Электрический ток в металлах, газах и в вакууме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрический ток -- направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках - электроны, в электролитах -ионы (катионы и анионы), в полупроводниках -электроны и, так называемые, "дырки"("электронно-дырочная проводимость"). Также существует "ток смещения", протекание которого обусловлено процессом заряда емкости, т.е. изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор протекает.

В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.

Током проводимости (просто током) в теории электрических цепей называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника: i=q/t, где i- ток. А; q= 1, 6·109- заряд электрона, Кл; t - время, с.

Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени: i(t)= dq/dt.

Электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника. Разность потенциалов между двумя точками электрической цепи называют напряжением или падением напряжения на этом участке цепи.

Вместо термина «ток» («величина тока») часто применяется термин «сила тока». Однако последний нельзя назвать удачным, так как сила тока не есть какая-либо сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника.

Ток характеризуется силой тока, которая в системе СИ измеряется в амперах (А), и плотностью тока, которая в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.

Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):

1А = 1Кл / с.

В общем случае, обозначив ток буквой i, а заряд q, получим:

i = dq / dt.

Единица тока называется ампер (А). Ток в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 сек проходит электрический заряд, равный 1 кулон.

Направленное движение электронов в проводнике

Если вдоль проводника действует напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля Е на электроны с зарядом е действует сила f = Ее. Величины f и Е векторные. В течение времени свободного пробега электроны приобретают направленное движение наряду с хаотическим. Каждый электрон имеет отрицательный заряд и получает составляющую скорости, направленную противоположно вектору Е (рис. 1). Упорядоченное движение, характеризуемое некоторой средней скоростью электронов vcp, определяет протекание электрического тока.

Электроны могут иметь направленное движение и в разреженных газах. В электролитах и ионизированных газах протекание тока в основном обусловлено движением ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически направление тока было принято обратным направлению движения электронов.

Поэтому в этом разделе мы попытаемся установить, какие частицы, переносят электрический заряд в различных средах.

Электрический ток в металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах- это упорядоченное движение электронов.

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

где I-сила тока в проводнике, e- модуль заряда электрона, n0- концентрация электронов проводимости, - средняя скорость упорядоченного движения электронов, S- площадь поперечного сечения проводника.

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

где j-плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости одновалентного металла равна

где Na- постоянная Авогадро, A-атомная масса металла, с- плотность металла, то получаем что концентрация определяется в пределах 1028- 1029м-3.

Закон Ома для однородного участка цепи:

где U-напряжение на участке, R- сопротивление участка.

Для однородного участка цепи:

где сУ- удельное сопротивление проводника, l -длина проводника, S- площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и эта зависимость выражается соотношением:

су= соу( 1 + б ?Т )

где соу-удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, б -термический коэффициент сопротивления, ?Т= Т - То -изменение температуры.

электрический проводник ом метал

Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением (для резисторов).

Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где G-проводимость.

Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.

Применение электрического тока в металлах

Проводники для передачи электроэнергии, сердечник трансформатора для преобразования эл. энергии, трубы для предотвращения коррозии, спираль лампы для освещения, спираль ТЭНа для нагрева, и т. д.

Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 - 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.

Электрический ток в газах.

При нормальных условиях газы состоят из нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию -энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна - для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной энергии возрастает скорость движения молекул, нарастает интенсивность их теплового движения и при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.

Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы к катоду, отрицательные ионы и электроны - к аноду. Т.е. электрический ток в газах- это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВС.

На участке графика ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к. ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения между электродами скорость направленного движения электронов и ионов возрастает, поэтому большая часть заряженных частиц достигает электродов, а, следовательно возрастает сила тока.

При определенном значении напряженияU1все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значенияU2. Такой ток называют током насыщения, и ему соответствует участок графика АВ.

При напряженииU2в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда кинетическая энергия достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом. Такая зависимость выражена участком графика АС.

В "рекламной" неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой "живую плазму".

Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.

Дуговой разряд горит в ртутных лампах - очень ярких источниках света.

Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя "корону", окружающую электрод. Коронный разряд - основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Электрический ток в вакууме.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е. необходимо создать определенные условия, которые помогут получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.

При нагревании металла количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией. Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит в основе принципа действия электронных ламп: вакуумного диода, вакуумного триода.

Вакуумный диод Вакуумный триод

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВСD.

При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны. При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у катода электронное облако.

По мере увеличения напряжения между анодом и катодом большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость силы тока от напряжения, т.е. в интервале напряженийU1- U2выполняется закон Ома.

Нелинейная зависимость на участке ВСD объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.

При достаточно большом значении напряженияU3все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический ток достигает насыщения.

Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать радиоактивный препарат, испускающийб-частицы. Под действием сил электрического поляб-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.

Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным движением любых заряженных частиц (электронов, ионов).

Ссылки на использованную литературу

1. «Электрический ток»http://electricalschool.info/main/osnovy/216-jelektricheskijj-tok.html

2. «Электрический ток в разных средах»http://nika-fizika.narod.ru/68_0.htm

3. «Электрический ток в жидкостях, металлах, газах, вакууме»http://fizmat.by/kursy/jelektricheskij_tok/sreda_toka

4. «применение электрического тока в металлах»https://otvet.mail.ru/question/23093954

5. «применение электрического тока в вакууме» http://class-fizika.narod.ru/10_11.htm

6. «применение электрического тока в газах» https://otvet.mail.ru/question/14447723

Размещено на Allbest.ru