Доклад: Электрический ток в различных средах 2. Вольт амперная характеристика тока в металлах

1.3.Электрический ток в газах.

В отличие от растворов электролита, газ при нормальных условиях состоит из нейтральных молекул (или атомов) и поэтому является диэлектриком. Проводником электрического тока газ становится только в том случае, когда хотя бы часть его молекул ионизируется (превращается в ионы) под влиянием ионизатора. Наряду с ионизацией в газе идет процесс рекомбинации ионов. При наличии внешнего электрического поля в ионизированном газе возникает ток, обусловленный движением разноименных ионов во взаимно противоположных направлениях и движением электронов. Благодаря малой вязкости газа, подвижность газовых ионов в тысячи раз больше, чем ионов электролитов. При прекращении действия ионизатора, концентрация иона в газе быстро падает до 0 (в связи с рекомбинацией) и ток прекращается.

Ток, для существования которого необходим внешний ионизатор, называется несамостоятельным газовым разрядом. При достаточно сильном электрическом поле в газе начинаются процессы самоионизации, благодаря которым ток может существовать и при отсутствии внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельным газовым разрядом.

Вольт-амперная характеристика газового разряда.

На участке кривой Оа сила тока возрастает пропорционально напряженности поля (по закону Ома). Возрастание тока прекращается когда все созданные внешним ионизатором заряженные частицы достигают электродов (участок вс). Сила тока насыщения зависит от мощности ионизатора. При достаточно большой напряженности начинается самоионизация газа, а при дальнейшем увеличении Е возникает самостоятельный газовый разряд (справа от точки d).

Существует четыре вида самостоятельного газового разряда – тлеющий, коронный, искровой и дуговой.

1.4. Термоэлектронная эмиссия. Электровакуумные приборы.

Термоэлектронная эмиссия – это явление покидания электролитами поверхности металлов под действием температуры. Это явление лежит в основе работы электровакуумных приборов.

Диод состоит их двух электродов – анода и катода, помещенных в вакуум. При нагревании катода, вокруг него создается электронное облако и наступает динамическое равновесие.

Если между анодом и катодом действует электрическое поле [на аноде (+), на катоде (-)], то электроны устремятся к аноду. По мере увеличения приложенного напряжения будет увеличиваться и ток до тех пор, пока все вылетевшие с катода электроны не попадут на анод. Этот ток называется током насыщения при данной температуре катода.

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода.

При увеличении температуры катода увеличивается ток насыщения, а при уменьшении уменьшается. Если изменить направление электрического поля, то ток проходить через диод не будет. Это свойство односторонней проводимости диода применяется для выпрямления переменного электрического тока.

Полупроводниковый триод.

Лампа триод содержит три электрода – анод, катод и сетку. Анодным током триода можно управлять напряжением на сетке, причем небольшим изменениям этого напряжения будут соответствовать значительны изменения анодного тока.

Это объясняется тем, что сетка расположена вблизи от катода, поэтому влияние сеточного напряжения на анодный ток преобладает над влиянием анодного напряжения. Если на сетке положительное напряжение, то ее поле ускоряет электроны и анодный ток увеличивается, а при некотором значении –Uсэлектроны не могут преодолеть этот барьер и анодный ток вообще прекращается (лампа «замирается»).

Триод имеет семейства анодных и сеточных характеристик:

Анодные характеристики при

Сеточные характеристики при.

По этим характеристикам определяются внутреннее сопротивление лампы триода Riи крутизна анодно-сеточной зависимости (S).

;; [Ом]

;;. Произведение этих параметров определяет статический коэффициент усиления лампы

Основное применение триода и многоэлектродных электронных ламп – усиление и генерирование электрических колебаний, а также в приемных и передающих устройствах телевидения и других устройствах визуализации быстропротекающих процессов.

studfiles.net

Электрический ток в металлах. Сила тока. Напряжение, сопротивление.

Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основе гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов.

Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1).

Рис.1

Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой.

Упорядоченное движение зарядов в электрическом поле называется электрическим током.

Условия существования электрического тока:

1. наличие свободных носителей заряда;

2. наличие электрического поля, (с силовой точки зрения , с энергетической - ).

За направление электрического тока принято считать направление движения положительных

Рис. 2 зарядов, хотя, зачастую ток обусловлен движением

отрицательных зарядов, как, например, в металлах.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока.

Сила тока – величина, равная заряду, перенесенному через сечение проводника за единицу времени (рис.2).

Единицей измерения силы тока является ампер [А].

Интенсивность электрического тока характеризуется плотностью тока.

Плотность тока – это заряд прошедший через сечение проводника площадью S за время .

Электрический ток, у которого сила тока не изменяется, называется постоянным.

Разность потенциалов, создаваемая на концах проводника называется напряжением. И подобно потенциалу измеряется в вольтах [В]

Величина, характеризующая способность вещества препятствовать прохождению по нему электрического тока называется сопротивлением.

Сопротивление зависти от материала проводника, его размеров и температуры:

где l, S – длина и площадь сечения проводника, - удельное сопротивление

где - удельное сопротивление при С; - температурный коэффициент сопротивления металла; t – температура.

Сопротивление обозначается символом R и измеряется в омах [Ом].

Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении проводников (рис.3) сила тока во всех проводниках одинакова:

Рис. 3

По закону Ома, напряжения U1 и U2 на проводниках равны

U1 = IR1, U2 = IR2.

Общее напряжение U на обоих проводниках равно сумме напряжений U1 и U2:

U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR,

где R – электрическое сопротивление всей цепи. Отсюда следует:

При последовательном соединении полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

При параллельном соединении (рис. 4) напряжения U1 и U2 на обоих проводниках одинаковы:

Сумма токов I1 + I2, протекающих по обоим проводникам, равна току в неразветвленной цепи:

Этот результат следует из того, что в точках разветвления токов (узлы A и B) в цепи постоянного тока не могут накапливаться заряды. Например, к узлу A за время Δt подтекает заряд IΔt, а утекает от узла за то же время заряд I1Δt + I2Δt. Следовательно, I = I1 + I2.

Рис. 4

Электрическое сопротивление всей цепи R, определяют из выражения:

При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

Электрический ток в жидкостях, металлах, газах, вакууме. Электролиз, законы Фарадея, ионизация, термоэлектронная эмиссия. Курсы по физике

Тестирование онлайн

Электрический ток в различных средах. Основные понятия

Электрический ток в жидкостях

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.

В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

Электрохимический эквивалент вещества - табличная величина.

Второй закон Фарадея:

Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

Электрический ток в металлах

При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления - табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.

Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-2730C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость - микроскопический квантовый эффект.

Применение электрического тока в металлах

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

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма - наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

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

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum - пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии - испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) - приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток - катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны - анод.

fizmat.by

Доклад - Электрический ток в различных средах 2

Электрический Ток в металлах.

Носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны. На основании электронной проводимости в металлах можно вывести закон Ома. Кинетическая энергия электрона к моменту соударения его в конце свободного пробега (свободный пробег электрона — расстояние между двумя соседними ударами) Обозначим время свободного пробега (интервал времени, за которое электрон проходит длину свободного пробега) через т. Все электроны проводимости, которые имеются в участке проводника длиной l и сечением S, приобретают энергию, равную

где v — скорость электрона перед его столкновением с ионом. Средняя скорость Г7 направленного движения в результате действия электрического стационарного поля будет равна

Считаем, что движение электрона между ударами равноускоренное. В формулу, выражающую силу тока через микроскопические величины (I = neSv), подставим

получим: 2I = neSv. Из этого выражения находим:

которое подставим в формулу (3.18) и получим:

В выражение (3.19) все величины, стоящие перед I, не зависят от напряжения и поэтому:

Таким образом, сила тока пропорциональна напряжению. Вольт-амперная характеристика для металлов представлена на рис. 53. Зная силу тока I, заряд электрона е, площадь поперечного сечения проводника и концентрацию электронов, можно определить скорость упорядоченного движения электронов, так называемую дрейфовую скорость.

НАЗНАЧЕНИЕ:

Электрический ток присутствует везде, он течет: в нашем организме, передавая нервные импульсы, в атмосфере, вызывая разряды молнии и тому подобное, и, конечно же, в электрических приборах, протекая по металлическим проводам.

УСТРОЙСТВО:

Электрический ток в металлах — это движение отрицательно заряженных свободных электронов под действием электрического поля в пространстве между положительно заряженными ионами упорядоченной кристаллической решетки металла.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ:

Отрицательно заряженные свободные электроны совершают хаотическое движение в пространстве между ионами, но под действием электрического поля они начинают смещаться в сторону положительно заряженного электрода. Скорость этого смещения очень мала, примерно, 1 мм в секунду. Однако электрическое поле распространяется по проводнику со скоростью света (300 000 км/c), и, так как все электроны начинают двигаться одновременно, получается что ток движется со скоростью света!

Электрический Ток в Полупроводниках

Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Этим полупроводники принципиально отличаются от металлов. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены кова-лентной связью. При любых температурах в полупроводниках имеются свободные электроны. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение дырок — дырочный ток проводимости. В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках называется собственной проводимостью. Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов — донорные и акцепторные. Примеси, отдающие электроны и создающие электронную проводимость, называются донорными (примеси, имеющие валентность больше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называют полупроводниками n-типа. Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси имеющие валентность меньше, чем у основного полупроводника). При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями — электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости. Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны из n-полупроводника диффундируют в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим. Внешнее электрическое поле влияет на электропроводность запирающего слоя. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 55, то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда — свободные электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике — будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление. В этом случае сила тока ограничивается внешним сопротивлением. Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Прямому включению p-n-перехода соответствует участок 1 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 57). Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики обобщены в табл. 1. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 56, то электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут перемещаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположные стороны. Толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются. При таком направлении внешнего электрического поля — обратном (запирающем) через границу раздела проходят только неосновные носители заряда, концентрация которых много меньше, чем основных, и ток практически равен нулю. Обратному включению р-п-перехода соответствует участок 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57). Таким образом, р-п-переход обладает несимметричной проводимостью. Это свойство используется в полупроводниковых диодах, содержащих один p-n-переход и применяемых, например, для выпрямления переменного тока или детектирования. Полупроводники находят широкое применение в современной электронной технике. Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых металлов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах — терморезисторах. Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами.

Электрический Ток в электролитах

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза. Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду ), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора: При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду (рис 4.15.1). Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают но одному электрону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl2. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков. Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO4 (медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди. Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно получить химически чистую медь. Ион отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO4 вступает во вторичную реакцию с медным анодом Образовавшаяся молекула сульфата меди переходит в раствор. Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит: Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду:

Здесь m0 и q0 – масса и заряд одного иона, – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0 иона данного вещества к его заряду q0. Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q0 = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде

F = eNA = 96485 Кл / моль.

Здесь NA – постоянная Авогадро, M = m0NA – молярная масса вещества, F = eNA – постоянная Фарадея.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества. Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:

Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве.

Электрический Ток в Газах

В газах существуют несамостоятельные и самостояг тельные электрические разряды.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы, называется плазмой.

Носителями электрического тока при несамостоятельном разряде являются положительные ионы и отрицательные электроны. Вольт-амперная характеристика представлена на рис. 54. В области ОАВ — несамостоятельный разряд. В области ВС разряд становится самостоятельным.

При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега А приобретает кинетическую энергию Wk, достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома. Виды самостоятельных разрядов в газах — искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.

Искровой разряд возникает между двумя электродами заряженными разными зарядами и имеющие большую разность потенциалов. Напряжение между разноименно заряженными телами достигает до 40 000 В. Искровой разряд кратковременный, его механизм — электронный удар. Молния — вид искрового разряда. В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом. Электрический дуговой разряд был открыт русским ученым В. В. Петровым в 1802 г. При соприкосновении двух электродов из углей при напряжении 40-50 В в некоторых местах возникают участки малого сечения с большим электрическим сопротивлением. Эти участки сильно разогреваются, испускают электроны, которые ионизируют атомы и молекулы между электродами. Носителями электрического тока в дуге являются положительно заряженные ионы и электроны. Разряд, возникающий при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом. При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной.

Электрический Ток в Вакууме

Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то электрический ток в вакууме не возникает — нет носителей электрического тока. Американский ученый Т. А. Эдисон (1847-1931) в 1879 г. обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе может возникнуть электрический ток, если один из находящихся в ней электродов нагреть до высокой температуры. Явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией. Работа, которую нужно совершить для освобождения электрона с поверхности тела, называется работой выхода. Явление термоэлектронной эмиссии объясняется тем, что при повышении температуры тела увеличивается кинетическая энергия некоторой части электронов в веществе. Если кинетическая энергия электрона превысит работу выхода, то он может преодолеть действие сил притяжения со стороны положительных ионов и выйти с поверхности тела в вакууме. На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электронных ламп.

www.ronl.ru

Электрический ток в металлах - материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов 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.

Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

Опыт Рикке

Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 2. Опыт Рикке

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3.

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

Зависимость сопротивления от температуры

Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:

(1)

Здесь R_0 — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4).

Рис. 4.

Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и R_0 через удельное сопротивление:

и подставим эти формулы в (1). Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки

Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.

Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.

Звоните нам: 8 (800) 775-06-82 (бесплатный звонок по России) +7 (495) 984-09-27 (бесплатный звонок по Москве)

Или нажмите на кнопку «Узнать больше», чтобы заполнить контактную форму. Мы обязательно Вам перезвоним.

ege-study.ru

Электрический ток в металлах

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.

Эл.ток оказывает магнитное и тепловое действие.

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).

ρу = ρоу ( 1 + α ∆Т )

где ρоу - удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α - термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т - То - изменение температуры.

Применение: соед-ые провода, нагревательные элементы.

Электрический ток в полупроводниках.

Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и изменения освещенности .Имеют атомную кристаллическую решетку. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10-3 до 107 Ом ·м. Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния.

В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает возникновение свободных электронов и "дырок"- вакантных положительных мест с недостающим электроном. При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя "дырку" в соседнем атоме. Таким образом не только электроны, но и "дырки" могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение - возникнет электрический ток.

Природа тока.

1)Собственная проводимость. Носители заряда - электроны и дырки. Ток создается равным количеством электронов и "дырок". При повышении температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и "дырок".Возникает при внесении примеси с большей проводимостью.

2)Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).Основные носители зарядов электроны, неосновные - дырки. Магнитное и тепловое действие.

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In).Основные носители зарядов дырки. Магнитное действие и тепловое.

Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T.

Принцип действия полупроводникового диода основан на свойстве односторонней проводимости p-n перехода. Основное применение полупроводникового диода - выпрямитель тока.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

ignorik.ru

Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ) | Сварка и сварщик

Статическая вольт-амперная характеристика дуги показывает зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги при постоянной ее длине.

Характеристика имеет три области

Первая область I характеризуется резким падением напряжения Uд на дуге с увеличением тока сварки Iсв. Такая характеристика называется падающей и вызвана тем, что при увеличении тока сварки происходит увеличение площади, а следовательно, и электропроводности столба дуги.

Во второй области II характеристики увеличения тока сварки не вызывают изменения напряжения дуги. Характеристика дуги на этом участке называется жесткой. Такое положение характеристики на этом участке происходит за счет увеличения сечения столба дуги, анодного и катодного пятен пропорционально величине сварочного тока. При этом плотность тока и падение напряжения на протяжении всего участка не зависят от изменения тока и остаются почти постоянными.

В третьей области III с увеличением сварочного тока возрастает напряжение на дуге Uд. Такая характеристика называется возрастающей. При работе на этой характеристике плотность тока на электроде увеличивается без увеличения катодного пятна, при этом возрастает сопротивление столба дуги и напряжение на дуге увеличивается.

Род тока при сварке - постоянный или переменный, полярность на постоянном токе может быть прямой (минус от источника на электроде), или обратной (минус от источника присоединяется к детали).

Ток обратной полярности применяют при сварке тонкого металла легкоплавких сплавов, легированных, специальных и высокоуглеродистых сталей, чувствительных к перегреву, при полуавтоматической сварке арматуры и металлоконструкций легированной проволокой сплошного сечения, при сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием.

При сварке на переменном токе полярность электродов и условия существования дуги периодически изменяются в соответствии с частотой тока.

В каждом полупериоде ток и напряжение меняют полярности при переходе синусоиды через нулевое значение. Дуга при этом угасает, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Повторное зажигание дуги в новом полупериоде происходит при повышенном напряжении - пике зажигания, которое выше напряжения на дуге.

Для повышения устойчивости дуги переменного тока добавляют в покрытия электродов и сварочные флюсы такие материалы, как мел, мрамор, полевой шпат и др., содержащие калий, натрий, кальций и другие элементы.

Газы, вводимые в зону горения дуги для защиты расплавленного металла, оказывают влияние на зажигание дуги переменного тока. При сварке с инертными газами (гелий, аргон) зажигание дуги затруднено, но возбужденная дуга горит устойчиво.

При сварке вольфрамовым электродом в среде аргона происходит испарение частиц металла с поверхности сварочной ванны и ближайших холодных зон, вместе с которыми удаляются и окисные пленки, что улучшает условия сварки и качество шва.

Углекислый газ при сварке на переменном токе действует отрицательно, поэтому сварка в углекислом газе применяется преимущественно на постоянном токе обратной полярности.

Источники питания сварочной дуги имеют также свои вольт-амперные характеристики, которые могут быть падающими, жесткими и возрастающими.


возрастающая	жесткая	падающая

Для стабильного горения дуги необходимо, чтобы было равенство между напряжениями и токами дуги (Uд, Iд) и источника питания (Uп, Iп).

Источники питания с падающей и жесткой характеристиками применяют при ручной дуговой сварке, с возрастающей характеристикой - при полуавтоматической сварке, с жесткой и возрастающей - при автоматической сварке под флюсом и для наплавки.

Устойчивое горение сварочной дуги возможно только в том случае, когда источник питания сварочной дуги поддерживает постоянным необходимое напряжение при протекании тока по сварочной цепи.

Работу сварочной цепи и дуги нужно рассматривать при наложении статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) сварочной дуги на статическую вольт-амперную характеристику источника питания (называемую также внешней характеристикой источника питания) .

Ручная электросварка обычно сопровождается значительными колебаниями длины дуги. При этом дуга должна гореть устойчиво, а ток дуги не должен сильно изменяться. Также часто требуется увеличить длину дуги, поэтому дуга должна иметь достаточный запас эластичности при удлинении, т. е. не обрываться.

Статическая характеристика сварочной дуги при ручной сварке обычно является жесткой, и отклонение тока при изменении длины дуги зависит только от типа внешней характеристики источника питания. При прочих равных условиях эластичность дуги тем выше, а отклонение тока дуги тем меньше, чем больше наклон внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной электросварки применяются источники питания с падающими внешними характеристиками. Это дает возможность сварщику удлинять дугу, не опасаясь ее обрыва, или уменьшать длину дуги без чрезмерного увеличения тока. Также обеспечиваются высокая устойчивость горения дуги и ее эластичность, стабильный режим сварки, надежное первоначальное и повторное зажигание дуги благодаря повышенному напряжению холостого хода, ограниченный ток короткого замыкания.

Ограничение этого тока имеет большое значение, так как при ручной дуговой сварке происходит переход капли расплавленного металла электрода на изделие, и при этом возможно короткое замыкание.

При больших значениях тока короткого замыкания происходят прожоги металла, прилипание электрода, осыпание покрытия электрода и разбрызгивание расплавленного металла. Обычно значение тока короткого замыкания больше тока дуги в 1,2-1,5 раз.

Основными данными технических характеристик источников питания сварочной дуги являются напряжение холостого хода, номинальный сварочный ток, пределы регулирования сварочного тока.

Напряжение холостого хода источника сварочного тока - напряжение на его зажимах при отсутствии дуги, номинальный сварочный ток - допустимый по условиям нагрева источника питания ток при номинальном напряжении на дуге.

В процессе сварки непрерывно меняются значения тока и напряжения на дуге в зависимости от способа первоначального возбуждения дуги и при горении дуги - характера переноса электродного металла в сварочную ванну.

При сварке капли расплавленного металла замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги, происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, затем к горению дуги с образованием капли расплавленного металла, которая вновь замыкает дуговой промежуток. При этом ток возрастает до величины тока короткого замыкания, что приводит к сжатию и перегоранию мостика между каплей и электродом. Напряжение возрастает, дуга вновь возбуждается, и процесс периодически повторяется.

Изменения тока и напряжения на дуге происходят в доли секунды, поэтому источник питания сварочной дуги должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. быстро реагировать на все изменения в дуге.

weldering.com