Електричний струм у різних середовищах

Сторінка 1

Механізм протікання струму по металах у твердому та рідкому станах обумовлений рухом вільних електронів, внаслідок чого їх називають провідниками з електронною провідністю, або провідниками першого роду.

Механізм протікання струму по металах у твердому та рідкому станах обумовлений рухом вільних електронів, внаслідок чого їх називають провідниками cjj електронною провідністю, або провідниками першого роду. Провідниками другого роду, або електролітами, є розчини (в основному водні) кислот, лугів та солей. Проходження струму через ці провідники пов'язані з перенесенням разом із електричними зарядами частин молекули (іонів), унаслідок чого склад електроліту поступово змінюється, але в електродах виділяються продукти електролізу.

Механізм протікання струму по металах у твердому та рідкому станах обумовлений рухом вільних електронів, внаслідок чого їх називають провідниками з електронною провідністю, або провідниками першого роду. Провідниками другого роду, або електролітами, є розчини (в основному водні) кислот, лугів та солей.

Механізм протікання струму в дугових приладах має деякі особливості: у вакуумному діоді анодний струм визначається напруженістю електричного поляу катода, а в газотроні – у анода. Це призводить до зменшення густини негативного заряду в околоаподном шарі. В результаті дифузії відбувається вирівнювання концентрації електронів і у плазмі утворюється безперервний потік електронів, спрямований до анода. Збільшення струму в ланцюзі викликає зростання напруженості поля в анода і, отже, більш інтенсивну дифузію електронів у міжелектродному просторі.

Розглянемо тепер механізм перебігу струму при зворотному зміщенні. Як випливає з напрямку вектора електричного поля в рп-переході, при зворотному зміщенні основні носії не роблять внесок в електричний струм. Отже, можна припустити, що струм обумовлений рухом неосновних носіїв кожної області. Дірки, інжектовані в п-область при ххп, під дією дрейфового поля миттєво переміщуються до р-області. Тому струм у разі визначається кількістю дірок, інжектованих за 1 з. Цей дірковий струм обумовлений дифузією дірок у ділянці х хп.

Крім дрейфу на механізм протікання струму в напівпровідниках впливає дифузія. На рис. 2.18 показано випадкове переміщення носіїв під дією теплової енергії та розсіювання. Якщо в деякому обсязі кристала з'являється градієнт концентрації носіїв, виникає сила, що прагне зрівняти цю концентрацію при хаотичному переміщенні носіїв. Цей процес вирівнювання концентрації носіїв за обсягом кристала називається дифузією.

Тут представлений загальний огляд механізмів протікання струму в приладах з електронно-дірковим переходом. Докладно розглянуто процес перенесення зарядів лише електронами, оскільки дірок може бути виконаний аналогічний аналіз.

У існуючих установках для зварювання механізм протікання струму представлятиме щось середнє між розібраними схемами. Струм під індуктором протікатиме по трубі, у той час як замикатися у зворотному напрямку він буде частково по трубі, а частково по елементах стану. Цей зворотний струм протікає по настільки великих поверхнях, що не викликає їх нагріву, тоді як під індуктором сконцентрований струм.

БКШ-теорія включає механізм протікання надструму, який зовсім відрізняється від механізму протікання звичайного струму в нормальному металі і навіть в гіпотетичному досконалому провіднику з нульовим опором. Якщо процес нормальної провідності здійснюється одиночними електронами і їх зіткнення, що безперервно повторюються, з гратами відповідальні за електричний опір металу, то носіями надструму є пари слабо пов'язаних електронів, які не стикаються з атомами решітки. Відсутність зіткнень між ку-перівськими парами і кристалічною решіткою пояснює нульовий опір надпровідника.

Футерування рами та її деталей (секцій, каналів та штуцерів) змінює величину та механізм протікання струмів витоку.

Що стосується сонячних елементів на основі органічних матеріалів, то необхідно вивчити вплив на їх характеристики складу та концентрації барвників, визначити механізми протікання струму, а також випробувати різні типиконструкцій у тому, щоб оцінити можливість отримання елементів з прийнятним ККД. Нині ці елементи становлять лише дослідницький інтерес.

Дас та ін. Виміряли вольт-амперні характеристики сонячних елементів на основі Cu2S - ZnxCd - xS і встановили, що при всіх можливих значеннях х існують два механізми протікання струму. У елементів обох типів за будь-якої температури збільшення концентрації цинку призводить до зниження зворотного струму насичення. У елементів, створюваних методом вакуумного випаровування, зростання напруги холостого ходу, пов'язане з підвищенням концентрації Zn, викликане зменшенням зворотного струму насичення, яке зумовлене головним чином збільшенням ФВ. області межі поділу. Марті-Нуцці та ін. стверджують, що в досліджених ними елементах зростання Voc пов'язане безпосередньо зі збільшенням висоти бар'єру і, отже, зі зменшенням ЕС.

При високій температурі і великій товщині бар'єру щільність струму носіїв заряду, що визначається термічною енергією активації, / 0 / приблизно дорівнює q b / AT p, де Ф /, - висота бар'єру та Атр - діодний коефіцієнт, що відповідає термозмісійно-польовому механізму протікання струму. При низьких температурахі тонких бар'єрах /0/ майже не залежить від температури.

Відповідно до теорії Друде-Лоренца носіями струму в металах є вільні електрони, що пояснює високу електропровідність металів. Іони у процесі протікання струму через метал участі не беруть. Якби це було так, то перебіг струму через метал супроводжувався перенесенням речовини. Насправді цього немає (досвід Рікке).

Основні положення класичної електронної теорії металів :

1. Метали мають кристалічну решітку, у вузлах якої знаходяться позитивні іони (рис.14.1). Ці іони що неспроможні переміщатися кристалом, а відчувають лише невеликі коливання біля своїх положень рівноваги.

2. Між вузлами кристалічних ґрат рухаються вільні електрони, звані електронами провідності .

3. За наявності зовнішнього електричного поля Е на хаотичний рух вільних електронів накладається їхній упорядкований (спрямований) рух – так званий дрейф електронів у певному напрямку.

4. Електрони провідності при своєму русі стикаються з іонами ґрат, зіткнення між електронами провідності не враховується.

5. Зовнішнє поле не впливає на концентрацію носіїв струму та середній час їхнього вільного пробігу.

§ 14.2 Закон Ома та Джоуля-Ленца в класичній електронній теорії

Відповідно до закону рівномірного розподілу енергії за ступенями свободи, на один електрон припадає середня кінетична енергія теплового руху

(k - постійна Больцмана, Т – температура (кожну міру свободи припадає енергія, рівна електрон розглядається як матеріальна точка; отже, вільний електрон володіє трьома ступенями свободи)).

При тепловому русі електрони відчувають зіткнення.

Шлях, що проходить електронами між двома послідовними суверненнями, називають довжиною вільного пробігу <ℓ> (Рис.14.2).

Припустимо, що з кожному зіткненні електрон повністю передає свою енергію іонам грати і початкова швидкість наступного руху електрона дорівнює нулю.

Якщо по провіднику тече постійний струм, то всередині провідника існує електричне поле, напруженістю Е. На кожен електрон з боку електричного поля діє сила F=e E, де е – заряд електрона. Під дією цієї сили електрон набуває прискорення а, яку можна визначити з рівності m e a=еЕ, звідки

(14.1)

(m e – маса електрона).

Якщо < t> – середній час між двома послідовними суударениями, то до кінця вільного пробігу електрон набуває швидкості

(14.2)

Середня швидкість упорядкованого руху електронів

(14.3)

(Початкова швидкість вважається рівною нулю, тому рух рівноприскорений).

Середній час між двома послідовними суударениями можна визначити, якщо знати довжину вільного пробігу і середню швидкість теплового руху < υ τ > :

(14.4)

Взагалі,

, але співвідношення (14.4) справедливе, оскільки було показано, що

Підставивши <ℓ> з (3.99) у формулу (3.98), отримаємо

(14.5)

Підставивши у формулу j = ne < υ > (13.37) , отримаємо

(14.6)

(14. 7)

- питома провідністьматеріалу провідника (величина, обернена до його питомого опору)).

Одиниця питомої провідності – сименс на метр.

З виразу (3.101), що представляє закон Ома, випливає: щільність струму пропорційна напруженості електричного поля, що збігаєтьсяз (3.81).

З формули (3.101) легко отримати закон Ома у вигляді

, для цього її праву та ліву частини треба помножити на S – площу поперечного перерізу провідника. Враховуючи що

, отримуємо

, але

, а

(поле всередині провідника довжиною ℓ вважаємо однорідним); отже,

(14.8)

Сучасному комфорту нашого життя ми завдячуємо саме електричному струму. Він висвітлює наші житла, генеруючи випромінювання у видимому діапазоні світлових хвиль, готує та підігріває їжу в різноманітних пристроях на кшталт електроплиток, мікрохвильових печей, тостерів, позбавляючи нас від необхідності пошуку палива для багаття. Завдяки йому ми швидко переміщуємось у горизонтальній площині в електричках, метро та поїздах, переміщуємось у вертикальної площинина ескалаторах та в кабінах ліфтів. Теплу та комфорту в наших будинках ми зобов'язані саме електричному струму, який тече в кондиціонерах, вентиляторах та електрообігрівачах. Різноманітні електричні машини, що приводяться в дію електричним струмом, полегшують нашу працю як у побуті, так і на виробництві. Воістину ми живемо в електричному столітті, оскільки саме завдяки електричному струму працюють наші комп'ютери та смартфони, Інтернет та телебачення та інші розумні. електронні пристрої. Недарма людство стільки зусиль докладає для вироблення електрики на теплових, атомних та гідроелектростанціях - електрика сама по собі є найзручнішою формою енергії.

Як би це парадоксально не звучало, але ідеї практичного використання електричного струму одними з перших взяла на озброєння найконсервативніша частина суспільства – флотські офіцери. Зрозуміло, пробитися нагору в цій закритій касті було складною справою, важко було довести адміралам, які починали юнгами на вітрильному флоті, необхідність переходу на суцільнометалеві кораблі з паровими двигунами, тому молодші офіцери завжди ставили на нововведення. Саме успіх застосування брандерів під час російсько-турецької війни в 1770 році, які вирішили результат битви в Чесменській бухті, поставив питання про захист портів не тільки береговими батареями, а й сучаснішими на той день засобами захисту - мінними загородженнями.

Розробка підводних мін різних систем велася з початку 19-го століття, найбільш вдалими конструкціямистали автономні міни, які приводять у дію електрикою. У 70-х роках. 19 століття німецьким фізиком Генріхом Герцем було винайдено пристрій для електричної детонації якірних мін з глибиною постановки до 40 м. Її модифікації знайомі нам за історичними фільмами на військово-морську тематику - це сумно відома «рогата» міна, в якій свинцевий «ріг» , Що містить ампулу, наповнену електролітом, змінювався при контакті з корпусом судна, в результаті чого починала працювати найпростіша батарея, енергії якої було достатньо для детонації міни.

Моряки першими оцінили потенціал тоді ще недосконалих потужних джерел світла - модифікацій свічок Яблочкова, у яких джерелом світла служила електрична дуга і розжарений позитивний вугільний електрод, що світиться, - для використання з метою сигналізації та освітлення поля бою. Використання прожекторів давало переважну перевагу стороні, які застосували їх у нічних битвах або просто використовували їх як сигналізації передачі інформації та координації дій морських сполук. А оснащені потужними прожекторами маяки спрощували навігацію у прибережних небезпечних водах.

Не дивно, що саме флот прийняв на ура способи бездротової передачі інформації - моряків не бентежили великі розміри перших радіостанцій, оскільки приміщення кораблів дозволяли розмістити такі досконалі, хоча на той момент і громіздкі пристрої зв'язку.

Електричні машини допомагали спростити заряджання корабельних гармат, а електричні силові агрегати повороту гарматних веж підвищували маневреність нанесення гарматних ударів. Команди, що передаються корабельним телеграфом, підвищували оперативність взаємодії всієї команди, що давало чималу перевагу в бойових зіткненнях.

Найжахливішим застосуванням електричного струму історія флоту було використання рейдерських дизель-електричних підводних човнів класу U Третім Рейхом. Субмарини «Вовчої зграї» Гітлера потопили багато суден транспортного флоту союзників - досить згадати сумну долю конвою PQ-17.

Британським морякам вдалося видобути кілька екземплярів шифрувальних машин «Енігма» (Загадка), а британська розвідка успішно розшифрувала код. Один із видатних учених, який над цим працював – Алан Т'юрінг, відомий своїм внеском у основи інформатики. Отримавши доступ до радіодепеш адмірала Деніца, союзний флот і берегова авіація змогли загнати «Вовчу зграю» назад до берегів Норвегії, Німеччини та Данії, тому операції із застосуванням підводних човнів з 1943 року були обмежені короткостроковими рейдами.

Гітлер планував оснастити свої підводні човни ракетами Фау-2 для атак на східне узбережжя США. На щастя, стрімкі атаки союзників на Західному та Східному фронтах не дозволили цим планам здійснитись.

Сучасний флот немислимий без авіаносців та атомних підводних човнів, енергонезалежність яких забезпечується атомними реакторами, що вдало поєднують у собі технології 19-го століття пари, технології 20-го століття електрики, і атомні технології 21-го століття. Реактори атомоходів генерують електричний струм у кількості, достатньої забезпечення життєдіяльності цілого міста.

Крім цього, моряки знову звернули свою увагу на електрику та апробують застосування рельсотронів. електричних гарматдля стрілянини кінетичними снарядами, що мають величезну руйнівну силу.

Історична довідка

З появою надійних електрохімічних джерел постійного струму, розроблених італійським фізиком Алессандро Вольта, ціла плеяда чудових вчених з різних країнзайнялися дослідженням явищ, пов'язаних з електричним струмом, та розробкою його практичного застосування у багатьох галузях науки та техніки. Досить німецького вченого Георга Ома, який сформулював закон протікання струму для елементарного електричного ланцюга; німецького фізика Густава Роберта Кірхгофа, який розробив методи розрахунку складних електричних кіл; французького фізика Андре Марі Ампера, який відкрив закон взаємодії для постійних електричних струмів. Роботи англійського фізика Джеймса Прескотта Джоуля та російського вченого Еміля Християновича Ленца привели незалежно один від одного до відкриття закону кількісної оцінки теплової дії електричного струму.

Подальшим розвитком дослідження властивостей електричного струму були роботи британського фізика Джеймса Кларка Максвелла, який заклав основи сучасної електродинаміки, нині відомі як рівняння Максвелла. Також Максвелл розробив електромагнітну теорію світла, передбачивши багато явищ (електромагнітні хвилі, тиск електромагнітного випромінювання). Пізніше німецький вчений Генріх Рудольф Герц експериментально підтвердив існування електромагнітних хвиль; його роботи з дослідження відображення, інтерференції, дифракції та поляризації електромагнітних хвиль лягли в основу створення радіо.

Роботи французьких фізиків Жана-Батиста Біо і Фелікса Савара, що експериментально відкрили прояви магнетизму при протіканні постійного струму, і чудового французького математика П'єра-Симона Лапласа, який узагальнив їх результати у вигляді математичної закономірності, вперше пов'язали дві сторони одного явища, започаткувавши електромаг. Естафету від цих вчених прийняв геніальний британський фізик Майкл Фарадей, який відкрив явище електромагнітної індукції і започаткував сучасну електротехніку.

Величезний внесок у пояснення природи електричного струму зробив нідерландський фізик-теоретик Хендрік Антон Лоренц, який створив класичну електронну теорію і отримав вираз для сили, що діє на заряд, що рухається, з боку електро магнітного поля.

Електричний струм. Визначення

Електричний струм- Спрямований (упорядкований) рух заряджених частинок. Внаслідок цього струм визначається як кількість зарядів, що пройшов через переріз провідника в одиницю часу:

I = q/t де q – заряд у кулонах, t – час у секундах, I – струм у амперах

Інше визначення електричного струму пов'язане з властивостями провідників та описується законом Ома:

I = U/R де U - напруга у вольтах, R - опір в омах, I - струм в амперах

Електричний струм вимірюється в амперах (А) та його десяткових кратних і дольних одиницях - наноамперах (мільярдна частка ампера, нА), мікроамперах (мільйонна частка ампера, мкА), міліамперах (тисячна частка ампера, мА), кілоамперах (тисячах ампер, та мегаамперах (мільйонах ампер, МА).

Розмірність струму в системі СІ визначається як

[А] = [Кл] / [сек]

Особливості протікання електричного струму у різних середовищах. Фізика явищ

Електричний струм у твердих тілах: металах, напівпровідниках та діелектриках

Під час розгляду питання протікання електричного струму слід враховувати наявність різних носіїв струму - елементарних зарядів - притаманних даного фізичного стану речовини. Сама по собі речовина може бути твердою, рідкою або газоподібною. Унікальним прикладом таких станів, що спостерігаються у звичайних умовах, можуть бути стани дигідрогена монооксиду, або, інакше, гідроксиду водню, а просто - звичайної води. Ми спостерігаємо її тверду фазу, дістаючи шматочки льоду з морозильника для охолодження напоїв, основою для більшості є вода в рідкому стані. А при заварці чаю або розчинної кави ми заливаємо його окропом, причому готовність останнього контролюється появою туману, що складається з крапельок води, яка конденсується в холодному повітрі з газоподібної водяної пари, що виходить з носика чайника.

Існує також четвертий стан речовини, що називається плазмою, з якої складаються верхні шари зірок, іоносфера Землі, полум'я, електрична дуга та речовина в люмінесцентних лампах. Високотемпературна плазма важко відтворюється в умовах земних лабораторій, оскільки вимагає дуже високих температур - більше 1 000 000 K.

З погляду структури тверді тіла поділяються на кристалічні та аморфні. Кристалічні речовини мають упорядковану геометричну структуру; атоми або молекули такої речовини утворюють своєрідні об'ємні або плоскі ґрати; до кристалічних матеріалів відносяться метали, їх сплави та напівпровідники. Та ж вода у вигляді сніжинок (кристалів різноманітних форм, що не повторюють) чудово ілюструє уявлення про кристалічні речовини. Аморфні речовини кристалічних ґрат не мають; така будова характерна для діелектриків.

У звичайних умовах струм у твердих матеріалівпротікає рахунок переміщення вільних електронів, що утворюються з валентних електронів атомів. З погляду поведінки матеріалів під час пропускання через них електричного струму, останні поділяються на провідники, напівпровідники та ізолятори. Властивості різних матеріалів, Відповідно до зонної теорії провідності, визначаються шириною забороненої зони, в якій не можуть знаходитися електрони. Ізолятори мають найширшу заборонену зону, що іноді досягає 15 еВ. При температурі абсолютного нуля в ізоляторів і напівпровідників електронів у зоні провідності немає, але при кімнатній температурі в ній вже буде кілька електронів, вибитих з валентної зони за рахунок теплової енергії. У провідниках (металах) зона провідності та валентна зона перекриваються, тому при температурі абсолютного нуля є досить велика кількість електронів - провідників струму, що зберігається і при більш високих температурах матеріалів, аж до повного розплавлення. Напівпровідники мають невеликі заборонені зони, і їхня здатність проводити електричний струм залежить від температури, радіації та інших факторів, а також від наявності домішок.

Окремим випадком вважається протікання електричного струму через звані надпровідники - матеріали, мають нульовий опір протіканню струму. Електрони провідності таких матеріалів утворюють ансамблі частинок, пов'язані між собою рахунок квантових ефектів.

Ізолятори, як випливає з їхньої назви, вкрай погано проводять електричний струм. Ця властивість ізоляторів використовується для обмеження протікання струму між поверхнями різних матеріалів, що проводять.

Крім існування струмів у провідниках при постійному магнітному полі, за наявності змінного струмуі пов'язаного з ним змінного магнітного поля виникають ефекти, пов'язані з його зміною або так звані вихрові струми, інакше звані струмами Фуко. Чим швидше змінюється магнітний потік, тим сильніше вихрові струми, які не течуть певними шляхами у проводах, а, замикаючись у провіднику, утворюють вихрові контури.

Вихрові струми виявляють скін-ефект, який зводиться до того, що змінний електричний струм і магнітний потік поширюються в основному в поверхневому шарі провідника, що призводить до втрат енергії. Для зменшення втрат енергії на вихрові струми застосовують поділ магнітопроводів змінного струму на окремі, електрично ізольовані пластини.

Електричний струм у рідинах (електролітах)

Усі рідини, тією чи іншою мірою, здатні проводити електричний струм при застосуванні електричної напруги. Такі рідини називають електролітами. Носіями струму в них є позитивно та негативно заряджені іони - відповідно катіони та аніони, які існують у розчині речовин внаслідок електролітичної дисоціації. Струм в електролітах за рахунок переміщення іонів, на відміну від струму за рахунок переміщення електронів, характерного для металів, супроводжується перенесенням речовини до електродів з утворенням поблизу них нових хімічних сполук або осадженням цих речовин або нових сполук на електродах.

Це явище заклало основу сучасної електрохімії, давши кількісні визначення грам-еквівалентам різних хімічних речовин, тим самим перетворивши неорганічну хімію на точну науку. Подальший розвиток хімії електролітів дозволив створити одноразово заряджувані та перезаряджувані джерела хімічного струму (сухі батареї, акумулятори та паливні елементи), які, у свою чергу, дали величезний поштовх у розвитку техніки. Достатньо заглянути під капот свого автомобіля, щоб побачити результати зусиль поколінь вчених та інженерів-хіміків у вигляді автомобільного акумулятора.

Велика кількість технологічних процесів, заснованих на протіканні струму в електролітах, дозволяє не лише надати ефектного вигляду кінцевим виробам (хромування та нікелювання), а й захистити їх від корозії. Процеси електрохімічного осадження та електрохімічного травлення становлять основу виробництва сучасної електроніки. Нині це найзатребуваніші технологічні процеси, число компонентів, що виготовляються за цими технологіями, обчислюється десятками мільярдів одиниць на рік.

Електричний струм у газах

Електричний струм у газах обумовлений наявністю у них вільних електронів та іонів. Для газів, з їхньої розрідженості, характерна велика довжина пробігу до зіткнення молекул та іонів; через це перебіг струму в нормальних умовах через них відносно утруднений. Те саме можна стверджувати щодо сумішей газів. Природною сумішшю газів є атмосферне повітря, яке в електротехніці вважається непоганим ізолятором. Це характерно і для інших газів та їх сумішей за звичайних фізичних умов.

Протікання струму в газах дуже залежить від різних фізичних чинників, як-то: тиску, температури, складу суміші. Крім цього, дію надають різноманітні іонізуючі випромінювання. Так, наприклад, будучи освітленими ультрафіолетовими або рентгенівськими променями, або перебуваючи під дією катодних або анодних частинок або частинок, що випускаються радіоактивними речовинами, або, нарешті, під дією високої температури, гази набувають властивість краще проводити електричний струм.

Ендотермічний процес утворення іонів внаслідок поглинання енергії електрично нейтральними атомами чи молекулами газу називається іонізацією. Отримавши достатню енергію, електрон або кілька зовнішніх електронів електронної оболонки, долаючи потенційний бар'єр, залишають атом чи молекулу, стаючи вільними електронами. Атом чи молекула газу стають у своїй позитивно зарядженими іонами. Вільні електрони можуть приєднуватися до нейтральних атомів або молекул, утворюючи негативно заряджені іони. Позитивні іони можуть назад захоплювати вільні електрони під час зіткнення, стаючи у своїй знову електрично нейтральними. Цей процес називається рекомбінацією.

Проходження струму через газове середовище супроводжується зміною стану газу, що зумовлює складний характер залежності струму від прикладеної напруги і, загалом, підпорядковується закону Ома лише за малих струмів.

Розрізняють несамостійний та самостійні розряди в газах. При несамостійному розряді струм у газі існує тільки за наявності зовнішніх іонізуючих факторів, за їх відсутності скільки-небудь значного струму в газі немає. При самостійному розряді струм підтримується рахунок ударної іонізації нейтральних атомів і молекул при зіткненні з прискореними електричним полем вільними електронами і іонами навіть після зняття зовнішніх іонізуючих впливів.

Несамостійний розряд при малому значенні різниці потенціалів між анодом та катодом у газі називається тихим розрядом. При підвищенні напруги сила струму спочатку збільшується пропорційно до напруги (ділянка ОА на вольт-амперній характеристиці тихого розряду), потім зростання струму уповільнюється (ділянка кривої АВ). Коли всі частинки, що виникли під дією іонізатора, йдуть за той же час на катод і анод, посилення струму зі зростанням напруги не відбувається (ділянка графіка ВС). При подальшому підвищенні напруги струм знову зростає, і тихий розряд перетворюється на несамостійний лавинний розряд. Різновид несамостійного розряду - розряд, що тліє, який створює світло в газорозрядних лампах різного кольорута призначення.

Перехід несамостійного електричного розряду в газі до самостійного розряду характеризується різким збільшенням струму (точка Е на кривій вольт-амперної характеристики). Він називається електричним пробоєм газу.

Всі перераховані вище типи розрядів відносяться до типів розрядів, що встановилися, основні характеристики яких не залежать від часу. Крім розрядів, що існують, існують розряди невстановлені, що виникають зазвичай в сильних неоднорідних електричних полях, наприклад у загострених і викривлених поверхонь провідників і електродів. Розрізняють два типи розрядів: коронний і іскровий розряди.

При коронному розряді іонізація не призводить до пробою, просто він є повторюваним процесом підпалу несамостійного розряду в обмеженому просторі біля провідників. Прикладом коронного розряду може бути світіння атмосферного повітря поблизу високо піднятих антен, громовідводів або високовольтних ліній електропередач. Виникнення коронного розряду на лініях електропередач призводить до втрат електроенергії. У давні часи це свічення на верхівках щогл було знайоме морякам вітрильного флоту як вогники святого Ельма. Коронний розряд застосовується в лазерних принтерівта електрографічних копіювальних пристроях, де він формується коротроном - металевою струною, на яку подано висока напруга. Це необхідно для іонізації газу з метою заряду на фоточутливий барабан. У разі коронний розряд приносить користь.

Іскровий розряд, на відміну коронного, призводить до пробою і має вигляд переривчастих яскравих розгалужуваних, заповнених іонізованим газомниток-каналів, що виникають і зникають, що супроводжуються виділенням великої кількостітеплоти та яскравим світінням. Прикладом природного іскрового розряду може бути блискавка, де струм може досягати значень десятки кілоампер. Освіта власне блискавки передує створення каналу провідності, так званого низхідного «темного» лідера, що утворює спільно з індукованим висхідним лідером провідний канал. Блискавка є зазвичай багаторазовий іскровий розряд в утвореному каналі провідності. Потужний іскровий розряд знайшов своє технічне застосування також і в компактних спалахах, в яких розряд відбувається між електродами трубки з кварцового скла, наповненою сумішшю іонізованих шляхетних газів.

Тривалий підтримуваний пробою газу носить назву дугового розряду і застосовується у зварювальній техніці, що є наріжним каменем технологій створення сталевих конструкційнашого часу, від хмарочосів до авіаносців та автомобілів. Він застосовується як зварювання, так різання металів; Відмінність у процесах обумовлено силою струму, що протікає. При відносно менших значеннях струму відбувається зварювання металів, при більш високих значеннях струму дугового розряду йде різка металу за рахунок видалення розплавленого металу з-під електричної дуги різними методами.

Іншим застосуванням дугового розряду в газах є газорозрядні лампи освітлення, які розганяють пітьму на наших вулицях, площах і стадіонах (натрієві лампи) або автомобільні галогенні лампи, які зараз замінили звичайні лампи розжарювання в автомобільних фарах.

Електричний струм у вакуумі

Вакуум є ідеальним діелектриком, тому електричний струм у вакуумі можливий лише за наявності вільних носіїв у вигляді електронів або іонів, які генеруються за рахунок термо- або фотоемісії, або іншими методами.

Основним методом отримання струму у вакуумі рахунок електронів є метод термоелектронної емісії електронів металами. Навколо розігрітого електрода, званого катодом, утворюється хмара з вільних електронів, які забезпечують протікання електричного струму за наявності другого електрода, званого анодом, за умови наявності між ними відповідної напруги необхідної полярності. Такі електровакуумні прилади називаються діодами і мають властивість односторонньої провідності струму, замикаючись при зворотній напрузі. Ця властивість застосовується для випрямлення змінного струму, що перетворюється системою з діодів імпульсний струмпостійного спрямування.

Додавання додаткового електрода, званого сіткою, розташованої поблизу катода, дозволяє отримати підсилювальний елемент тріод, в якому малі зміни напруги на сітці щодо катода дозволяють отримати значні зміни струму, що протікає, і, відповідно, значні зміни напруги на навантаженні, включеної послідовно з лампою щодо джерела живлення що використовується для посилення різних сигналів.

Застосування електровакуумних приладів у вигляді тріодів та приладів з великою кількістю сіток різного призначення (тетродів, пентодів і навіть гептодів), зробило революцію у справі генерації та посилення радіочастотних сигналів, і призвело до створення сучасних системрадіо та телемовлення.

Історично першим був розвиток саме радіомовлення, оскільки методи перетворення щодо низькочастотних сигналів та його передача, як і схемотехніка приймальних пристроїв із посиленням і перетворенням радіочастоти і перетворенням їх у акустичний сигнал були щодо прості.

Під час створення телебачення перетворення оптичних сигналів застосовувалися електровакуумні прилади - іконоскопи, де електрони емітувалися рахунок фотоемісії від падаючого світла. Подальше посилення сигналу виконувалось підсилювачами на електронних лампах. Для зворотного перетворення телевізійного сигналу служили кінескопи, що дають зображення рахунок флюоресценції матеріалу екрану під впливом електронів, розганяються до високих енергій під впливом напруги. Синхронізована система зчитування сигналів іконоскопа та система розгортки зображення кінескопа створювали телевізійне зображення. Перші кінескопи були монохромними.

Надалі були створені системи кольорового телебачення, в якому іконоскопи, що зчитують зображення, реагували тільки на свій колір (червоний, синій або зелений). Випромінювальні елементи кінескопів (кольоровий люмінофор), за рахунок протікання струму, що виробляється так званими «електронними гарматами», реагуючи на влучення в них прискорених електронів, випромінювали світло в певному діапазоні відповідної інтенсивності. Щоб промені від гармат кожного кольору потрапляли на свій люмінофор, використовували спеціальні маски, що екранують.

Сучасна апаратура телебачення і радіомовлення виконується більш прогресивних елементах з меншим енергоспоживанням - напівпровідниках.

Одним з широко поширених методів отримання зображення внутрішніх органів є метод рентгеноскопії, при якому електрони, що емітуються катодом, отримують настільки значне прискорення, що при попаданні на анод генерують рентгенівське випромінювання, здатне проникати через м'які тканинитіла людини. Рентгенограми дають до рук медиків унікальну інформацію про пошкодження кісток, стан зубів та деяких внутрішніх органів, виявляючи навіть таке грізне захворювання, як рак легенів.

Взагалі, електричні струми, сформовані в результаті руху електронів у вакуумі, мають найширшу область застосування, до якої відносяться всі без винятку радіолампи, прискорювачі заряджених частинок, мас-спектрометри, електронні мікроскопи, вакуумні генератори надвисокої частоти, у вигляді ламп хвилі, що біжить, клістронів і магнетронів. Саме магнетрони, до речі, підігрівають чи готують нам їжу у мікрохвильових печах.

Велике значення в Останнім часоммає технологію нанесення плівкових покриттів у вакуумі, які відіграють роль як захисно-декоративного, так і функціонального покриття. В якості таких покриттів застосовуються покриття металами та їх сплавами та їх сполуками з киснем, азотом і вуглецем. Такі покриття змінюють електричні, оптичні, механічні, магнітні, корозійні та каталітичні властивості поверхонь, що покриваються, або поєднують відразу кілька властивостей.

Складний хімічний складпокриттів можна отримувати тільки з використанням техніки іонного розпилення у вакуумі, різновидами якої є катодне розпилення або його промислова модифікація - магнетронне розпилення. В кінцевому рахунку саме електричний струмза рахунок іонів виробляє осадження компонентів на поверхню, що осаджується, надаючи їй нові властивості.

Саме таким способом можна отримувати так звані іонні реактивні покриття (плівки нітридів, карбідів, оксидів металів), що володіють комплексом екстраординарних механічних, теплофізичних та оптичних властивостей (з високою твердістю, зносостійкістю, електро- та теплопровідністю, оптичною щільністю), які неможливо отримати іншими методами .

Електричний струм у біології та медицині

Знання поведінки струмів у біологічних об'єктах дає до рук біологів та медиків потужний метод дослідження, діагностики та лікування.

З погляду електрохімії, всі біологічні об'єкти містять електроліти, незалежно від особливостей структури даного об'єкта.

При розгляді протікання струму через біологічні об'єкти необхідно враховувати їхню клітинну будову. Істотним елементом клітини є клітинна мембрана – зовнішня оболонка, що захищає клітину від впливу несприятливих факторів. довкілляза рахунок її виборчої проникності для різних речовин. З погляду фізики, клітинну мембрану можна уявити у вигляді паралельного з'єднанняконденсатора та кількох ланцюжків із з'єднаних послідовно джерела струму та резистора. Це визначає залежність електропровідності біологічного матеріалу від частоти напруги, що додається, і форми його коливань.

Біологічна тканина складається з клітин власне органу, міжклітинної рідини (лімфи), кровоносних судин та нервових клітин. Останні у відповідь на вплив електричного струму відповідають збудженням, змушуючи скорочуватися та розслаблятися м'язи та кровоносні судини тварини. Слід зазначити, що перебіг струму в біологічній тканині має нелінійний характер.

Класичним прикладом впливу електричного струму на біологічний об'єкт можуть бути досліди італійського лікаря, анатома, фізіолога та фізика Луїджі Гальвані, який став одним із засновників електрофізіології. У його дослідах пропускання електричного струму через нерви лапки жаби призводило до скорочення м'язів та посмикування ніжки. У 1791 році в «Трактаті про сили електрики при м'язовому русі» було описано зроблене Гальвані знамените відкриття. Самі явища, відкриті Гальвані, довгий час у підручниках та наукових статтях називалися «гальванізмом». Цей термін і досі зберігається у назві деяких апаратів та процесів.

Подальший розвиток електрофізіології був із нейрофізіологією. У 1875 незалежно один від одного англійський хірург і фізіолог Річард Кетон і російський фізіолог В. Я. Данилевський показали, що мозок є генератором електричної активності, тобто були відкриті біоструми мозку.

Біологічні об'єкти під час своєї життєдіяльності створюють як мікроструми, а й великі напруги і струми. Значно раніше Гальвані англійський анатом Джон Волш довів електричну природу удару ската, а шотландський хірург і анатом Джон Хантер дав точний опис електричного органу цієї тварини. Дослідження Уолша та Хантера були опубліковані у 1773 році.

У сучасній біології та медицині застосовуються різні методидослідження живих організмів, як інвазивні, і неинвазивные.

Класичним прикладом інвазивних методів є лабораторна щур з пучком імплантованих в мозок електродів, що бігає по лабіринтах або вирішує інші завдання, поставлені перед нею вченими.

До неінвазивних методів належать такі, всім знайомі дослідження, як зняття енцефалограми чи електрокардіограми. При цьому електроди, які зчитують біоструми серця або мозку, знімають струми прямо зі шкіри обстежуваного. Для поліпшення контакту з електродами шкіра змочується фізіологічним розчином, який є непоганим електролітом.

Крім застосування електричного струму при наукових дослідженняхі технічному контролі стану різних хімічних процесів і реакцій, одним із найдраматичніших моментів його застосування, відомого широкому загалу, є запуск «зупиненого» серця будь-якого героя сучасного фільму.

Дійсно, протікання короткочасного імпульсу значного струму лише в поодиноких випадках здатне запустити серце, що зупинилося. Найчастіше відбувається відновлення його нормального ритму стану хаотичних судомних скорочень, званого фібриляцією серця. Прилади, які застосовуються відновлення нормального ритму скорочень серця, називаються дефібриляторами. Сучасний автоматичний дефібрилятор сам знімає кардіограму, визначає фібриляцію шлуночків серця і самостійно вирішує - бити струмом або не бити - можливо достатньо пропустити через серце невеликий імпульс, що запускає. Існує тенденція встановлення автоматичних дефібриляторів у громадських місцях, що може суттєво скоротити кількість смертей через несподівану зупинку серця.

У практикуючих лікарів швидкої допомоги не виникає жодного сумніву щодо застосування методу дефібриляції – навчені швидко визначати фізичний стан пацієнта за кардіограмою, вони приймають рішення значно швидше за автоматичний дефібрилятор, призначений для широкої публіки.

Тут же доречно буде згадати про штучних водіїв серцевого ритму, інакше званих кардіостимуляторами. Ці прилади вживлюються під шкіру чи під грудний м'язлюдини, і такий апарат через електроди подає на міокард (серцевий м'яз) імпульси струму напругою близько 3 В, стимулюючи нормальну роботусерця. Сучасні електрокардіостимулятори здатні забезпечити безперебійну роботу протягом 6-14 років.

Характеристики електричного струму, його генерація та застосування

Електричний струм характеризується величиною та формою. За його поведінкою з часом розрізняють постійний струм (не змінюється з часом), аперіодичний струм (довільно змінюється з часом) і змінний струм (змінюється з часом за певним, як правило, періодичному закону). Іноді для вирішення різних завдань потрібна одночасна наявність постійного та змінного струму. У такому разі говорять про змінний струм із постійною складовою.

Історично першим з'явився трибоелектричний генератор струму, який виробляв струм за рахунок тертя вовни об шматок бурштину. Найдосконаліші генератори струму такого типу зараз називаються генераторами Ван де Граафа, на ім'я винахідника першого технічного рішення таких машин.

Як зазначалося вище, італійським фізиком Алессандро Вольта був винайдений електрохімічний генератор постійного струму, який став попередником сухих батарей, акумуляторів та паливних елементів, які ми користуємося і досі як зручними джерелами струму для різноманітних пристроїв - від наручного годинникаі смартфонів до просто автомобільних акумуляторівта тягових акумуляторів електромобілів Tesla.

Крім цих генераторів постійного струму, існують генератори струму на прямому ядерному розпаді ізотопів і магнітогідродинамічні генератори (МГД-генератори) струму, які поки що мають обмежене застосування через свою малопотужність, слабку технологічну основу. широкого застосуваннята з інших причин. Тим не менш, радіоізотопні джерела енергії широко застосовуються там, де потрібна повна автономність: у космосі, на глибоководних апаратах та гідроакустичних станціях, на маяках, бакенах, а також на Крайній Півночі, в Арктиці та Антарктиці.

У електротехніці генератори струму поділяються на генератори постійного струму та генератори змінного струму.

Всі ці генератори засновані на явищі електромагнітної індукції, відкритій Майклом Фарадеєм у 1831 році. Фарадей збудував перший малопотужний уніполярний генератор, що дає постійний струм. Перший генератор змінного струму було запропоновано анонімним автором під латинськими ініціалами Р.М. у листі до Фарадею у 1832 році. Після опублікування листа Фарадей отримав Лист-подякавід того ж аноніма зі схемою вдосконаленого генератора в 1833, в якому використовувалося додаткове сталеве кільце (ярмо) для замикання магнітних потоків сердечників обмоток.

Однак у той час для змінного струму ще не знайшлося застосування, тому що для всіх практичних застосувань електрики того часу (мінна електротехніка, електрохімія, електромагнітна телеграфія, що тільки що зародилася, перші електродвигуни) був потрібен постійний струм. Тому в подальшому винахідники направили свої зусилля на побудову генераторів, що дають постійний електричний струм, розробляючи для цього різноманітні комутаційні пристрої.

Одним із перших генераторів, що отримав практичне застосування, Був магнітоелектричний генератор російського академіка Б. С. Якобі. Цей генератор був прийнятий на озброєння гальванічних команд російської армії, які використовували його для займання мінних запалів. Покращені модифікації генератора Якобі досі використовуються для віддаленого приведення в дію мінних зарядів, що знайшло широке відображення у військово-історичних фільмах, де диверсанти або партизани підривають мости, потяги або інші об'єкти.

Надалі боротьба між генерацією постійного чи змінного струму зі змінним успіхом велася серед винахідників та інженерів-практиків, що призвела до апогею протистояння титанів сучасної електроенергетики: Томаса Едісона з компанією Дженерал Електрик з одного боку, та Миколою Тесла з компанією Вестингауз. Переміг потужний капітал, і розробки Тесла в галузі генерації, передачі та трансформації змінного електричного струму стали загальнонаціональним надбанням американського суспільства, що значною мірою пізніше сприяло технологічному домінуванню США.

Крім власне генерації електрики для різноманітних потреб, заснованої на перетворенні механічного руху на електрику, за рахунок оборотності електричних машин з'явилася можливість зворотного перетворення електричного струму в механічний рух, що реалізується електродвигунами постійного та змінного струму. Мабуть, це найпоширеніші машини сучасності, що включають стартери автомобілів і мотоциклів, приводи промислових верстатів і різноманітних побутових пристроїв. Використовуючи різні модифікаціїподібних пристроїв, ми стали майстрами на всі руки, ми вміємо стругати, пиляти, свердлити та фрезерувати. А в наших комп'ютерах завдяки мініатюрним прецизійним двигунам постійного струму крутяться приводи жорстких і оптичних дисків.

Крім звичних електромеханічних двигунів, рахунок протікання електричного струму працюють іонні двигуни, використовують принцип реактивного руху при викиді прискорених іонів речовини, Поки, переважно, застосовуються у космічному просторі на малих супутниках виведення їх у потрібні орбіти. А фотонні двигуни 22-го століття, які існують поки що лише в проекті і які понесуть наші майбутні міжзоряні кораблі із субсвітловою швидкістю, швидше за все, теж працюватимуть на електричному струмі.

Для створення електронних елементіві при вирощуванні кристалів різного призначення з технологічних причин потрібні надстабільні генератори постійного струму. Такі прецизійні генератори постійного струму на електронних компонентах називають стабілізаторами струму.

Вимірювання електричного струму

Необхідно відзначити, що прилади для вимірювання струму (мікроамперметри, міліамперметри, амперметри) дуже відрізняються один від одного в першу чергу за типом конструкцій та принципами дії - це можуть бути прилади постійного струму, змінного струму низької частоти та змінного струму високої частоти.

За принципом дії розрізняють електромеханічні, магнітоелектричні, електромагнітні, магнітодинамічні, електродинамічні, індукційні, термоелектричні та електронні прилади. Більшість стрілочних приладів для вимірювання струмів складається з комбінації рухомої/нерухомої рамки з намотаною котушкою та нерухомого/рухомого магнітів. Внаслідок такої конструкції типовий амперметр має еквівалентну схему із послідовно з'єднаних індуктивності та опору, шунтованих ємністю. Через це частотна характеристика стрілочних амперметрів має завал за високими частотами.

Основою для них є мініатюрний гальванометр, а різні межі вимірювання досягаються застосуванням додаткових шунтів - резисторів з малим опором, що на порядки нижче за опір вимірювального гальванометра. Таким чином, на основі одного приладу можуть бути створені прилади для вимірювання струмів різних діапазонів – мікроамперметри, міліамперметри, амперметри та навіть кілоамперметри.

Взагалі, у вимірювальній практиці важлива поведінка вимірюваного струму - він може бути функцією часу та мати різну форму- бути постійним, гармонійним, негармонічним, імпульсним тощо, та її величиною прийнято характеризувати режими робіт радіотехнічних ланцюгів і устройств. Розрізняють такі значення струмів:

• миттєве,
• амплітудне,
• середня,
• середньоквадратичне (діє).

Миттєве значення струму I i - це значення струму у певний момент часу. Його можна спостерігати на екрані осцилографа та визначати для кожного моменту часу по осцилограмі.

Амплітудне (пікове) значення струму I m – це найбільше миттєве значення струму за період.

Середнє квадратичне (діюче) значення струму I визначається як квадратний корінь із середнього за період квадрата миттєвих значеньструму.

Усі стрілочні амперметри зазвичай градує у середньоквадратичних значеннях струму.

Середнє значення (постійна складова) струму - це середнє арифметичне всіх його миттєвих значень за час виміру.

Різниця між максимальним та мінімальним значеннями струму сигналу називають розмахом сигналу.

Зараз, в основному, для вимірювання струму використовуються як багатофункціональні цифрові прилади, так і осцилографи - на екранах їх відображається не тільки форманапруги/струму, а й суттєві характеристикисигналу. До таких характеристик відноситься і частота зміни періодичних сигналів, тому в техніці вимірювань важлива частотна межа вимірювання приладу.

Вимірювання струму за допомогою осцилографа

Ілюстрацією до вищесказаного буде серія дослідів із вимірювання діючого та пікового значення струму синусоїдального та трикутного сигналів з використанням генератора сигналів, осцилографа та багатофункціонального цифрового приладу (мультиметра).

Загальна схема експерименту №1 представлена ​​нижче:

Генератор сигналів (FG) навантажений на послідовне з'єднаннямультиметра (MM), опір шунта R s = 100 Ом та опір навантаження R в 1 кОм. Осцилограф OS підключений паралельно опору шунта R s. Значення опору шунта вибирається із умови R s<

Досвід 1

Подамо на опір навантаження сигнал синусоїдальної форми з генератора частотою 60 Герц і амплітудою 9 Вольт. Натиснемо дуже зручну кнопку Auto Set і спостерігатимемо на екрані сигнал, показаний на рис. 1. Розмах сигналу - близько п'яти великих поділок за ціною розподілу 200 мВ. Мультиметр показує значення струму в 3,1 мА. Осцилограф визначає середньоквадратичне значення напруги сигналу на вимірювальному резисторі U=312 мВ. Чинне значення струму через резистор R s визначається за законом Ома:

I RMS = U RMS / R = 0,31 В / 100 Ом = 3,1 мА,

що відповідає показанням мультиметра (3,10 мА). Зазначимо, що розмах струму через наш ланцюг із включених послідовно двох резисторів та мультиметра дорівнює

I P-P = U P-P / R = 0,89 В / 100 Ом = 8,9 мА

Відомо, що пікове та діюче значення струму та напруги для синусоїдального сигналу відрізняються у √2 разів. Якщо помножити I RMS = 3,1 мА на √2 отримаємо 4,38. Подвоїмо це значення і ми отримаємо 8,8 мА, що майже відповідає струму, виміряному за допомогою осцилографа (8,9 мА).

Досвід 2

Зменшимо сигнал від генератора вдвічі. Розмах зображення на осцилографі зменшиться приблизно вдвічі (464 мВ) і мультиметр покаже приблизно зменшене вдвічі значення струму 1,55 мА. Визначимо показання діючого значення струму на осцилографі:

I RMS = U RMS / R = 0,152 В / 100 Ом = 1,52 мА,

що приблизно відповідає показанням мультиметра (1,55 мА).

Досвід 3

Збільшимо частоту генератора до 10 кГц. При цьому зображення на осцилографі зміниться, але розмах сигналу залишиться колишнім, а показання мультиметра зменшаться - дається взнаки допустимий робочий частотний діапазон мультиметра.

Досвід 4

Повернемося до вихідної частоти 60 Герц і напрузі 9 В генератора сигналів, але змінимо формуйого сигналу з синусоїдальної на трикутну. Розмах зображення на осцилографі залишився незмінним, а показання мультиметра зменшилися в порівнянні зі значенням струму, яке він показував у досвіді №1, оскільки змінилося чинне значенняструму сигналу. Осцилограф також показує зменшення середньоквадратичного значення напруги, виміряного на резисторі R s =100 Ом.

Техніка безпеки при вимірюванні струму та напруги

Саморобний п'єдестал-стійка з повнофункціональним телесуфлером та моніторами для домашньої відеостудії.

• Оскільки залежно від класу безпеки приміщення та його стану при вимірюванні струмів навіть відносно невисока напруга рівня 12–36 В можуть становити небезпеку для життя, необхідно виконувати такі правила:
• Не проводити вимірювання струмів, які потребують певних професійних навичок (при напрузі понад 1000 В).
• Не проводити вимірювання струмів у важкодоступних місцях або на висоті.
• При вимірюваннях у побутовій мережі застосовувати спеціальні засоби захисту від ураження електричним струмом (гумові рукавички, килимки, чоботи чи боти).
• Використовувати справний вимірювальний інструмент.
• У разі використання багатофункціональних приладів (мультиметрів) слідкувати за правильною установкою вимірюваного параметра та його величини перед вимірюванням.
• Використовувати вимірювальний прилад зі справними щупами.
• Строго дотримуватися рекомендацій виробника щодо використання вимірювального приладу.

Електричний струм у різних середовищах

Електричний струм у металах. Носіями зарядів є позитивні іони та електрони. Рекомбінація заряджених частинок. Самостійний електричний розряд. Електричний струм у напівпровідниках.

Міністерство освіти та науки РФ

Федеральна Державна бюджетна освітня установа

вищої професійної освіти

"Південно-Уральський державний університет" (НДУ)

Гірничо-керамічний коледж

Реферат на тему:

« Електричний струм у різних середовищах»

з дисципліни: «Фізика»

Керівник, викладач

Ілянкіна О.М.

студент групи 10_

Фіо___________

2012 р.

1. . Електричний струм у газах
2. . Електричний струм у напівпровідника.
3. Електричний струм у вакуумі
4. Електричний струм у металах
5. бібліографічний список

Електричний струм у газах

У нормальних умовах газ - це діелектрик, тобто. складається з нейтральних атомів і молекул і містить вільних носіїв эл.тока.
Газ-провідник – це іонізований газ. Іонізований газ має електронно-іонну провідність.

Повітря є діелектриком в лініях електропередач, повітряних конденсаторах, контактних вимикачах.

Повітря є провідником у разі виникнення блискавки, електричної іскри, у разі виникнення зварювальної дуги.

Іонізація газу

Це розпад нейтральних атомів чи молекул на позитивні іони та електрони шляхом відриву електронів від атомів. Іонізація відбувається при нагріванні газу або дії випромінювань (УФ, рентген, радіоактивне) і пояснюється розпадом атомів та молекул при зіткненнях на високих швидкостях.

Газовий розряд

Це ел.ток в іонізованих газах.
Носіями зарядів є позитивні іони та електрони. p align="justify"> Газовий розряд спостерігається в газорозрядних трубках (лампах) при впливі електричного або магнітного поля.

Рекомбінація заряджених частинок

- газ перестає бути провідником, якщо іонізація припиняється, це відбувається через рекомбінацію (возз'єднання протилежно заряджених частинок).

Існує самостійний та несамостійний газовий розряд.

Несамостійний електричний розряд.Досвід показує, що дві різноіменно заряджені пластини, розділені шаром повітря, не розряджаються.
Зазвичай речовина в газоподібному стані є ізолятором, оскільки атоми або молекули, з яких воно складається, містять однакову кількість негативних і позитивних електричних зарядів і загалом нейтральні.
Внесемо у простір між пластинами полум'я сірника чи спиртування (рис. 164).

При цьому електрометр почне швидко розряджатися. Отже, повітря під дією полум'я стало провідником. При винесенні полум'я із простору між пластинами розряд електрометра припиняється. Такий результат можна отримати, опромінюючи пластини світлом електричної дуги. Ці досліди доводять, що може стати провідником електричного струму.
Явище проходження електричного струму через газ, що спостерігається лише за умови якогось зовнішнього впливу, називаєтьсянесамостійним електричним розрядом.

Термічна іонізація.Нагрівання газу робить його провідником електричного струму, оскільки частина атомів чи молекул газу перетворюється на заряджені іони.
Для відриву електрона від атома необхідно здійснити роботу проти сил кулонівського тяжіння між позитивно зарядженим ядром та негативним електроном. Процес відриву електрона від атома називаєтьсяіонізацією атома.Мінімальна енергія, яку необхідно витратити для відриву електрона від атома чи молекули, називаєтьсяенергією зв'язку.
Електрон може бути відірваний від атома при зіткненні двох атомів, якщо їхня кінетична енергія перевищує енергію зв'язку електрона. Кінетична енергія теплового руху атомів або молекул прямо пропорційна абсолютній температурі, тому з підвищенням температури газу збільшується кількість зіткнень атомів або молекул, що супроводжуються іонізацією.
Процес виникнення вільних електронів і позитивних іонів внаслідок зіткнень атомів та молекул газу за високої температури називаєтьсятермічною іонізацією.

Плазма. Газ, у якому значна частина атомів або молекул іонізована, називаєтьсяплазмою. Ступінь термічної іонізації плазми залежить від температури. Наприклад, при температурі 10 000 К іонізовано менше 10 % загальної кількості атомів водню, при температурі вище 20 000 К водень практично повністю іонізовано.
Електрони та іони плазми можуть рухатися під дією електричного поля. Таким чином, за низьких температур газ є ізолятором, при високих температурах перетворюється на плазму і стає провідником електричного струму.

Фотоіонізація. Енергія, необхідна відриву електрона від атома чи молекули, може бути передана світлом. Іонізація атомів або молекул під дією світла називаєтьсяфотоіонізацією.

Самостійний електричний розряд.При збільшенні напруженості електричного поля до певного значення, що залежить від природи газу та його тиску, в газі виникає електричний струм і без впливу зовнішніх іонізаторів. Явище проходження через газ електричного струму, що не залежить від дії зовнішніх іонізаторів, називаєтьсясамостійним електричним розрядом.
У повітрі при атмосферному тиску самостійний електричний розряд виникає при напруженості електричного поля, що дорівнює приблизно

Основний механізм іонізації газу при самостійному електричному розряді - іонізація атомів і молекул внаслідок ударів електрона.

Іонізація електронним ударом.Іонізація електронним ударом стає можливою тоді, коли електрон при вільному пробігу набуде кінетичної енергії, що перевищує енергію зв'язку W електрону з атомом.
Кінетична енергія W до електрона, що купується під дією електричного поля напруженістю, дорівнює роботі сил електричного поля:

W до = Fl = eEl ,

де l довжина вільного пробігу.
Звідси наближена умова початку іонізації електронним ударом має вигляд

eEl > W .

Енергія зв'язку електронів в атомах і молекулах зазвичай виявляється уелектронвол'тах(ЕВ). 1 еВ дорівнює роботі, яку здійснює електричне поле при переміщенні електрона (або іншої частинки, що володіє елементарним зарядом) між точками поля, напруга між якими дорівнює 1 В:

Енергія іонізації атома водню, наприклад, дорівнює 13,6 еВ.

Механізм самостійного розряду.Розвиток самостійного електричного розряду в газі протікає в такий спосіб. Вільний електрон під дією електричного поля набуває прискорення. Якщо напруженість електричного поля досить велика, електрон при вільному пробігу настільки збільшує кінетичну енергію, що при зіткненні з молекулою іонізує її.
Перший електрон, що викликав іонізацію молекули, і другий електрон, звільнений в результаті іонізації, під дією електричного поля набувають прискорення в напрямку від катода до анода. Кожен з них при наступних зіткненнях звільняє ще по одному електрону і загальна кількість вільних електронів стає рівним чотирьом. Потім так само воно збільшується до 8, 16, 32, 64 і т. д. Число вільних електронів, що рухаються від катода до анода, наростає лавиноподібно до тих пір, поки вони не досягнуть анода (рис. 165).

Позитивні іони, що у газі, рухаються під впливом електричного поля від анода до катоду. При ударах позитивних іонів про катод і під дією світла, що випромінюється у процесі розряду, з катода можуть звільнятися нові електрони. Ці електрони, у свою чергу, розганяються електричним полем і створюють нові електронно-іонні лавини, тому процес може тривати безперервно.
Концентрація іонів у плазмі з розвитком самостійного розряду збільшується, а електричний опір розрядного проміжку зменшується. Сила струму в ланцюзі самостійного розряду зазвичай визначається лише внутрішнім опором джерела струму та електричним опором інших елементів кола.

Іскровий розряд. Блискавка.Якщо джерело струму не здатне підтримувати самостійний електричний розряд протягом тривалого часу, то самостійний розряд, що відбувається, називаєтьсяіскровим розрядом.Іскровий розряд припиняється через короткий проміжок часу після початку розряду внаслідок значного зменшення напруги. Приклади іскрового розряду - іскри, що виникають при розчісуванні волосся, розділенні аркушів паперу, розряді конденсатора.
Самостійний електричний розряд є і блискавками, що спостерігаються під час грози. Сила струму в каналі блискавки досягає 10 000 20 000 А, тривалість імпульсу струму становить кілька десятків мікросекунд. Самостійний електричний розряд між грозовим хмарою і Землею після кількох ударів блискавки сам припиняється, оскільки більшість надлишкових електричних зарядів у грозовому хмарі нейтралізується електричним струмом, що протікає плазмовим каналом блискавки (рис. 166).

При збільшенні сили струму в каналі блискавки відбувається нагрівання плазми до температури понад 10 000 К. Зміни тиску в плазмовому каналі блискавки зі збільшенням сили струму та припинення розряду викликають звукові явища, які називаються громом.

Тліючий розряд. При зниженні тиску газу в розрядному проміжку розрядний канал стає ширшим, а потім плазмою, що світиться, виявляється рівномірно заповнена вся розрядна трубка. Цей вид самостійного електричного розряду в газах називаєтьсятліючим розрядом(Рис. 167).

Електричні дуги.Якщо сила струму в самостійному газовому розряді дуже велика, то удари позитивних іонів та електронів можуть спричинити розігрівання катода та анода. З поверхні катода за високої температури відбувається емісія електронів, що забезпечує підтримку самостійного розряду в газі. Тривалий самостійний електричний розряд у газах, що підтримується за рахунок термоелектронної емісії з катода, називаєтьсядуговим розрядом(Рис. 168).

Коронний розряд.У сильно неоднорідних електричних полях, що утворюються, наприклад, між вістрям і площиною або між дротом і площиною (лінія електропередачі), виникає самостійний розряд особливого виду, званийкоронним розрядом.При коронному розряді іонізація електронним ударом відбувається лише поблизу одного з електродів, в області високої напруженістю електричного поля.

Застосування електричних розрядів.Удари електронів, що розганяються електричним полем, призводять не тільки до іонізації атомів і молекул газу, але й до збудження атомів і молекул, що супроводжується випромінюванням світла. Світлове випромінювання плазми самостійного електричного розряду широко використовується у народному господарстві та у побуті. Це лампи денного світла та газорозрядні лампи вуличного, освітлення, електрична дуга в кінопроекційному апараті та ртутно-кварцові лампи, що застосовуються у лікарнях та поліклініках.
Висока температура плазми дугового розряду дозволяє застосовувати його для різання та зварювання металевих конструкцій, для плавки металів. За допомогою іскрового розряду ведеться обробка деталей із найтвердіших матеріалів.
Електричний розряд у газах буває і небажаним явищем, з яким у техніці потрібно боротися. Так, наприклад, коронний електричний розряд із проводів високовольтних ліній електропередач призводить до марних втрат електроенергії. Зростання цих втрат зі збільшенням напруги ставить межу на шляху подальшого збільшення напруги в лінії електропередач, тоді як зменшення втрат енергії на нагрівання проводів таке підвищення дуже бажано.

Електричний струм у напівпровідниках

За значенням питомого електричного опорунапівпровідники займають проміжне місце між хорошими провідниками та діелектриками. До напівпровідників належать багато хімічні елементи (германій, кремній, селен, телур, миш'як та інших.), дуже багато сплавів і хімічних сполук. Майже всі неорганічні речовини навколишнього світу - напівпровідники. Найпоширенішим у природі напівпровідником є ​​кремній, що становить близько 30% земної кори. Якісна відмінність напівпровідників від металів проявляється насамперед залежно від питомого опору від температури. Зі зниженням температури опір металів падає. У напівпровідників, навпаки, зі зниженням температури опір зростає і поблизу абсолютного нуля вони стають ізоляторами (рис. 4.13.1).

Такий хід залежності ρ(T) показує, що напівпровідники концентрація носіїв вільного заряду не залишається постійною, а збільшується зі зростанням температури. Механізм електричного струму в напівпровідниках не можна пояснити у межах моделі газу вільних електронів. Розглянемо якісно цей механізм з прикладу германію (Ge). У кристалі кремнію (Si) механізм аналогічний. Атоми германію мають чотири слабо пов'язані електрони на зовнішній оболонці.

Їх називають валентними електронами. У кристалічних ґратах кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Зв'язок між атомами в кристалі германію єковалентної тобто здійснюється парами валентних електронів. Кожен валентний електрон належить двом атомам. Валентні електрони в кристалі германію набагато більше пов'язані з атомами, ніж у металах; тому концентрація електронів провідності при кімнатній температурі напівпровідниках набагато порядків менше, ніж в металів. Поблизу абсолютного нуля температури кристалі германію все електрони зайняті у освіті зв'язків. Такий кристал електричного струму не проводить.

При підвищенні температури, деяка частина валентних електронів може отримати енергію, достатню для розриву ковалентних зв'язків. Тоді кристалі виникнуть вільні електрони (електрони провідності). Одночасно у місцях розриву зв'язків утворюються вакансії, які зайняті електронами. Ці вакансії отримали назву «дірок ». Вакантне місце може бути зайняте валентним електроном із сусідньої пари, тоді дірка переміститься на нове місце у кристалі. При заданій температурі напівпровідника в одиницю часу утворюється певна кількість електронно-діркових пар.

У той же час йде зворотний процес при зустрічі вільного електрона з діркою, відновлюється електронний зв'язок між атомами германію. Цей процес називаєтьсярекомбінацією . Електронно-діркові пари можуть народжуватися також при освітленні напівпровідника за рахунок енергії електромагнітного випромінювання. У відсутність електричного поля електрони провідності та дірки беруть участь у хаотичному тепловому русі. Якщо напівпровідник поміщається в електричне поле, то до впорядкованого руху залучаються не тільки вільні електрони, а й дірки, які поводяться як позитивно заряджені частинки. Тому струм I у напівпровіднику складається з електронного In та діркового Ip струмів:

I = In + Ip.

Концентрація електронів провідності у напівпровіднику дорівнює концентрації дірок: nn = np. Електронно-дірковий механізм провідності проявляється лише у чистих (тобто без домішок) напівпровідників. Він називаєтьсявласною електричною провідністюнапівпровідників. За наявності домішок електропровідність напівпровідників сильно змінюється. Наприклад, добавка домішок фосфору кристал кремнію в кількості 0,001 атомного відсотка зменшує питомий опір більш ніж на п'ять порядків. Такий сильний вплив домішок може бути пояснено на основі викладених вище уявлень про будову напівпровідників.

Необхідною умовою різкого зменшення питомого опору напівпровідника під час введення домішок є відмінність валентності атомів домішки від валентності основних атомів кристала.Провідність напівпровідників за наявності домішок називаєтьсядомішковою провідністю. Розрізняють два типи домішкової провідності |електронну та дірочну провідності. Електронна провідністьвиникає, коли кристал германію з чотиривалентними атомами введені пятивалентные атоми (наприклад, атоми миш'яку, As).

На рис. 7 показаний п'ятивалентний атом миш'яку, який опинився у вузлі кристалічної решітки германію. Чотири валентні електрони атома миш'яку включені в утворення ковалентних зв'язків з чотирма сусідніми атомами германію.

П'ятий валентний електрон виявився зайвим; він легко відривається від атома миш'яку і стає вільним. Атом, що втратив електрон, перетворюється на позитивний іон, розташований у вузлі кристалічних ґрат. Домішка з атомів з валентністю, що перевищує валентність основних атомів напівпровідникового кристала, називаєтьсядонорською домішкою.

Внаслідок її введення в кристалі з'являється значна кількість вільних електронів. Це призводить до різкого зменшення питомого опору напівпровідника в тисячі і навіть мільйони разів. Питомий опір провідника з великим вмістом домішок може наближатися до питомого опору металевого провідника. У кристалі германію з домішкою миш'яку є електрони та дірки, відповідальні за власну провідність кристала.

Але основним типом носіїв вільного заряду є електрони, що відірвалися від атомів миш'яку. У такому кристалі nn >> np. Така провідність називається електронною, а напівпровідник, що маєелектронної провідністю, називаєтьсянапівпровідником n-типу.

Діркова провідністьвиникає, коли кристал германію введені тривалентні атоми (наприклад, атоми индия, In). На утворення зв'язку з четвертим атомом германію атом індію не має електрона. Цей недостатній електрон може бути захоплений атомом індію з ковалентного зв'язку сусідніх атомів германію. У цьому випадку атом індія перетворюється на негативний іон, розташований у вузлі кристалічних ґрат, а в ковалентному зв'язку сусідніх атомів утворюється вакансія. Домішка атомів, здатних захоплювати електрони, називаєтьсяакцепторною домішкою.

В результаті введення акцепторної домішки в кристалі розривається безліч ковалентних зв'язків та утворюються вакантні місця (дірки). На ці місця можуть перескакувати електрони із сусідніх ковалентних зв'язків, що призводить до хаотичного блукання дірок кристалом. Наявність акцепторної домішки різко знижує питомий опір напівпровідника за рахунок появи великої кількостівільних дірок. Концентрація дірок у напівпровіднику з акцепторною домішкою значно перевищує концентрацію електронів, що виникли через механізм власної електропровідності напівпровідника: np >> nn. Провідність такого типу називаєтьсядірковою провідністю.

Домішний напівпровідник з дірковою провідністю називаєтьсянапівпровідником p-типу. Основними носіями вільного заряду напівпровідниках p-типу є дірки. Слід наголосити, що дірочна провідність насправді обумовлена ​​естафетним переміщенням по вакансіях від одного атома германію до іншого електронів, які здійснюють ковалентний зв'язок. Для напівпровідників n- та p-типів закон Ома виконується у певних інтервалах сил струму та напруги за умови постійності концентрацій вільних носіїв.

Електричний струм у вакуумі

Найважливішими приладами в електроніці першої половини ХХ ст. були електронні лампи, у яких використовувався електричний струм у вакуумі. Однак їм на зміну прийшли напівпровідникові прилади. Але й сьогодні струм у вакуумі використовується в електронно-променевих трубках, при вакуумному плавленні та зварюванні, у тому числі в космосі, та в багатьох інших установках. Це визначає важливість вивчення електричного струму у вакуумі.

Вакуум (від лат. vacuum порожнеча) стан газу при тиску, меншому атмосферного. Це поняття застосовується до газу в замкнутій посудині або в посудині, з якої відкачують газ, а часто і до газу у вільному просторі, наприклад, до космосу. Фізичною характеристикою вакууму є співвідношення між довжиною вільного пробігу молекул і розміром судини між електродами приладу і т.д.

Коли йдеться про вакуум, то чомусь вважають, що це зовсім порожній простір. Насправді це не так. Якщо з будь-якої посудини відкачувати повітря, то кількість молекул у ньому з часом зменшуватиметься, хоча всі молекули з судини видалити неможливо. То коли ж можна вважати, що в посудині створено вакуум?

Молекули повітря, рухаючись хаотично, часто зіштовхуються між собою та зі стінками судини. Між такими зіткненнями молекули пролітають певні відстані, Які називаються довжиною вільного пробігу молекул Зрозуміло, що при відкачуванні повітря концентрація молекул (їх кількість в одиниці об'єму) зменшується, а довжина вільного пробігу збільшується. І ось настає момент, коли довжина вільного пробігу стає рівною розмірам судини: молекула рухається від стінки до стінки судини, практично не зустрічаючись з іншими молекулами. Ось тоді й вважають, що в посудині створено вакуум, хоча в ньому ще може бути багато молекул. Зрозуміло, що у менших за розмірами судинах вакуум створюється при більших тисках газу них, ніж у великих судинах. Якщо продовжувати відкачування повітря з судини, то кажуть, що у ньому створюється глибший вакуум. При глибокому вакуумі молекула може багато разів пролетіти від стінки до стінки, перш ніж зустрінеться з іншою молекулою. Відкачати всі молекули із судини практично неможливо. Де беруться вільні носії зарядів у вакуумі? Якщо в посудині створено вакуум, то в ньому все ж таки є чимало молекул, деякі з них можуть бути і іонізовані. Але заряджених частинок у такому посудині виявлення помітного струму мало. Як отримати у вакуумі достатню кількість вільних носіїв заряду? Якщо нагріти провідник, пропускаючи по ньому електричний струм або іншим способом, частина вільних електронів у металі матиме достатню енергію, щоб вийти з металу (виконати роботу виходу).

Термоелектронна емісія.З'єднаємо стрижень зарядженого електрометра з одним електродом вакуумної скляної колби, а корпус електрометра з іншим електродом, що є тонкою металевою ниткою (рис. 169). Досвід покаже, що електрометр не розряджається.

Між двома електродами, розташованими в герметичній посудині, з якої видалено повітря, і що знаходяться під напругою, електричний струм відсутній, оскільки у вакуумі немає вільних носіїв електричного заряду. Американський вчений і винахідник Томас Едісон (1847?1931) виявив (1879), що у вакуумній скляній колбі виникає електричний струм, якщо один з електродів нагріти до високої температури.
Підключимо до висновків металевої нитки джерело струму. Якщо нитка з'єднана з негативним полюсом джерела, то при нагріванні електрометр швидко розряджається. При з'єднанні нитки з позитивним полюсом електрометр не розряджається при нагріванні нитки струмом. Ці досліди доводять, що нагрітий катод випускає частинки, що мають негативний електричним зарядом. Ці частки електрони. Явище випромінювання вільних електронів із поверхні нагрітих тіл називаєтьсятермоелектронною емісією.

Діод. Термоелектронна емісія використовується в різних електронних приладів. Найпростіший з них - електровакуумний діод. Цей прилад складається зі скляного балона, в якому знаходяться два електроди:катод та анод. Анод виготовлений з металевої пластини, катод з тонкого металевого дроту, згорнутої в спіраль. Кінці спіралі укріплені на металевих стрижнях, що мають два висновки для підключення до електричний ланцюг. З'єднавши висновки катода з джерелом струму, можна викликати нагрівання дротяної спіралі катода струмом, що проходить до високої температури. Дротову спіраль, що нагрівається електричним струмом, називають ниткою розжарювання лампи. Умовне позначення вакуумного діода показано малюнку 170.

Застосування діода.Включивши вакуумний діод в електричний ланцюг послідовно з джерелом постійного струму та амперметром, можна виявити основну властивість діода, що використовується в різних радіоелектронних приладах, односторонню провідність. При підключенні джерела струму позитивним полюсом до анода і негативним до катода електрони, що випускаються нагрітим катодом, рухаються під дією електричного поля до анода в ланцюгу тече електричний струм. Якщо підключити джерело струму позитивним полюсом до катода, а негативним до анода, то електричне поле перешкоджатиме руху електронів від катода до анода електричного струму в ланцюгу немає. Властивість односторонньої провідності діода використовується в радіоелектронних приладах для перетворення змінного струму на постійний.

Тріод. Потоком електронів, що рухаються в електронній лампі від катода до анода, можна керувати за допомогою електричних та магнітних полів. Найпростішим електровакуумним приладом, в якому здійснюється керування потоком електронів за допомогою електричного поля, єтріод. Балон, анод і катод вакуумного тріода мають таку ж конструкцію, як і у діода, проте на шляху електронів від катода до анода в тріоді розташовується третій електрод, званийсіткою. Зазвичай сітка - це спіраль з декількох витків тонкого дроту навколо катода.
Якщо на сітку подається позитивний потенціал щодо катода (рис. 171), то значна частина електронів пролітає від катода до анода, і в ланцюзі анода існує електричний струм. При подачі на сітку негативного потенціалу щодо катода електричне поле між сіткою і катодом перешкоджає руху електронів від катода до анода (мал. 172), анодний струм зменшується. Таким чином, змінюючи напругу між сіткою та катодом, можна регулювати силу струму в ланцюзі анода.

Пристрій вакуумного тріода показано на малюнку 173, його умовне позначенняна схемах на малюнку 174.

Електронні пучки та їх властивості.Електрони, які випускаються нагрітим катодом, можна за допомогою електричних полів розганяти до високих швидкостей. Пучки електронів, що рухаються з великими швидкостями, можна використовувати для отримання рентгенівських променів, плавки та різання металів. Здатність електронних пучків зазнавати відхилень під дією електричних і магнітних полів і викликати свічення кристалів використовується в електронно-променевих трубках.

Електронно-променева трубка.Якщо в аноді 2 вакуумного діода зробити отвір, то частина електронів, випущених катодом 1 , пролетить крізь отвір і утворює в просторі за анодом потік електронів, що паралельно летять, електронний промінь 5 (рис. 175).

Електровакуумний прилад, у якому використовується такий потік електронів, називаєтьсяелектронно-променевою трубкою.
Внутрішня поверхняскляний балон електронно-променевої трубки проти анода покритий тонким шаром кристалів, здатних світитися при попаданні в них швидких електронів. Цю частину трубки називають екраном ( 6 ).
За допомогою електричних та магнітних полів можна керувати рухом електронів на шляху від анода до екрану та змусити електронний промінь «малювати» будь-яку картину на екрані. Ця здатність електронного променя використовується для створення зображень на екрані електронно-променевої трубки телевізора, яка називається кінескопом. Зміна яскравості світіння плями на екрані досягається шляхом керування інтенсивністю пучка електронів за допомогою додаткового електрода, розташованого між катодом і анодом і працює за принципом сітки керування електровакуумного тріода.
У трубці електронно-променевого осцилографа між анодом та екраном розташовані дві пари паралельних металевих пластин. Ці пластини називаються пластинами, що відхиляють. Подача напруги на вертикально розташовані пластини 4 викликає зміщення електронного променя в горизонтальному напрямку, подача напруги на горизонтальні пластини 3 викликає вертикальне відхилення променя. Зміщення променя на екрані трубки пропорційні доданому напрузі, тому електронний осцилограф може використовуватися як електровимірювальний прилад.
Для дослідження швидкозмінних електричних процесів в осцилографі здійснюється розгортка - рівномірне переміщення електронного променя по горизонталі. Для того щоб промінь переміщався вздовж горизонтальної осі з постійною швидкістю, напруга на пластинах, що горизонтально відхиляють, повинна змінюватися лінійно в часі, а для повернення променя у вихідне положення напруга повинна дуже швидко падати до нуля. Така форма напруги зветься пилкоподібною (рис. 176).

Електричний струм у металах

Електричний струм у металах - це впорядкований рух електронів під дією електричного поля. Досліди показують, що при протіканні струму металевим провідником не відбувається перенесення речовини, отже, іони металу не беруть участі в переносі електричного заряду.

Найбільш переконливий доказ електронної природи струму в металах було отримано у дослідах із інерцією електронів. Ідея таких дослідів та перші якісні результати належать російським фізикам Л. І. Мандельштаму та Н. Д. Папалексі (1913 р.). У 1916 році американський фізик Р. Толмен і шотландський фізик Б. Стюарт удосконалили методику цих дослідів і виконали кількісні виміри, які незаперечно довели, що струм у металевих провідниках зумовлений рухом електронів. Схема досвіду Толмена та Стюарта показана на рис. 1. Котушка з великою кількістю витків тонкого дроту приводилася у швидке обертання навколо осі. Кінці котушки за допомогою гнучких проводів були приєднані до чутливогобалістичному гальванометру Г. Розкручена котушка різко гальмувалась, і в ланцюзі виникав короткочасний струм, зумовлений інерцією носіїв заряду. Повний заряд, що протікає ланцюгом, вимірювався по відкидання стрілки гальванометра.

При гальмуванні котушки, що обертається, на кожен носій заряду e діє гальмівна силаяка відіграє рольсторонньої сили тобто сили неелектричного походження. Стороння сила, віднесена до одиниці заряду, за визначенням є напруженістю поля сторонніх сил:

Отже, в ланцюзі при гальмуванні котушки виникає електрорушійна сила , рівна

де l ? Довжина дроту котушки. За час гальмування котушки ланцюгом протікає заряд q, рівний

Усі величини, що входять у праву частину цього співвідношення, можна виміряти. На підставі результатів дослідів Толмена та Стюарта було встановлено, що носії вільного заряду в металах мають негативний знак, а відношення заряду носія до його маси близько до питомого заряду електрона, отриманого з інших дослідів. Так було встановлено, що носіями вільних зарядів у металах є електрони. За сучасними даними модуль заряду електрона (елементарний заряд) дорівнює

Хороша електропровідність металів пояснюється високою концентрацією вільних електронів, що дорівнює порядку величини числу атомів в одиниці об'єму. Припущення про те, що за електричний струм у металах відповідальні електрони, виникло значно раніше за досвіди Толмена і Стюарта. Ще 1900 року німецький вчений П. Друде з урахуванням гіпотези про існування вільних електронів у металах створив електронну теорію провідності металів. Ця теорія отримала розвиток у роботах голландського фізика Х. Лоренца і зветьсякласичної електронної теоріїЗгідно з цією теорією, електрони в металах поводяться як електронний газ, багато в чому схожий на ідеальний газ. Електронний газ заповнює простір між іонами, що утворюють кристалічні ґрати металу (рис. 2).

Через взаємодію з іонами електрони можуть залишити метал лише подолавши так званийпотенційний бар'єр. Висота цього бар'єру називаєтьсяроботою виходу . При нормальних (кімнатних) температурах у електронів не вистачає енергії для подолання потенційного бар'єру. Як іони, що утворюють ґрати, так і електрони беруть участь у тепловому русі. Іони здійснюють теплові коливання поблизу положень рівноваги вузлів кристалічних ґрат. Вільні електрони рухаються хаотично і зі своїм рухом зіштовхуються з іонами решітки. Внаслідок таких зіткнень встановлюється термодинамічна рівновага між електронним газом та ґратами. Згідно теорії Друде Лоренця, електрони мають таку ж середню енергію теплового руху, як і молекули одноатомного ідеального газу. Це дозволяє оцінити середню швидкістьтеплового руху електронів за формулами молекулярно-кінетичної теорії

При кімнатній температурі вона приблизно дорівнює 105 м/с. При накладенні зовнішнього електричного поля металевому провіднику крім теплового руху електронів виникає їх упорядкований рух (дрейф), тобто електричний струм. Середню швидкістьдрейфу можна оцінити з таких міркувань. За інтервал часу Δt через поперечний переріз S провідника пройдуть усі електрони, що були в обсязіЧисло таких електронів дорівнюєде n | середня концентрація вільних електронів, приблизно дорівнює числу атомів в одиниці об'єму металевого провідника. Через переріз провідника за час Δt пройде зарядЗвідси випливає:

Концентрація n атомів у металах знаходиться в межах 1028 1029 м3. Оцінка за цією формулою для металевого провідника перетином 1 мм2, за яким тече струм 10 А, даєсередньої швидкостіупорядкованого руху електронів значення в межах 0,6?6 мм/c. Таким чином, середня швидкістьупорядкованого руху електронів у металевих провідниках на багато порядків менше середньої швидкостіїх теплового рухудає уявлення про характер руху вільного електрона в кристалічній решітці.

Мінімальна швидкість дрейфу на суперечить досвідченому факту, що струм у всьому ланцюгу постійного струму встановлюється майже миттєво. Замикання ланцюга викликає поширення електричного поля зі швидкістю c = 3108 м/с. Через час порядку l / с (l | довжина ланцюга) вздовж ланцюга встановлюється стаціонарний розподіл електричного поля і в ньому починається впорядкований рух електронів. У класичній електронній теорії металів передбачається, що рух електронів підпорядковується законам механіки Ньютона. У цій теорії нехтують взаємодією електронів між собою, які взаємодія з позитивними іонами зводять лише до зіткнень. Передбачається також, що при кожному зіткненні електрон передає решітці всю накопичену в електричному полі енергію і тому після зіткнення він починає рух з нульовою швидкістю. Незважаючи на те, що всі ці припущення є дуже наближеними, класична електронна теоріяякісно пояснює закони електричного струму у металевих провідниках.Закон Ома. У проміжку між соударениями на електрон діє сила, що дорівнює модулю eE, у результаті він набуває прискоренняТому до кінця вільного пробігу дрейфова швидкість електрона дорівнює

де ? час вільного пробігу, яке для спрощення розрахунків передбачається однаковим для всіх електронів. Середнє значення швидкості дрейфудорівнює половині максимального значення:

де U = El напруга на кінцях провідника. Отримана формула виражає закон Ома металевого провідника. Електричний опір провідника дорівнює:

Закон Джоуля Ленца. До кінця вільного пробігу електрони набувають під дією поля кінетичну енергію.

Згідно з припущеннями, вся ця енергія передається гратами при зіткненні і переходить у тепло. За час Δt кожен електрон зазнає Δt / τ зіткнень. У провіднику перетином S та довжини l є nSl електронів. Звідси випливає, що тепло, що виділяється в провіднику за час Δt, дорівнює:

Це співвідношення висловлюєзакон Джоуля Ленца. Таким чином, класична електронна теорія пояснює існування електричного опору металів, закони Ома та Джоуля Ленца. Однак у низці питань класична електронна теорія призводить до висновків, що перебувають у суперечності з досвідом. Ця теорія не може, наприклад, пояснити, чому молярна теплоємність металів, так само як і молярна теплоємність діелектричних кристалів, дорівнює 3R, де R ¦ універсальна газова постійна (закон Дюлонга та Пті). Наявність вільних електронів позначається на величині теплоємності металів. Класична електронна теорія не може пояснити температурну залежність питомого опору металів. Теорія даєу той час як з експерименту виходить залежність ρ ~ T. Однак найбільш яскравим прикладом розбіжності теорії та дослідів єнадпровідність. Згідно з класичною електронною теорією, питомий опір металів повинен монотонно зменшуватися при охолодженні, залишаючись кінцевим при всіх температурах. Така залежність справді спостерігається досвіді при порівняно високих температурах. При нижчих температурах близько кількох кельвінів питомий опір багатьох металів перестає залежати від температури і досягає певного граничного значення.

Однак найбільший інтерес представляє дивовижнеявище надпровідності,відкрите датським фізиком Х. Каммерлінг-Оннесом у 1911 році. За певної певної температури Tкр, різної для різних речовин, питомий опір стрибком зменшується до нуля (рис. 3).

Критична температура у ртуті дорівнює 4,1 К, алюмінію 1,2 К, олова 3,7 К. Надпровідність спостерігається не тільки у елементів, а й у багатьох хімічних сполук і сплавів. Наприклад, з'єднання ніобію з оловом (Ni3Sn) має критичну температуру 18 К. Деякі речовини, що переходять за низьких температур у надпровідний стан, не є провідниками при звичайних температурах. У той же час такі «хороші» провідники, як мідь та срібло, не стають надпровідниками за низьких температур.

Речовини у надпровідному стані мають виняткові властивості. Практично найбільш важливим з них є здатність тривалий час (багато років) підтримувати без згасання електричний струм, збуджений у надпровідному ланцюгу. Класична електронна теорія неспроможна пояснити явище надпровідності. Пояснення механізму цього явища було дано лише через 60 років після відкриття на основі квантово-механічних уявлень.

Науковий інтерес до надпровідності зростав у міру відкриття нових матеріалів із вищими критичними температурами. Значний крок у цьому напрямі відбувся в 1986 році, коли було виявлено, що в однієї складної керамічної сполуки Tкр = 35 K. Вже наступного 1987 року фізики зуміли створити нову кераміку з критичною температурою 98 К, ​​що перевищує температуру рідкого азоту (77 К). Явище переходу речовин у надпровідний стан при температурах, що перевищують температуру кипіння рідкого азоту, було названовисокотемпературної надпровідності.

У 1988 році було створено керамічне з'єднання на основі елементів Tl Ca Ca Ba Cu з критичною температурою 125 К. В даний час ведуться інтенсивні роботи з пошуку нових речовин з ще більш високими значеннями Tкр. Вчені сподіваються отримати речовину у надпровідному стані за кімнатної температури. Якщо це станеться, це буде справжня революція в науці, техніці і взагалі в житті людей. Слід зазначити, що досі механізм високотемпературної надпровідності керамічних матеріалівостаточно не з'ясований.

Електричний струм у електролітах

Електролітами прийнято називати провідні середовища, в яких перебігелектричного струмусупроводжується перенесенням речовини. Носіями вільних зарядів в електролітах є позитивно та негативно заряджені іони. До електролітів належать багато сполук металів з металоїдами в розплавленому стані, а також деякі тверді речовини. Однак основними представниками електролітів, що широко використовуються в техніці, єводні розчини неорганічних кислот, солей та основ.

Проходження електричного струму через електроліт супроводжується виділенням речовин на електродах. Це явище отримало назвуелектролізу . Електричний струм в електролітах є переміщення іонів обох знаків у протилежних напрямках. Позитивні іони рухаються до негативного електрода (катоду ), негативні іони до позитивного електроду (аноду). Іони обох знаків у водних розчинах солей, кислот і лугів внаслідок розщеплення частини нейтральних молекул. Це явище називаєтьсяелектролітичною дисоціацією. Наприклад, хлорид міді CuCl2 дисоціює у водному розчині на іони міді та хлору:

При підключенні електродів до джерела струму іони під дією електричного поля починають упорядкований рух: позитивні іони міді рухаються до катода, а негативно заряджені іони хлору до анода. Досягши катода, іони міді нейтралізуються надлишковими електронами катода і перетворюються на нейтральні атоми, що осідають на катоді. Іони хлору, досягнувши анода, віддають але одному електрону.

Після цього нейтральні атоми хлору з'єднуються попарно та утворюють молекули хлору Cl2. Хлор виділяється на аноді у вигляді бульбашок. У багатьох випадках електроліз супроводжуєтьсявторинними реакціямипродуктів розкладання, що виділяються на електродах, із матеріалом електродів або розчинників. Прикладом може бути електроліз водного розчину сульфату міді CuSO4 ( мідний купорос) у тому випадку, коли електроди, опущені в електроліт, виготовлені з міді. Дисоціація молекул сульфату міді відбувається за схемою

Нейтральні атоми міді відкладаються як твердого осаду на катоді. Таким шляхом можна одержати хімічно чисту мідь. Іонвіддає аноду два електрони і перетворюється на нейтральний радикал SO4 вступає у вторинну реакцію з мідним анодом:

SO4 + Cu = CuSO4.

Утворена молекула сульфату міді перетворюється на розчин. Таким чином, при проходженні електричного струму через водний розчинсульфату міді відбувається розчинення мідного анода та відкладення міді на катоді. Концентрація розчину сульфату міді у своїй не змінюється.

Закон електролізу експериментально встановлено англійським фізиком М. Фарадеєм в 1833 року.Закон Фарадея визначає кількості первинних продуктів,що виділяються на електродах при електролізі:Маса m речовини, що виділилася на електроді, прямо пропорційна заряду Q, що пройшов через електроліт:

Тут m0 і q0 маса і заряд одного іона,Число іонів, що прийшли до електрода при проходженні через електроліт заряду Q. Таким чином, електрохімічний еквівалент k дорівнює відношенню маси m0 іона даної речовини до його заряду q0. Оскільки заряд іона дорівнює добутку валентності речовини n елементарний заряд e (q0 = ne), то вираз для електрохімічного еквівалента k можна записати у вигляді

Постійна Фарадея чисельно дорівнює заряду, який необхідно пропустити через електроліт виділення на електроді одного моля одновалентного речовини. Закон Фарадея для електролізу набуває вигляду:

Явище електролізу широко застосовується у сучасному промисловому виробництві.

бібліографічний список

http://fizika XX .ayp.ru/4/4_13.html

http://class-XXfizika. narod. ru /10_13. htm

http://physics. 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 - razlichnyh - sredah /

http://fizika. XXayp. ru /4/4_15. html

Одне з найважливіших визначень фізики свідчить, що електричний струм - це будь-який впорядкований рух частинок, які мають заряд. З цього можна зробити висновок, що для того, щоб електричний струм з'явився, необхідна наявність у металі, рідині або якомусь іншому матеріалі вільних електронів або іонів, які і будуть рухатися під впливом електромагнітного поля. У той же час електричний струм у різних середовищах матиме певні особливості, через що його протікання в кожній з них відрізнятиметься.

Якщо розглядати особливості формування та протікання електричного струму в металах, то насамперед варто звернути увагу на саму будову металів, яка є При цьому у вузлах цієї решітки розташовуються іони з позитивним зарядом, а в просторі між цими вузлами в хаотичному порядку рухаються електрони з негативним зарядом. Якщо створити навколо металу електричне поле, то рух електронів набуде більш упорядкованого характеру. Можна зробити висновок, що до металів електричний струм - це спрямований рух саме електронів.

Основною характеристикою протікання електроструму в металах є вольт-амперний вираз, відомий як закон Ома. Відповідно до цього закону, знаходиться у прямій залежності від напруги та у зворотній залежності від опору. Аналізуючи електричний струм у різних середовищах, варто особливу увагуприділити його формуванню та протіканню в рідкому середовищі.

В електролітах виникає внаслідок реакції, що отримала назву електролітичної дисоціації. Суть її полягає в розпаді молекул лугів, солей або кислот на позитивні та негативні заряджені іони, які стають носіями в рідинах. Вся справа в тому, що коли на розчин починає діяти електромагнітне поле, хаотичний рух іонів перетворюється на впорядковане. При цьому позитивні іони починають рухатися до електрода, що має негативний заряд, а негативні - до позитивного, що має позитивний заряд. Таким чином, на відміну від тих самих металів, електричний струм в електролітах є впорядкованим рухом іонів. Крім того, варто відзначити, що під час проходження цих іонів через розчин на електродах завжди відбувається утворення речовин, які є структурними компонентами цього розчину, чи то луг, кислота чи сіль. Це явище, зване електролізом, активно використовується на промислових підприємствах для одержання чистих металів, а також для покриття та полірування тих чи інших виробів.

Розглядаючи електричний струм у різних середовищах, зокрема, в металах та рідинах, ми вказували на те, що в цих речовинах вже є вільні іони або електрони. А що відбувається з газом, який, як відомо, складається із нейтральних молекул? Електричний струм без вільних частинок з негативним або позитивним зарядом неможливий, тому спочатку газ необхідно іонізувати, тобто створити в ньому заряджені частинки. Витрачена для цього енергія буде яка досягає максимальних значень у а мінімальних - у атомів Іонізація газу призводить до того, що в ньому утворюється три різних видівзаряджених частинок - електрони, що мають негативний заряд, а також позитивні та негативні іони. Всі ці частинки під впливом зовнішнього поля починають упорядковано рухатися, дотримуючись того ж принципу, що і під час руху іонів у рідинах. Таким чином, електрострум у газах є спрямованим рухом як іонів (позитивних і негативних), так і електронів.

Роблячи висновок, можна назвати таке: електричний струм у різних середовищах має особливості, які широко застосовують у різних сферах народного господарства, соціальній та науково-дослідних експериментах.