Лекция 14

Date: 2014-03-11; view: 4261.

Потенциалдар айырымы, электр қозғаушы күшi, кернеу. Кирхгоф ережелерi. Газдардағы электр тогы. Тұтас орталардағы электр тогы. Плазма.

Тегі электрлік емес күштер (бөгде күштер) қатысатын біртекті емес тізбектің бөлігін 1-2 қарастырамыз.

арқылы 1-2 бөліктегі ЭҚК-ті; бөліктің ұштарына түсірілген потенциалдар айырымын-арқылы белгілейміз.

орын ауыстырғанда күштің жасайтын жұмысы:

ЭҚК I ток күші сияқты скалярлық шама болып табылады. Егер ЭҚК таңдап алған бағытта оң таңбалы зарядтардың қозғалысына мүмкіндік туғызса, онда , егер мүмкіндік туғызбаса, онда.

t уақыт өткізгіште бөлінетін жылу:

Осыдан біртекті емес тізбектің бөлігі үшін интегральдық формадағы Ом заңы шығады, бұл Ом заңының жинақталған қортынды заңы болып табылады:

немесе

I=

Дербес жағдайларда.

1) Егер берілген тізбектің бөлігінде ток көздері болмаса, онда біз біртекті тізбек бөлігі үшін Ом заңын аламыз:

2) Егер тізбек тұйықталған болса (), онда тұйық тізбек үшін Ом заңын аламыз:

Мұндағытізбектегі әсер ететін ЭҚК,

R-барлық тізбектің қосынды кедергісі,

R_сырт -сыртқы тізбектің кедергісі,

r_ішкі-ток көзінің ішкі кедергісі.

3) Егер тізбек ажыраған болса, онда I=0 және , яғни ажыраған тізбектегі әсер ететін ЭҚК оның ұштарындағы потенциалдар айырымына тең.

4) Қысқа тұйықталу жағдайында сыртқы тізбектің кедергісі R_сырт=0 және бұл жағдайда ток күші тек ток көзінің ішкі кедергісімен шектеледі.

Тармақталған тізбек үшін Кирхгоф ережелері.

Электр тізбегінің түйінідеп тогы бар кемінде үш өткізгіш бір жерде тоғысатын тармақталған тізбектің кез келген нүктесін айтады.Түйінге кіретін токты оң таңбалы деп, ал түйіннен шығатын токты теріс таңбалы деп санайды.

Кирхгофтың бірінші ережесі-түйінде тоғысатын токтардың алгебралық қосындысы нолге тең.

Мысалы, суреттегі А түйіні үшін Киргофтың бірінші ережесі:

Киргофтың екінші ережесі- кез келген тұйық контурда өз бетінше таңдап алынған тармақталған электр тізбегінде, осы контурдың сәйкес бөліктерінің ток күштерінің кедергілерге көбейтіндісінің алгебралық қосындысы осы контурда кездесетін ЭҚК алгебралық қосындысына тең болады.

Мысалы, АВСД тұйық контурын сағат тілі бағытымен орап өткенде Кирхгофтың екінші ережесі мына түрде болады:

Күрделі тізбекті Кирхгоф ережесін пайдаланып есептеу кезіндегі қажеттілер:

1. Тізбектің барлық бөлігіндегі токтың бағытын өз бетінше таңдап алу керек: есеп шығару барысында токтың шын бағыты анықталады. Егер ізделініп отырған ток оң таңбалы болса, онда оның бағыты дұрыс таңдалған, егер теріс таңбалы болса, онда оның шын бағыты таңдап алған бағытқа қарама-қарсы болғаны.

2. Контурды орап өту бағытын таңдау керек және оны қатаң сақтап отыру керек: егер ток берілген бөлікте орап өту бағытымен дәл келсе, онда көбейтіндісі оң. ЭҚК контурды таңдап алынған орап өту бағытында әсер ететін болса, онда ол оң деп, егер қарсы болса теріс деп саналады.

3. Ізделіп отырған шаманың санына тең теңдеу құру керек (теңдеу жүйесіне қарастырылып отырған тізбектің барлық кедергісі және ЭДС кіруі керек). Құрылып отырған теңдеу құрылып қойған теңдеудің жай комбинациясы болмауы үшін, әрбір қарастырылып отырған контурға алдыңғы контурда жоқ бір элемент кіруі керек.

Металдағы электр тогы.

Металдағы электр тогының тасушылары еркін электрондар болып табылады.

Кристалдық тор құрылу кезінде атомның сыртқы қабатындағы электрондар (валентті электрондар) ортақтасады және кристалл металдың қозғалмайтын ионнан тұратын тор құрады, тордың арасында еркін электрондар ретсіз қозғалып, идеал газ қасиеттеріндей қасиетке ие электронды газ жасайды.

Друде-Лоренц теориясы бойынша электрондар бір атомды молекула сияқты жылулық қозғалыс энергиясын иеленеді. Электрондардың жылулық қозғалысының орташа жылдамдығы

мұндағы Дж/К – Больцман тұрақтысы, кг – электрон массасы, Т – абсалют темепература (немесе термодинамикалық) Кельвинде.

Бөлме температурасында () электронның жылулық қозғалысының орташа жылдамдығы м/с тең. Электрондардың ретсіз жылулық қозғалысынан токтың пайда болуы мүмкін емес.

Металл өткізгіштегі электрондардың ретсіз жылулық қозғалысына қосымша сыртқы электр өрісі арқылы әсер етсе, онда электрондардың реттелген қозғалысы пайда болады (электр тогы).

Ток тығыздығының шекті мүмкін мәнінің өзінде ток туғызатын электрондардың реттелген қозғалысының орташа жылдамдығы оның жылулық қозғалысының орташа жылдамдығынан елеулі аз

Металдардың электр өткізгіштігінің классикалық теориясындағы электр тогының негізгі заңдары.

Ом заңы.

Металл өткізгіште өріс әсер етсін делік. күштің әсерінен е заряды тұрақты үдеуменбірқалыпты үдемеліқозғалып, еркін жолының соңында жылдамдық алады.

Электрондардың еркін жолының орташа уақыты , орташа еркін жол ұзындығы және электрон қозғалысының кристалдық торға салыстырғанда орташа жылдамдығы формулаларымен анықталады.

Электрондардың бағытталған қозғалысының орташа жылдамдығы:

Ток тығыздығы

мұндағы - металдың меншікті өткізгіштігі.

Джоуль – Ленц заңы.

Электрон еркін жолының соңында өріс әсерінен қосымша кинетикалық энергия алады. Электронның бұл энергиясы ионмен соқтығысқанда толығымен торға беріледі.

Егер электронның концентрациясы болса, онда уақыт бірлігі ішінде, көлем бірлігінде соқтығысу өтеді және торға берілетін энергия

Видемен –Франц заңы.

Барлық металдар үшін бірдей температрада жылу өтізгіштіктің меншікті өткізгіштіке қатынасы температураға пропорционал өседі.

, мұндағы .

Классикалық теорияның қиыншылықтары.

1. Кедергінің температуралық тәуелділігі , . Сонымен бұл тәжірибе жүзінде алынған қарсы келеді.

2. Электронның орташа жүріп өтуін бағалау. Тәжірибе нәтижесімен дәл келетін меншікті өткізгіштік шамасын алу үшін -ді кристалдағы атом аралық қашықтықтан жүз есе көп деп қабылдау керек.

3. Металдың жылу сыйымдылығы кристалдық тордың жылу сыйымдылығы мен электрондық газдың жылу сыйымдылығының қосындысынан тұрады. Сондықтан металдың меншікті жылу сыйымдылығы (1 мольге есептелген) еркін электроны жоқ диэлектриктің жылусыйымдылығынан елерліктей жоғары болуы керек, бұл экспериментке қарсы келеді.

Барлық осы қиындықтар кванттық теория арқылы түсіндіріледі.

Эмиссиялық құбылыс.

Металдан электронның шығу жұмысы – металдан электронды вакуумға ажыратып шығару үшін жұмсалатын жұмыс.

Шығу жұмысы металдардың химиялық табиғатына және оның бетінің тазалығына байланысты.

Бетті жабатын затты таңдап алып, шығу жұмысын елеулі өзгертуге болады.

Шығу жұмысы электрон – вольтпен (эВ) өрнектеледі:1эВ элементар электр зарядын потенциалдар айырымы 1В тең нүктелер арасында орын ауыстырғанда өріс күштерінің жасайтын жұмысы Кл, сонда 1эВДж.

Электрондық эмиссия– дегеніміз электронға шығу жұмысына тең немесе одан көбірек энергия бергенде металдардан электрондардың шығу құбылысы.

1. Термоэлектрондық эмиссия - қыздырлыған металдан электронның шығуы. Пайдаланатын жерлері электрондық шамдар.

2. Фотоэлектрондық эмиссия – электромагниттік сәулелену әсерінен маталдан электрондардың шығуы.Фотодатчиктерде пайдалыналады.

3. Екінші реттік электрондық эмиссия – электрондар шоғымен атқылағанда металдардың, жартылай өткізгіштердің немесе диэлектриктердің беттерінен электрондардың шығуы. Эмиссия тудыратын екінші ретті электрондардың санының бірінші реттік электрондар санына қатынасы екінші реттік электрондық эмиссиясы коэффициент деп аталады: .Фотоэлектрондық көбейткіштерде пайдалынады.

4. Автоэлектрондық эмиссия-күшті сыртқы электр өрісі әсерінен металл бетінен электрондардың эмиссиясы.

Газдық разрядтар.

Ионизатор әсерінен (қатты қызу, қатаң сәуле шығару, бөлшектер ағыны) газдың бейтарап молекулалары иондарға бірігеді, ал еркін электрондарда газ ионизациясы жүреді.

Рекомбинация деп ионизацияға кері процессті атайды: оң таңбалы және теріс таңбалы иондар, оң иондар және электрондар кездесіп, өзара қайта бірігіп, бейтарап атомдар және молекулалар құрады.

Электр тогының иондалған газ арқылы өтуі газдық разряд деп аталады.

Тек сыртқы ионизаторлардың әсерінен болатын разряд тәуелcіз газдық разряд деп аталады.

Сыртқы ионизатордың әсері тоқталғаннан кейін сақталтын газдағы разряд тәуелді газдық разряд деп аталады.

Ионизатордың интенсивтілігі бойынша тұрақты, үздіксіз әсерінде болатын тізбектің газдық арлығын (суретті қара) қарастырайық.

Ионизтордың әсерінің нәтижесінде газда электр өткізгіштік пайда болып, тізбекпен ток жүреді, оның түсірілген кернеуге тәуелділігі (вольт-амперлік сипаттамасы) келесі суретте көрсетілген.

ОА бөлігінде Ом заңы орындалады. Содан кейін (АВ бөлігі) ток күшінің артуы төмендейді (ВС бөлігінде) толығымен тоқтайды. Бұл жағдайда сыртқы ионизатордың жасайтын электрондар мен иондар саны(электродтарда,бейтараптанады), электродқа жететін иондар мен электрондар санына тең. ВС бөлігіне сәйкес келетін ток, қанығу тогы деп аталады және оның шамасы ионизатор қуатымен анықталады. Электр өрісі арқылы үдетілген алғашқы электрондар кернеу артқанда олар газ молекулаларын екпінді ионизациялайды , соның нәтижесінде екінші реттік электрондар және иондар пайда болады. Электронның және иондардың жалпы саны анодқа жақындағанда сел тәрізді өседі. Бұл СД бөлігіндегі токтың артуының себебі болады. Бұл сиптталған процесс екпінді иондалудеп аталады.

Ақырында газдық аралықта елеулі кернеуде электродтар арасындағы электр өрісімен үдетілген оң иондар газ молекуласын ионизациялауға жеткілікті энергия алып иондық сел тудырады. Электрондық селден басқа иондық селде (лавина) пайда болғанда токтың кернеу өспей-ақ іс жүзінде артуы байқалады (ДЕ бөлігі).

Электрон мен иондардың қарқынды сел тәрізді көбеюі тәуелсіз разрядқа әкеледі, яғни сыртқы ионизатордың әсері тоқтағаннан кейін де разряд сақталады. Тәуелсіз разряд пайда болатын кернеу тесіп өту кернеуі (пробое) деп аталады.

Газ қысымына, электродтардың конфигурациясына, сыртқы тізбектің параметрлеріне байланысты тәуелсіз разрядтың төрт түрі туралы айтуға болады.

1. Солғын разряд – төмен қысымда пайда болады.

2. Ұшқынды разряд – газда атмосфералық қысымның маңайында электр өрісінің кернеулігінің үлкен мәндерінде пайда болады.

3. Догалық разряд – а) егер жоғарғы қуат көзінен алынған ұшқынды разрядтағы электрод арасындағы арақашықтықты азайтқанда пайда болады; б) ұшқындап тұрған кезде электродтарды жанасқанға дейін жақындатып, сосын ажыратқан кезде (мысалы көміртекті) пайда болады.

4. ТӘЖ разряд – үлкен қысымда кенет біртекті емес өрісте үлкен қисықтық бетті электродтарға жақын пайда болады.

Тәуелсіз газдық разряд пайда болу үшін ионизатордың әсерінен пайда болған екінші реттік иондар мен электрондардың концентрациясы мен энергиясы тасушылардың тасқынды көбеюі үшін жеткілікті болуы керек (екінші реттік тасушылар қоршаған газдың разряд бетінде қосылу және бейтараптану салдарынан газдың разрядты тастап кеткен тасушылар санынан артық болу керек).

Бақылау сұрақтары.

1. Металдағы электр тогы.

2. Электронды газ

3. Металдардың электр өткізгіштігінің классикалық теориясындағы электр тогының негізгі заңдары.

4. Ом заңы.

5. Джоуль – Ленц заңы.

6. Видемен –Франц заңы.

7. Классикалық теорияның қиыншылықтары.

8. Гальваникалық элементі бар тізбектің бөлігі үшін жалпы Ом заңы.

9. Потенциалдар айырымы, электр қозғаушы күшi, кернеу.

10. Кирхгоф ережелерi.

11. Тізбектің біртекті емес бөлігі үшін Ом заңы.

12. Электр тоының түйіні деп нені айтамыз.