjeluju u prijenosu električnog naboja. Najuvjerljiviji dokaz elektronske prirode struje u metalima dobiven je u pokusima s tromošću elektrona. Ideja takvih eksperimenata i prvi kvalitativni rezultati pripadaju ruskim fizičarima L. I. Mandelstamu i N. D. Papaleksiju (1913.). Godine 1916. američki fizičar R. Tolman i škotski fizičar B. Stewart unaprijedili su metodologiju ovih pokusa i izveli kvantitativna mjerenja koja su nepobitno dokazala da je struja u metalnim vodičima uzrokovana kretanjem elektrona. Shema Tolmanova i Stewartova pokusa prikazana je na sl. 1. Zavojnica s velikim brojem zavoja tanke žice tjerana je u brzu rotaciju oko svoje osi. Krajevi zavojnice spojeni su na osjetljivi senzor pomoću savitljivih žica.balistički galvanometar G. Neuvijena zavojnica naglo je usporena, a u krugu se pojavila kratkotrajna struja zbog inercije nositelja naboja. Ukupni naboj koji teče kroz strujni krug mjeren je otklonom igle galvanometra. Pri kočenju rotirajuće zavojnice, sila kočenja djeluje na svaki nositelj naboja, nprkoji igra ulogu vanjska sila , odnosno sile neelektričnog porijekla. Vanjska sila po jedinici naboja je, po definiciji, jakost polja Est vanjskih sila: Posljedično, u krugu kada zavojnica koči, a elektromotorna sila
, jednako gdje je l duljina žice zavojnice. Tijekom kočenja zavojnice, naboj q jednak Sve količine uključene u desnu stranu ovog odnosa mogu se mjeriti. Na temelju rezultata eksperimenata Tolmana i Stewarta utvrđeno je da slobodni nositelji naboja u metalima imaju negativan predznak, a omjer naboja nositelja i njegove mase blizu je specifičnog naboja elektrona dobivenog od drugih eksperimenti. Tako je utvrđeno da su nositelji slobodnih naboja u metalima elektroni. Prema suvremenim podacima, modul naboja elektrona (elementarni naboj) je jednako Dobra električna vodljivost metala objašnjava se visokom koncentracijom slobodnih elektrona, koja je po redu veličine jednaka broju atoma po jedinici volumena. Pretpostavka da su elektroni odgovorni za električnu struju u metalima pojavila se puno prije pokusa Tolmana i Stewarta. Davne 1900. godine njemački znanstvenik P. Drude, na temelju hipoteze o postojanju slobodnih elektrona u metalima, stvorio je elektronsku teoriju vodljivosti metala. Ova teorija razvijena je u radovima nizozemskog fizičara H. Lorentza i naziva seklasična elektronička teorija.Prema ovoj teoriji, elektroni u metalima se ponašaju kao elektronski plin, slično kao idealni plin. Elektronski plin ispunjava prostor između iona koji tvore kristalnu rešetku metala (slika 2). Zbog međudjelovanja s ionima, elektroni mogu napustiti metal samo svladavanjem tzvpotencijalna barijera. Visina te barijere naziva se radna funkcija . Na običnim (sobnim) temperaturama elektroni nemaju dovoljno energije da prevladaju potencijalnu barijeru. U toplinskom gibanju sudjeluju i ioni koji tvore rešetku i elektroni. Ioni prolaze kroz toplinske vibracije u blizini ravnotežnih položaja čvorova kristalne rešetke. Slobodni elektroni se kreću nasumično i tijekom svog kretanja sudaraju se s ionima rešetke. Kao rezultat takvih sudara uspostavlja se termodinamička ravnoteža između elektronskog plina i rešetke. Prema DrudeLorentzovoj teoriji, elektroni imaju istu prosječnu energiju toplinskog gibanja kao i molekule monoatomskog idealnog plina. To vam omogućuje procjenu prosječne brzinetoplinsko gibanje elektrona prema formulama molekulske kinetičke teorije. Na sobnoj temperaturi ispada da je otprilike 105 m/s. Kad se na metalni vodič nanese vanjsko električno polje, osim toplinskog gibanja elektrona dolazi do njihovog uređenog gibanja (drifta), odnosno do električne struje. Prosječna brzinapomak se može procijeniti iz sljedećih razmatranja. Tijekom vremenskog intervala Δt svi će elektroni u volumenu proći kroz presjek S vodičaBroj takvih elektrona je jednakgdje je n prosječna koncentracija slobodnih elektrona, približno jednaka broju atoma po jedinici volumena metalnog vodiča. Naboj će proći kroz presjek vodiča za vrijeme Δt Iz čega slijedi: Koncentracija n atoma u metalima je u rasponu od 10281029 m3. Procjena pomoću ove formule za metalni vodič s poprečnim presjekom od 1 mm2 koji nosi struju od 10 A daje zaProsječna brzinauređeno kretanje elektrona, vrijednost je unutar 0,66 mm/s. Dakle prosječna brzinauređeno kretanje elektrona u metalnim vodičima mnogo je redova veličine manje od prosječne brzinenjihovo toplinsko kretanjedaje ideju o prirodi kretanja slobodnog elektrona u kristalnoj rešetki. Mala brzina pomaka nije u suprotnosti s eksperimentalnom činjenicom da se struja u cijelom istosmjernom krugu uspostavlja gotovo trenutno. Zatvaranje strujnog kruga uzrokuje širenje električnog polja brzinom c = 3·108 m/s. Nakon vremena reda veličine l/s (l duljina lanca), uspostavlja se stacionarna raspodjela električnog polja duž lanca i u njemu počinje uređeno kretanje elektrona. U klasičnoj elektroničkoj teoriji metala pretpostavlja se da se kretanje elektrona pokorava Newtonovim zakonima mehanike. U ovoj teoriji zanemaruje se međusobno djelovanje elektrona, a njihovo djelovanje s pozitivnim ionima svodi se samo na sudare. Također se pretpostavlja da pri svakom sudaru elektron predaje rešetki svu energiju akumuliranu u električnom polju i stoga se nakon sudara počinje gibati nultom driftnom brzinom. Unatoč činjenici da su sve ove pretpostavke vrlo približne, klasične elektronska teorija kvalitativno objašnjava zakonitosti električne struje u metalnim vodičima. Ohmov zakon. U intervalu između sudara na elektron djeluje sila jednaka veličini eE, zbog čega on dobiva akceleracijuStoga je do kraja slobodnog puta driftna brzina elektrona jednaka gdje je τ slobodno vrijeme putovanja, za koje se, radi pojednostavljenja izračuna, pretpostavlja da je isto za sve elektrone. Prosječna brzina zanošenjajednako polovici najveće vrijednosti: gdje je U = El napon na krajevima vodiča. Dobivena formula izražava Ohmov zakon za metalni vodič. Električni otpor vodiča je: JouleLenzov zakon. Do kraja slobodnog puta elektroni dobivaju kinetičku energiju pod utjecajem polja Prema napravljenim pretpostavkama, sva ta energija se pri udaru prenosi na rešetku i pretvara u toplinu. Tijekom vremena Δt, svaki elektron doživljava Δt/τ sudare. Vodič presjeka S i duljine l sadrži nSl elektrona. Slijedi da je toplina oslobođena u vodiču tijekom vremena Δt jednaka: Ovaj omjer izražavaJouleLenzov zakon. Dakle, klasična elektronička teorija objašnjava postojanje električnog otpora metala, Ohmov i Joule-Lenzov zakon. Međutim, u nizu pitanja klasična elektronička teorija dovodi do zaključaka koji su u suprotnosti s eksperimentom. Ova teorija ne može, na primjer, objasniti zašto je molarni toplinski kapacitet metala, kao i molarni toplinski kapacitet dielektričnih kristala, jednak 3R, gdje je R univerzalna plinska konstanta (Dulongov i Petitov zakon). Prisutnost slobodnih elektrona ne utječe na toplinski kapacitet metala. Klasična elektronska teorija također ne može objasniti temperaturnu ovisnost otpora metala. Teorija dajedok se iz eksperimenta dobiva ovisnost ρ ~ T. Međutim, najupečatljiviji primjer neslaganja između teorije i eksperimenta jesupravodljivost. Prema klasičnoj elektroničkoj teoriji, otpornost metala trebala bi se monotono smanjivati hlađenjem, ostajući konačna na svim temperaturama. Ta se ovisnost zapravo promatra eksperimentalno na relativno visokim temperaturama. Pri nižim temperaturama reda nekoliko kelvina, otpornost mnogih metala prestaje ovisiti o temperaturi i doseže određenu graničnu vrijednost. Ipak, od najvećeg je interesa ono iznenađujućefenomen supravodljivosti,otkrio danski fizičar H. Kammerlingh Onnes 1911. godine. Pri određenoj temperaturi Tcr, različitoj za različite tvari, otpor se naglo smanjuje na nulu (slika 3). Kritična temperatura za živu je 4,1 K, za aluminij 1,2 K, za kositar 3,7 K. Supravodljivost se uočava ne samo u elementima, već iu mnogim kemijskim spojevima i legurama. Na primjer, spoj niobija s kositrom (Ni3Sn) ima kritičnu temperaturu od 18 K. Neke tvari koje prelaze u supravodljivo stanje na niskim temperaturama nisu vodiči na običnim temperaturama. Istodobno, takvi "dobri" vodiči poput bakra i srebra ne postaju supravodiči na niskim temperaturama. Tvari u supravodljivom stanju imaju iznimna svojstva. U praksi, najvažniji od njih je sposobnost održavanja električne struje pobuđene u supravodljivom krugu dugo vremena (mnogo godina) bez slabljenja. Klasična elektronska teorija nije u stanju objasniti fenomen supravodljivosti. Objašnjenje mehanizma ovog fenomena dano je tek 60 godina nakon otkrića na temelju kvantnomehaničkih pojmova. Znanstveno zanimanje za supravodljivost poraslo je kako su otkriveni novi materijali s višim kritičnim temperaturama. Značajan korak u tom smjeru dogodio se 1986. godine kada je otkriveno da jedan složeni keramički spoj ima Tcr = 35 K. Već sljedeće 1987. godine fizičari su uspjeli stvoriti novu keramiku s kritičnom temperaturom od 98 K, koja je premašila temperaturu od tekući dušik (77 K). Fenomen prijelaza tvari u supravodljivo stanje na temperaturama iznad vrelišta tekućeg dušika nazvan jevisokotemperaturna supravodljivost. Godine 1988. stvoren je keramički spoj na bazi elemenata TlCaBaCuO s kritičnom temperaturom od 125 K. Trenutno se intenzivno radi na traženju novih tvari s još višim vrijednostima Tcr. Znanstvenici se nadaju da će tvar dobiti u supravodljivom stanju na sobnoj temperaturi. Ako se to dogodi, bit će to prava revolucija u znanosti, tehnologiji i općenito u životima ljudi. Treba napomenuti da do danas mehanizam visokotemperaturne supravodljivosti keramičkih materijala nije u potpunosti razjašnjen. Električna struja u elektrolitima Elektrolitima se obično nazivaju vodljivi mediji u kojima strujielektrična strujapopraćeno prijenosom materije. Nositelji slobodnih naboja u elektrolitima su pozitivno i negativno nabijeni ioni. Elektroliti uključuju mnoge metalne spojeve s metaloidima u rastaljenom stanju, kao i neke krutine. Međutim, glavni predstavnici elektrolita koji se široko koriste u tehnici suvodene otopine anorganskih kiselina, soli i baza.
Prolazak električne struje kroz elektrolit popraćen je oslobađanjem tvari na elektrodama. Ova pojava se zove elektroliza . Električna struja u elektrolitima predstavlja kretanje iona oba predznaka u suprotnim smjerovima. Pozitivni ioni kreću se prema negativnoj elektrodi ( katoda ), negativni ioni na pozitivnu elektrodu (anodu). Ioni oba predznaka pojavljuju se u vodenim otopinama soli, kiselina i lužina kao rezultat cijepanja nekih neutralnih molekula. Ova pojava se zoveelektrolitička disocijacija. Na primjer, bakrov klorid CuCl2 disocira u vodenoj otopini na ione bakra i klora: Kada su elektrode spojene na izvor struje, ioni pod utjecajem električnog polja započinju uređeno kretanje: pozitivni ioni bakra kreću se prema katodi, a negativno nabijeni ioni klora kreću se prema anodi. Došavši do katode, ioni bakra se neutraliziraju viškom elektrona katode i pretvaraju se u neutralne atome koji se talože na katodi. Ioni klora, dosežući anodu, odustaju jedan elektron. Nakon toga se neutralni atomi klora spajaju u parove i tvore molekule klora Cl2. Klor se oslobađa na anodi u obliku mjehurića. U mnogim slučajevima, elektroliza je popraćenasekundarne reakcijeprodukti raspadanja koji se oslobađaju na elektrodama, s materijalom elektrode ili otapalima. Primjer je elektroliza vodene otopine bakrenog sulfata CuSO4 ( bakreni sulfat) u slučaju kada su elektrode uronjene u elektrolit izrađene od bakra. Disocijacija molekula bakrenog sulfata odvija se prema shemi Neutralni atomi bakra talože se kao čvrsti talog na katodi. Na taj način se može dobiti kemijski čisti bakar. I ondaje dva elektrona anodi i pretvara se u neutralni radikal SO4 te ulazi u sekundarnu reakciju s bakrenom anodom: SO4 + Cu = CuSO4. Rezultirajuća molekula bakrenog sulfata prelazi u otopinu. Dakle, kada električna struja prolazi vodena otopina Bakreni sulfat otapa bakrenu anodu i taloži bakar na katodi. Koncentracija otopine bakrenog sulfata se ne mijenja. Zakon elektrolize eksperimentalno je utvrdio engleski fizičar M. Faraday 1833. godine. Faradayev zakon definira broj primarnih proizvoda,oslobađa se na elektrodama tijekom elektrolize:Masa m tvari koja se oslobađa na elektrodi izravno je proporcionalna naboju Q koji prolazi kroz elektrolit: Ovdje su m0 i q0 masa i naboj jednog iona,broj iona koji dolaze na elektrodu kada kroz elektrolit prolazi naboj Q. Dakle, elektrokemijski ekvivalent k jednak je omjeru mase m0 iona dane tvari i njegovog naboja q0. Budući da je naboj iona jednak umnošku valencije tvari n i elementarnog naboja e (q0 = ne), izraz za elektrokemijski ekvivalent k može se napisati u obliku Faradayeva konstanta brojčano je jednaka naboju koji mora proći kroz elektrolit da bi se na elektrodi oslobodio jedan mol jednovalentne tvari. Faradayev zakon za elektrolizu ima oblik: Fenomen elektrolize naširoko se koristi u modernoj industrijskoj proizvodnji. Bibliografija http://fizika XX .ayp.ru/4/4_13.html http://razred-XXfizika. narod. ru /10_13. htm http://fizika. XXkgsu. ru/index. php? option = com _ content & view = article & id =213 http://nika-XXfizika. narod. ru /68_0. htm http://www. XXmiruma. ru / elektricheskiy - tok - v - razlichnyih - sredah / http://fizika. XXayp. ru /4/4_15. html Jedna od najvažnijih definicija fizike kaže da je električna struja svako uređeno kretanje čestica koje imaju neku vrstu naboja. Iz ovoga možemo zaključiti da za pojavu električne struje moraju postojati slobodni elektroni ili ioni u metalu, tekućini ili bilo kojem drugom materijalu, koji će se kretati pod utjecajem elektromagnetskog polja. Istodobno, električna struja u različitim sredinama imat će određene karakteristike, zbog čega će njezin protok u svakoj od njih biti drugačiji. Ako uzmemo u obzir značajke formiranja i protoka električne struje u metalima, tada prije svega vrijedi obratiti pozornost na strukturu samih metala, što predstavlja.Istodobno, ioni s pozitivnim nabojem nalaze se u čvorovi ove rešetke, a elektroni s negativnim nabojem gibaju se kaotičnim redom u prostoru između tih čvorova naboja. Ako stvorite električno polje oko metala, kretanje elektrona će postati urednije. Možemo zaključiti da je u odnosu na metale električna struja usmjereno kretanje elektrona. Glavna karakteristika toka električne struje u metalima je strujno-naponski izraz poznat kao Ohmov zakon. Prema tom zakonu, on je izravno ovisan o naponu, a obrnuto ovisan o otporu. Isplati se analizirati električnu struju u različitim okruženjima Posebna pažnja obratiti pažnju na njegov nastanak i protok u tekućem mediju. U elektrolitima se javlja uslijed reakcije koja se naziva elektrolitička disocijacija. Njegova bit leži u razgradnji molekula lužina, soli ili kiselina na pozitivno i negativno nabijene ione, koji postaju nositelji u tekućinama. Stvar je u tome što kada elektromagnetsko polje počne djelovati na otopinu, kaotično kretanje iona pretvara se u uređeno. U tom slučaju pozitivni ioni počinju se kretati prema elektrodi koja ima negativan naboj, a negativni ioni počinju se kretati prema elektrodi koja ima pozitivan naboj. Dakle, za razliku od istih metala, električna struja u elektrolitima je uređeno kretanje iona. Osim toga, vrijedi napomenuti da se tijekom prolaska ovih iona kroz otopinu na elektrodama uvijek stvaraju tvari koje su strukturne komponente te otopine, bilo da se radi o lužini, kiselini ili soli. Ovaj fenomen, nazvan elektroliza, aktivno se koristi u industrijskim poduzećima za dobivanje čistih metala, kao i za premazivanje i poliranje određenih proizvoda. Razmatrajući električnu struju u različitim medijima, posebice u metalima i tekućinama, istaknuli smo da te tvari već sadrže slobodne ione ili elektrone. Što se događa s plinom koji se, kao što je poznato, sastoji od neutralnih molekula? Električna struja bez slobodnih čestica s negativnim ili pozitivnim nabojem je nemoguća, pa se prvo plin mora ionizirati, odnosno u njemu stvoriti nabijene čestice. Energija potrošena za to bit će koja doseže maksimalne vrijednosti za i minimalne vrijednosti za atome. Ionizacija plina dovodi do stvaranja tri različite vrste nabijene čestice - elektroni s negativnim nabojem, kao i pozitivni i negativni ioni. Sve te čestice, pod utjecajem vanjskog polja, počinju se kretati na uredan način, poštujući isti princip kao kada se ioni kreću u tekućinama. Dakle, električna struja u plinovima predstavlja usmjereno kretanje i iona (pozitivnih i negativnih) i elektrona. Zaključujući, možemo primijetiti sljedeće: električna struja u različitim okruženjima ima svoje karakteristike, koje se široko koriste u različitim sferama nacionalnog gospodarstva, kao iu istraživačkim eksperimentima.Iskustvo 1
Iskustvo 2
Iskustvo 3
Iskustvo 4
Sigurnosne mjere pri mjerenju struje i napona
Plin vodič je ionizirani plin. Ionizirani plin ima elektron-ionsku vodljivost.
Plinsko pražnjenje
Nositelji naboja su pozitivni ioni i elektroni. Plinsko pražnjenje opaža se u plinskim cijevima (svjetiljkama) kada su izložene električnom ili magnetskom polju.
- plin prestaje biti vodič ako prestane ionizacija, to se događa kao rezultat rekombinacije (ponovnog spajanja suprotno nabijenih čestica).
Tipično, tvar u plinovitom stanju je izolator jer atomi ili molekule od kojih se sastoji sadrže jednak broj negativnih i pozitivnih električnih naboja i općenito su neutralni.
U prostor između ploča unijejmo plamen šibice ili špiritusne lampe (slika 164).
Pojava prolaska električne struje kroz plin, opažena samo pod uvjetima nekog vanjskog utjecaja, naziva senesamoodrživo električno pražnjenje.
Da bi se uklonio elektron iz atoma, mora se raditi protiv Coulombovih sila privlačenja između pozitivno nabijene jezgre i negativnog elektrona. Proces odvajanja elektrona od atoma naziva seionizacija atoma.Minimalna energija koju je potrebno utrošiti da se elektron ukloni iz atoma ili molekule naziva se energija veze.
Elektron se može otrgnuti od atoma kada se dva atoma sudare ako je njihova kinetička energija veća od energije vezanja elektrona. Kinetička energija toplinskog kretanja atoma ili molekula izravno je proporcionalna apsolutnoj temperaturi, stoga se s povećanjem temperature plina povećava broj sudara atoma ili molekula, praćen ionizacijom.
Proces stvaranja slobodnih elektrona i pozitivnih iona kao rezultat sudara atoma i molekula plina pri visokim temperaturama naziva setoplinska ionizacija.
Elektroni i ioni plazme mogu se kretati pod utjecajem električnog polja. Dakle, na niskim temperaturama plin je izolator, a na visokim temperaturama prelazi u plazmu i postaje vodič električne struje.
U zraku pri atmosferskom tlaku dolazi do neovisnog električnog pražnjenja pri jakosti električnog polja jednakoj približno
Kinetička energija W do elektron dobiven pod utjecajem jakosti električnog polja, jednak je radu sila električnog polja:
Stoga približni uvjet za početak ionizacije udarom elektrona ima oblik
Prvi elektron, koji je uzrokovao ionizaciju molekule, i drugi elektron, oslobođen kao rezultat ionizacije, pod utjecajem električnog polja dobivaju ubrzanje u smjeru od katode prema anodi. Svaki od njih, tijekom sljedećih sudara, oslobađa još jedan elektron i ukupan broj slobodnih elektrona postaje jednak četirima. Zatim se na isti način povećava na 8, 16, 32, 64 itd. Broj slobodnih elektrona koji se kreću od katode prema anodi raste poput lavine dok ne stignu do anode (sl. 165).
Koncentracija iona u plazmi raste kako se razvija samoodrživo pražnjenje, a električni otpor pražnjenja opada. Jakost struje u krugu samopražnjenja obično se određuje samo unutarnjim otporom izvora struje i električnim otporom drugih elemenata kruga.
Munje opažene tijekom grmljavinske oluje također predstavljaju neovisno električno pražnjenje. Snaga struje u kanalu munje doseže 10.000 x 20.000 A, trajanje strujnog impulsa je nekoliko desetaka mikrosekundi. Samostalno električno pražnjenje između grmljavinskog oblaka i Zemlje prestaje samo od sebe nakon nekoliko udara munje, budući da se većina viška električnih naboja u grmljavinskom oblaku neutralizira električnom strujom koja teče kroz kanal plazme munje (Sl. 166).
Visoka temperatura plazme lučnog pražnjenja omogućuje njegovu upotrebu za rezanje i zavarivanje metalnih konstrukcija te za taljenje metala. Iskrećim pražnjenjem obrađuju se dijelovi od najtvrđih materijala.
Električno pražnjenje u plinovima također može biti nepoželjna pojava protiv koje se mora boriti u tehnologiji. Na primjer, koronsko električno pražnjenje iz žica visokonaponskih vodova dovodi do beskorisnih gubitaka električne energije. Povećanje tih gubitaka s povećanjem napona ograničava daljnje povećanje napona u dalekovodu, a takvo povećanje je vrlo poželjno kako bi se smanjili gubici energije zbog zagrijavanja žica.
Spojimo izvor struje na stezaljke metalne niti. Ako je navoj spojen na negativni pol izvora, tada kada se zagrije, elektrometar se brzo prazni. Kada je navoj spojen na pozitivni pol, elektrometar se ne prazni čak ni kada je navoj zagrijan strujom. Ovi pokusi dokazuju da zagrijana katoda emitira čestice koje imaju negativan električno punjenje. Te čestice su elektroni. Pojava emisije slobodnih elektrona s površine zagrijanih tijela naziva setermoemisija.
Ako se na rešetku dovede pozitivan potencijal u odnosu na katodu (slika 171), tada značajan dio elektrona leti s katode na anodu, au anodnom krugu postoji električna struja. Kada se na rešetku dovede negativan potencijal u odnosu na katodu, električno polje između rešetke i katode sprječava kretanje elektrona s katode na anodu (sl. 172), anodna struja se smanjuje. Dakle, promjenom napona između mreže i katode, možete regulirati struju u anodnom krugu.
Unutarnja površina Stakleni spremnik katodne cijevi nasuprot anodi prekriven je tankim slojem kristala koji mogu svijetliti kad ih udare brzi elektroni. Ovaj dio cijevi naziva se ekran ( 6
).
Pomoću električnih i magnetskih polja možete kontrolirati kretanje elektrona na putu od anode do zaslona i prisiliti snop elektrona da "iscrta" bilo koju sliku na zaslonu. Ova sposobnost elektronskog snopa koristi se za stvaranje slika na ekranu televizijske katodne cijevi koja se naziva kineskop. Promjena svjetline točke na ekranu postiže se kontrolom intenziteta elektronskog snopa pomoću dodatne elektrode koja se nalazi između katode i anode i radi na principu upravljačke mreže električne vakuumske triode.
U cijevi katodnog osciloskopa između anode i zaslona nalaze se dva para paralelnih metalnih ploča. Ove ploče se nazivaju otklonske ploče. Primjena napona na okomite ploče 4
uzrokuje pomicanje elektronske zrake u vodoravnom smjeru, primjenjujući napon na vodoravne ploče 3
uzrokuje vertikalni otklon grede. Pomaci snopa na zaslonu cijevi proporcionalni su primijenjenom naponu, pa se elektronički osciloskop može koristiti kao električni mjerni instrument.
Za proučavanje električnih procesa koji se brzo mijenjaju u osciloskopu se provodi sweep - ravnomjerno horizontalno kretanje elektronske zrake. Da bi se greda kretala po vodoravnoj osi konstantnom brzinom, napon na horizontalnim otklonskim pločama mora se mijenjati linearno s vremenom, a da bi se greda vratila u prvobitni položaj, napon mora vrlo brzo pasti na nulu. Ovaj oblik napona naziva se zub pile (slika 176).
