ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Лекция №14

Электрическим током называется направленное движение зарядов. За направление тока принимается направление движения + зарядов. Свойство тел пропускать электрический ток называется проводимостью. По этому признаку все тела можно условно разделить на проводники и изоляторы.

Линия тока – это линия, вдоль которой движутся заряды, участвующие в электрическом токе. Трубка тока – трубка, боковые стенки которой образованы линиями тока.

Сила тока I – физическая величина, характеризующая скорость потока заряженных частиц, равная количеству электричества Δq, проходящему через поперечное сечение проводника за время Δt, отнесенному к этому интервалу времени: I= Dq/Dt или dq/qt.

Плотность тока j – векторная величина, связывающая силу тока с поперечным сечением проводника. Плотность тока равна количеству электричества Δq, проходящему через поперечное сечение проводника Δ S за время Δt, отнесенное к этой площадке и этому интервалу времени.

Связь силы и плотности тока

Связь плотности тока со скоростью упорядоченного движения носителей заряда

Источники тока бывают механическими, работа которых основана на механическом трении и явлении электромагнитной индукции, химические, фотоэлектрические, тепловые..

Электроизмерительные приборы. Первоосновой всех электроизмерительных приборов является гальванометр -высокочувствительный прибор для измерения малых электрических токов. Для измерения токов служит амперметр, который включается последовательно проводнику с током. Гальванометр превращается в амперметр путем шунтирования – параллельно гальванометру подключается шунт имеющий малое сопротивление, так что основной ток, текущий по проводнику, пропускается через шунт. Для измерения напряжения служит вольтметр, который включается параллельно проводнику. Гальванометр превращается в вольтметр подключением дополнительного сопротивления большой величины, чтобы обеспечить малость тока, текущего по гальванометру.

Лекция №15

Закон Ома. При приложении напряжения к проводнику сила тока, текущего по нему, пропорциональна приложенному напряжению. Для различных проводников зависимость I(U) имеет различный наклон, откуда следует вывод: сила тока в проводнике, независимо от его проводящих свойств, пропорциональна напряжению – I=GU, где G- проводимость проводника. Однако общеупотребительной является обратная величина – сопротивление проводника R:.

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Для однородного проводника его сопротивление прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения: R=rI/S, где r - удельное сопротивление.

Параллельное соединение проводников 1/R_общ=1R₁+1/R₂+1/R₃ +…

Последовательное соединение проводников R_общ=R₁+R₂+R₃ +…

Смешанное соединение проводников. Определение общего сопротивления при смешанном соединении проводников основано на законах Кирхгофа:

1. Сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, исходящих из него

2. Сумма напряжений на отдельных участках замкнутой цепи равна сумме ЭДС в этой цепи: Ʃ U_i =Ʃ E _i

Закон Ома в дифференциальной форме. В качестве модели для вывода этого закона используется бесконечно малый объем проводника в виде цилиндра, ось которого совпадает в направлением линии тока. j=sE

Закон Ома для цепи, содержащей ЭДС: I=E/(R+r) U=E-Ir

Закон Джоуля – Ленца в интегральной форме: Q=I²Rt

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении электрического тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Если сила тока изменяется с течением времени, то

R dt

Закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме. В качестве модели для вывода этого закона используется бесконечно малый объем проводника в виде цилиндра, ось которого совпадает c направлением линии тока. w=sE²

Механизмы проводимости. Два принципиальных вопроса:

1. Почему для множества проводников из разных материалов, находящихся в различном агрегатном состоянии (твердое тело, жидкость, газ) справедлив закон Ома?

2. Носитель тока в проводнике испытывает воздействие электрического поля и поэтому должен двигаться с ускорением. Следовательно, скорость упорядоченного движения V_у должна линейно нарастать со временем при приложении постоянного напряжения к проводнику.

Феноменологическая теория проводимости: в течении времени τ носитель заряда беспрепятственно движется под действием электрического поля. По истечению этого времени происходит некое взаимодействие, в результате которого полностью теряется V_у . Этот процесс периодически повторяется.

Лекция №16

Природа электрического тока в металлах. Опыт Рикке. Целью данного эксперимента было выяснение вопроса – существует ли хотя бы в малейшей степени перенос вещества при прохождении тока по металлу? С этой целью Рикке взял три цилиндра с тщательно отполированными торцами, составил из них электрическую цепь, и пропускал по этой цепи ток в одном направлении в течение длительного времени (1 год). Оказалось, что на контактирующих торцах цилиндров не обнаружено следов другого металла. Отсюда следовал вывод, что прохождение электрического тока по металлу не связано с переносом вещества.

Опыт Стюарта и Толмена. Идея эксперимента: если проводник разогнать до большой скорости и затем резко затормозить, то свободные носители заряда продолжат движение по инерции, и в цепи должен возникнуть кратковременный ток. Его реализация – катушка, на которую намотана проволока, приводится во вращательное движение и затем резко тормозится. Концы проволоки посредством скользящих контактов соединены с гальванометром. На основании этих экспериментов удалось определить отношение e/m носителей заряда в металлах. Оно оказалось равным 1,8·10¹¹ Кл/кг. Эта величина совпала с отношением e/m для электрона, найденным ранее из других опытов.

Классическая теория проводимости металлов. Друде и Лорентц предложили рассматривать электроны в металле как свободный газ. Скорость теплового хаотического движения свободных электронов определяется соотношением:

При комнатной температуре она составляет величину ~10⁵ м/с

Скорость упорядоченного движения электронов в металле. Ее величину можно оценить, считая, что на каждый атом металла приходится по одному свободному электрону. Даже при сравнительно больших токах она составляет всего ~ 10^-3м/с.

Контактные явления. Понятие о работе выхода. Работа выхода – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла в вакуум на ∞. В классическом варианте работа выхода – это работа, совершаемая против сил зеркального изображения F_з.и.. Проблема интегрирования от 0 решается в предположении о существовании двойного электрического слоя на границе металла, где а- толщина этого слоя

Контактная разность потенциалов.

Контактная разность потенциалов обусловлена выравниваем токов, текущих из одного металла в другой. Если в замкнутой цепи из двух разнородных металлов изменить температуру одного из контактов, то в цепи появляется ток за счет возникновения термоэдс.

Эффект Пельтье состоит в том, что при пропускании тока по цепи, составленной из разнородных металлов, на фоне Ленц-Джоулева тепла на одном из контактов происходит дополнительное выделение теплоты, а на другом– ее поглощение. Этот эффект объясняется различием средней энергии электронов в этих металлах.

Ток в жидкостях Ток в жидкостях связан с переносом вещества

Закон Фарадея: масса вещества (m), выделившегося на катоде, прямо пропорциональна заряду (q), прошедшему через электролит:

m = k·I·Δt = k·q

где k— электрохимический эквивалент вещества численно равный массе выделившегосявещества, при переносе заряда в 1 Кл.

Лекция №17

Электрический ток в газах . Идеальный газ является изолятором. Поэтому электрический ток в газе (газовый разряд) возникает в результате какого-либо внешнего воздействия.

Ионизация - В результате внешнего воздействия нейтральная молекула (атом) распадается на + и – ионы (+ ион и – электрон). Δn_i – число пар ионов, возникающих в единице объема в единицу времени под действием внешнего ионизатора

Рекомбинация – процесс соударения + и – ионов, в результате которого восстанавливается нейтральная молекула. Δn_r – число пар ионов, рекомбинирующих в единице объема в единицу времени.

Прохождение тока в газе: + и – ионы достигают пластин, где они превращаются в нейтральные частицы. Δn_j – число пар ионов, уходящих из объема вследствие прохождения электрического тока.

Случай слабого поля. В случае слабого поля изменением концентрации пар ионов вследствие прохождения тока можно пренебречь

В этом случае выполняется закон Ома.

Случай сильного поля. В случае сильного поля процессом рекомбинации можно пренебречь – все пары ионов, возникшие под действием внешнего ионизатора, успевают достичь пластин

В этом случае плотность тока не зависит от Е

Виды газовых разрядов: Тлеющий разряд - наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше (реклама). Искровой разряд - возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос (молния). Дуговой разряд - одна из форм газового разряда при большой плотности тока и небольшом напряжении между электродами.

Электрический ток в вакууме. Идеальный вакуум является идеальным изолятором. Электрический ток в вакууме возникает только в результате каких-либо внешних воздействиях.

Термоэлектронная эмиссия – эмиссия электронов под действием тепла. Вакуумный диод состоит из накаливаемого катода и коаксиального ему анода. ВАХ ( зависимость силы тока I от напряжения U) вакуумного диода имеет два участка- область пространственного заряда и режим тока насыщения.

Фотоэлектронная эмиссия – эмиссия электронов под действием света. В вакуумном приборе для наблюдения ФЭЭ свет через окошко попадает на катод, выбивая из него электроны.

Законы фототока:

1.Фототок в режиме насыщения пропорционален интенсивности светового потока.

2. Максимальная скорость вылетающих электронов не зависит от интенсивности светового потока, а определяется только длиной волны λ падающего света.

3. Существует красная граница фотоэффекта λ_гр. Для света с λ> λ_гр фототок отсутствует при любой интенсивности светового потока.

Уравнение Эйнштейна

Полевая эмиссия – эмиссия электронов в сильных электрических полях. Когда величина напряженности электрического поля у поверхности катода достигает ~ 10⁷ В/см, то потенциальный барьер на границе катод – вакуум становится тонким, так что электроны «просачиваются» сквозь этот барьер, не меняя своей энергии. Это чисто квантовый эффект, который не может быть объяснен в рамках классической физики. На основе этого эффекта создан сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий получить изображение отдельных атомов.

Вторичная эмиссия – эмиссия электронов, ионов под действием бомбардировки поверхности различного рода частицами. Если число частиц, вылетающих с бомбардируемой поверхности, превышает число частиц, падающих на нее, то это может быть использовано для регистрации слабых потоков заряженных частиц или света. Анализ по энергии электронов, вылетающих с поверхности, используется для определения химического состава и электронной структуры различных материалов.

Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 406; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!