Загрузка...Электрический ток в металлах
Электрический ток в металлах
В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах — твёрдых телах, жидкостях и газах.
Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.
Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.
Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.
Электрический ток. Источника тока.
гальванический элемент (аккумулятор) внутреннюю энергию, выделяющуюся в результате химических реакций, превращает в электрическую
Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Для этой цели используют различные источники электрического тока:
электрофорная машина превращает механическую энергию в электрическую;
Скорость движения электронов
В проводах скорость движения электронов под действием поля в промежутках времени между двумя столкновениями может быть сравнительно значительной, достигая нескольких километров в секунду. Но бесчисленные столкновения приводят к тому, что фактическое перемещение электронов в направлении действия поля характеризуется чрезвыйчано малой скоростью. Эта скорость в конечном счете определяется напряженностью поля и в среднем при напряженности поля 1 вольт на сантиметр длины провода составляет около десяти сантиметров в секунду.
Но подобная напряженность поля встречается редко. Чтобы создать такое поле в проводе длиной 1 км, надо подвести к нему напряжение 100 000 вольт. Фактически имеющие место напряженности поля бывают значительно меньше, и скорость движения электронов в направлении действия такого поля измеряется небольшим количеством миллиметров или даже долями миллиметра в секунду. Например, при таких напряжениях, какие действуют в осветительной сети, скорость движения электронов составляет 1—3 мм в секунду. В час электроны передвигаются на расстояние всего лишь около 10 м.
Итак, скорость электрического тока — это скорость распространения электрического поля, побуждающего электроны двигаться вдоль провода, а не скорость самих электронов.
Если бы ток распространялся со скоростью электронов, то телеграмма, посланная из Москвы во Владивосток, могла бы прийти туда, например, через 100 лет. Ее получили бы правнуки адресата. При такой скорости Москве пришлось бы ждать 10 лет, пока до нее дойдет ток от Куйбышевской ГЭС, и даже лампочку, простую электрическую лампочку, нам пришлось бы включать за полчаса до того, как нам потребуется ее свет, так как при скорости 10 м. в час электроны добрались бы от выключателя до лампы не раньше чем через полчаса.
Во всех предыдущих примерах мы считали, что имеем дело с постоянным током, который характеризуется движением электронов в одну сторону. При переменном токе электроны совер’шают лишь колебательные движения около среднего положения и вообще не перемещаются на большие расстояния.
Скорость движения электронов в вакууме гораздо больше, чем в проводах.
Это вполне естественно, так как, двигаясь в почти полной пустоте, электроны не испытывают столкновений с другими частицами. Поэтому скорость их движения определяется только ускоряющим действием поля и фактически значительно превышает тепловые скорости. В электронных лампах при анодном напряжении 250 вольт электроны пролетают пространство между катодом и анодом со скоростью около 9 ООО км в секунду. Еще значительно быстрее мчатся электроны в телевизионных трубках, где они разгоняются напряжением во много тысяч йольт.
Скорость электронов в проводнике
Направление теплового движения электронов в проводниках хаотично.
В каждый данный момент времени известное количество электронов имеет такое направление движения, которое должно привести к вылету их за пределы проводника. Однако преодоление поверхностного слоя проводника представляет для электронов серьезное затруднение, так как он отталкивает их внутрь проводника (см. стр. 114). Чтобы прорваться наружу, электроны должны приобрести большую скорость. Например, для того чтобы вылететь из вольфрама — металла, из которого делаются нити накала радиоламп, электроны должны приобрести скорость 1 270 км в секунду.
Такую скорость электроны могут приобрести только в результате сильного нагревания проводника. Когда нужная скорость достигнута, начинается вылет электронов из проводника во внешнее пространство — электронная эмиссия. Проводник из вольфрама для получения нормальной электронной эмиссии должен быть нагрет примерно до 2 500°С.
Таким образом, скорость движения электронов в радиоаппаратуре колеблется в пределах примерно от долей миллиметра до десятков тысяч километров в секунду.
Понятие электрического тока обычно связывается с движением электронов. Мы представляем себе электрический ток как поток бесчисленного количества электронов, несущихся по проводам или через пустоту электронной лампы.
Но электрический ток — это не обязательно поток электронов. Электрический ток есть движение электрических зарядов, а зарядом обладают не только электроны. Да и сам характер движения зарядов может быть различным, в том числе таким, для какого определение «поток» не всегда оказывается подходящим.
Дрейфовая скорость — это средняя скорость движения частиц, например, электронов, приобретаемая в результате воздействия электрического поля.
В общем случае, электрон беспорядочно движется в проводнике со скоростью Ферми. Приложение к проводнику электрического поля вызывает небольшой дрейф беспорядочно движущихся электронов в определённом направлении.
КПД источника тока
Для замкнутой цепи, мощность Pp, выделяемая на внешнем участке цепи, называется полезной мощностью. Она равна
С учетом закона Ома для участка цепи (
I = dfrac
Для замкнутой цепи, мощность Pt, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника, называется теряемой мощностью. Она равна
Полная мощность P источника тока равна
P = P_p + P_t = I^2 cdot R + I^2 cdot r = I^2 cdot left( R + r right). )
Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока
Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью.
Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие – каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой – один. Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает.
Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.
Виды электрического тока
Различают две разновидности тока: постоянный ток и переменный.
Постоянный
Для него характерно неизменное направление движения заряженных частиц. Примером служат сухие батарейки, аккумуляторы небольшой емкости, солнечные батареи и др. Используется в процессе дуговых сварочных работ, при организации движения на электрифицированных железнодорожных полотнах, электролизе алюминия и др. Формируется при помощи специальных генераторов. За его направление принимают движение частиц от «плюса» к «минусу».
Двигатель постоянного тока
Переменный
В данном случае он способен менять свои характеристики: величину и направление движения. Количество изменений за единицу времени называют частотой, измеряющуюся герцами. Его используют на строительных площадках и для промышленных целей (шлифовальное оборудование, электрические дрели и др.)
Электрический ток в разных средах
Мы уже упоминали о том, что в различных средах электрический ток может различаться по типу носителей заряда. Среды можно разделить по характеру проводимости (по убыванию проводимости):
- Проводник (металлы).
- Полупроводник (кремний, германий, арсенид галия и пр).
- Диэлектрик (вакуум, воздух, дистиллированная вода).
В металлах
В металлах есть свободные носители зарядов, их иногда называют «электрическим газом». Откуда берутся свободные носители зарядов? Дело в том, что металл, как и любое вещество, состоит из атомов. Атомы, так или иначе движутся или колеблются. Чем выше температура металла, тем сильнее это движение. При этом сами атомы в общем виде остаются на своих местах, собственно и формируя структуру металла.
В электронных оболочках атома обычно есть несколько электронов, у которых связь с ядром достаточно слабая. Под воздействием температур, химических реакций и взаимодействия примесей, которые в любом случае находятся в металле, электроны отрываются от своих атомов, образуются положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся электроны называются свободными и двигаются хаотично.
Если на них будет воздействовать электрическое поле, например, если подключить к куску металла батарейку – хаотичное движение электронов станет упорядоченным. Электроны от точки, в которую подключен отрицательный потенциал (катод гальванического элемента, например), начнут двигаться к точке с положительным потенциалом.
В полупроводниках
Полупроводниками являются такие материалы, в которых в нормальном состоянии нет свободных носителей заряда. Они находятся в так называемой запрещенной зоне. Но если приложить внешние силы, такие как электрическое поле, тепло, различные излучения (световое, радиационное и пр.), они преодолевают запрещенную зону и переходят в свободную зону или зону проводимости. Электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными, образуя ионы – положительные носители зарядов.
Положительные носители в полупроводниках называются дырками.
Если просто передать энергию полупроводнику, к примеру нагреть, начнется хаотичное движение носителей заряда. Но если речь идет о полупроводниковых элементах, типа диода или транзистора, то на противоположных концах кристалла (на них нанесен металлизированный слой и припаяны выводы) возникнет ЭДС, но это не относится к теме сегодняшней статьи.
Если приложить источник ЭДС к полупроводнику, то носители заряда также перейдут в зону проводимости, а также начнется их направленное движение – дырки пойдут в сторону с меньшим электрическим потенциалом, а электроны – в сторону с большим.
В вакууме и газе
Вакуумом называют среду с полным (идеальный случай) отсутствием газов или минимизированным (в реальности) его количеством. Так как в вакууме нет никакого вещества, то и носителям заряда браться не откуда. Однако протекание тока в вакууме положило начало электронике и целой эпохе электронных элементов – электровакуумных ламп. Их использовали в первой половине прошлого века, а в 50-х годах они начали постепенно уступать месту транзисторам (в зависимости от конкретной сферы электроники).
Допустим, что у нас есть сосуд, из которого откачали весь газ, т.е. в нём полный вакуум. В сосуд помещено два электрода, назовем их анод и катод. Если мы подключим к катоду отрицательный потенциал источника ЭДС, а к аноду положительный – ничего не произойдет и ток протекать не будет. Но если мы начнем нагревать катод – ток начнет протекать. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией – испускание электронов с нагретой поверхности электрона.
На рисунке изображен процесс протекания тока в вакуумной лампе. В вакуумных лампах катод нагревают расположенной рядом нитью накала на рис (Н), типа такой, как в осветительной лампе.
При этом, если изменить полярность питания – на анод подать минус, а на катод подать плюс – ток протекать не будет. Это докажет, что ток в вакууме протекает за счет движения электронов от КАТОДА к АНОДУ.
Газ также как и любое вещество состоит из молекул и атомов, это значит, что если газ будет находиться под воздействием электрического поля, то при определенной его силе (напряжение ионизации) электроны оторвутся от атома, тогда будут выполнены оба условия протекания электрического тока – поле и свободные носители.
Как уже было сказано, этот процесс называется ионизацией. Она может происходить не только от приложенного напряжения, но и при нагреве газа, рентгеновском излучении, под воздействием ультрафиолета и прочего.
Ток через воздух потечет, даже если между электродами установить горелку.
Протекание тока в инертных газах сопровождается люминесценцией газа, это явление активно используется в люминесцентных лампах. Протекание электрического тока в газовой среде называется газовым разрядом.
В жидкости
Допустим, что у нас есть сосуд с водой в который помещены два электрода, к которым подключен источник питания. Если вода дистиллированная, то есть чистая и не содержит примесей, то она является диэлектриком. Но если мы добавим в воду немного соли, серной кислоты или любого другого вещества, образуется электролит и через него начнет протекать ток.
Электролит – вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы.
Если в воду добавить медный купорос, то на одном из электродов (катоде) осядет слой меди – это называется электролиз, что доказывает что электрический ток в жидкости осуществляется за счет движения ионов – положительных и отрицательных носителей заряда.
Электролиз – физико-химический процесс, который заключается в выделении на электродах компонентов составляющих электролит.
Таким образом происходит омеднение, золочения и покрытие другими металлами.
Метод узловых потенциалов
Электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника.
В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону. Выводы Благодаря умению читать схемы электрические принципиальные, вы можете определить: 1. Всю классификацию перечислить очень трудно.
Тут типа давление минимальное нулевое. Некоторые материалы при низких температурах переходят в состояние сверхпроводимости.
Поэтому в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы. На проводах при работе выделяется тепло, которое зависит от двух параметров: Электрического тока. По этому признаку в электротехнике электрические цепи разделяют на контуры цепей.
Коммутационные устройства:
Движуха идет из области высокого давления в область низкого давления. Чтобы определить назначение выводов, нужно воспользоваться одним из поисковых запросов: 1.
Джоулем и Э. Эти перемещающиеся электроны и представляют собой переменный ток, сила которого одинакова по обе стороны конденсатора. L — условное изображение лампочки накаливания.
В это время у вас на щеки молекулы воздуха будут оказывать давление. Она возникает из-за наличия емкостного сопротивления. Давление мы создали, но электрического тока до сих пор нету. Следовательно, толстый проводок при одинаковом напряжении можно протащить больше электронов, чем тонкий.
Его номинал Ампер. При очень высоких частотах заряды могут совершать колебательное движение — перетекать из одних мест цепи в другие и обратно.
В чём разница между НАПРЯЖЕНИЕМ и ТОКОМ
