Постоянный электрический ток Электрический ток

Постоянный электрический ток

• Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц. За направление тока принято направление движения положительных зарядов. Характеристики тока проводимости: - Сила тока - Плотность электрического тока: Ток проводимости создается электрическим полем внутри проводящей среды.

• Закон Ома для участка цепи (1826 г. ). • Сопротивление однородного цилиндрического проводника Ом Георг Симон (1787 – 1854, нем. )

• Амперметр – прибор для измерения силы тока. Его внутреннее сопротивление должно быть малым по сравнению с сопротивлением цепи, в которой производится измерение.

• Вольтметр подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение. • Внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления участка цепи, на котором производится измерение.

Работа и мощность в цепи постоянного тока • Работа тока на участке цепи равна работе электрического поля при перемещении заряда на этом участке: • Мощность тока • Закон Джоуля-Ленца:

Сторонние силы. Электродвижущая сила источника тока

• При замыкании ключа произойдет перетекание электрических зарядов с одного электрода на другой, потенциалы быстро выровняются и электрический ток прекратится.

• В цепи постоянного тока происходит замкнутое движение электрических зарядов. Электрическое поле не может обеспечить такое движение зарядов, поскольку его работа на замкнутой траектории равна нулю. • Для поддержания электрического тока в замкнутой цепи необходимо специальное устройство – источник тока.

• Силы, действующие внутри источника тока, обеспечивают движение заряженных частиц на этом участке цепи в направлении, противоположном действию сил электрического поля. Эти силы называют сторонними. Природа этих сил может быть различной. • Сторонние силы обеспечивают разделение электрических зарядов противоположных знаков и накопление их на соответствующих электродах.

• Работа сторонних сил пропорциональна величине разделенного заряда, а следовательно, величине заряда, прошедшего по замкнутой цепи: • ЭДС – это скалярная величина, равная работе сторонних сил при прохождении через источник тока единичного заряда.

Закон Ома для замкнутой цепи Используем закон сохранения энергии: Разделив это уравнение на It, получим

Электрический ток в различных средах

• Твердые тела делятся на 3 класса: металлы, диэлектрики, полупроводники. • Для металлов ρ ≈ 10 -8 Ом·м. • Для диэлектриков ρ > 108 Ом·м. (У янтаря ρ ≈ 1017 Ом·м, у слюды - 1013 ). • Полупроводники имеют промежуточные значения ρ.

• Металлы обладают высокой электропроводностью. В металлах носителями тока являются электроны. Это было доказано в 1916 г. опытами Толмена и Стюарта. По КЭТ в металле существует газ свободных электронов, по своим свойствам подобный одноатомному молекулярному газу. КЭТ позволяет теоретически объяснить многие свойства металлов: получить законы Ома, Джоуля-Ленца, закон Видемана и Франца и др. Однако, эта модель является весьма грубой и многие свойства металлов не объясняет (сверхпроводимость, например).

• Удельное сопротивление металлов зависит от температуры. В широком интервале температур эта зависимость является сложной. Для узкого интервала ее можно представить линейной функцией: Здесь ρ0 – удельное сопротивление при t = 0 0 С, α – температурный коэффициент сопротивления. (Сопротивление вольфрамовой спирали лампы накаливания при включении в сеть увеличивается в 13 раз!).

Явление сверхпроводимости • Открыл Камерлинг-Оннес в Лейденском университете (Нидерланды) в 1911 г. при изучении электрических свойств ртути, олова, свинца, таллия и др. При Т < Tс удельное сопротивление сверхпроводника равно нулю.

Камерлинг-Оннес Гейке 1853 -1926 ЛНП 1913 г. • В 1892 -94 г. сконструировал ожижительную установку для азота и кислорода. В 1908 г. впервые получил жидкий гелий и измерил его температуру (НП 1913). Открыл явление сверхпроводимости.

Год 1911 1913 1930 1975 1986 Материал Hg Pb Nb 3 Sn Nb 3 Al+Nb 3 Ge керамика Тс , К 4, 1 9, 2 18, 1 20 23, 2 30 • Высокотемпературную сверхпроводимость образцов керамики (соедин. лантана, бария, меди и кислорода) обнаружили Беднорц Й. Г. (Германия) и Мюллер К. А. (Швейцария). НП 1987 г. В России получена Тс=102 К.

• Сверхпроводимость – квантовый эффект, теория которого дана в 1957 г. Дж. Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером (НП 1972 г. ), а также советскими физиками Абрикосовым А. А. и В. Л. Гинзбургом (НП 2002 г. ). Абрикосов Алексей Алексеевич Гинзбург Виталий Лазаревич

Полупроводники • К полупроводникам относятся - простые химические элементы: B, C, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, Se, Te, I; - соединения: Cu. Cl, Cu. Br, Cu. O, Cu. S, Ga. As, In. Sb, In. P, Si. C, Si. Ge … • Удельное сопротивление полупроводников с ростом температуры, как правило, уменьшается: (термисторы) • Электрофизическими свойствами полупроводников можно управлять в очень широких пределах.

• Рассмотрим механизм собственной электропроводности германия (кремния). Германий и кремний – элементы 4 -ой группы Периодической системы элементов. В кристалле реализуется ковалентная связь между атомами. При низкой температуре носители тока в кристалле отсутствуют. • Собственная проводимость Ge (Si) – электронно-дырочная.

• С ростом температуры экспоненциально возрастают концентрации электронов и дырок, что и приводит к экспоненциальной зависимости удельного сопротивления от температуры. • Для вырывания электронов из ковалентных связей (т. е. для активации пары «электрон-дырка» ) необходима энергия ΔЕ 0 в кремнии – 1, 1 э. В, в германии – 0, 72 э. В.

• При введении в Ge (Si) атомов элемента 5 группы (Р, Аs, Sb) реализуется примесная электронная проводимость. • Для освобождения электрона с примесного атома фосфора необходима энергия ΔЕ в кремнии – 0, 044 э. В, в германии – 0, 012 э. В. ΔЕ << ΔЕ 0 !

• При введении в Ge (Si) атомов элемента 3 группы (B, In, Ga) реализуется примесная дырочная проводимость. • Если примесью являются атомы бора, то для образования дырки необходима энергия ΔЕ в кремнии – 0, 045 э. В, в германии – 0, 012 э. В. ΔЕ << ΔЕ 0 !

• Изменяя концентрацию примесных атомов, можно в широких пределах изменять электрофизические свойства полупроводника. • Освобождение носителей тока в полупроводнике может происходить под действием света (фотопроводимость, фотосопротивления). Для этого необходимо, чтобы энергия фотонов hv была больше энергии связи ΔЕ.

Контактная разность потенциалов в металлах • Количество свободных электронов в единице объёма или концентрация их у различных металлов различается. Различаются также и силы притяжения к положительным ионам, которые удерживают свободные электроны внутри металла. Следовательно, отличаются средние значения полных энергий электронов в разных металлах.

• Поэтому, если два различных металла привести в тесное соприкосновение, например, путем сварки или спайки, то между ними будет происходить взаимный переход (диффузия) электронов. В зависимости от соотношения концентраций и сил, удерживающих электроны внутри металла, электроны из одного металла А, например, цинка, будут переходить во второй металл Б, например, медь, в большем количестве, чем обратно.

• В связи с этим в контактном слое со стороны цинка образуется недостаток электронов, и он заряжается положительно, а со стороны меди образуется их избыток, и она заряжается отрицательно. • Вольта установил, что если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд металлов называется рядом Вольта.

• В контакте между металлами образуется электрическое поле и возникает контактная разность потенциалов. Это поле противодействует дальнейшему переходу электронов. Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых долей до целых вольт.

• Если замкнуть противоположные концы проводников А и Б, то между ними возникает такая же по величине, но противоположно направленная разность потенциалов, и тока в цепи не будет. То же получится, если составить цепь металлов А и Б через промежуточный проводник.

• Иной результат получится, если места соединения металлов А и Б имеют различную температуру Т. Диффузия электронов в спае с более высокой температурой будет происходить более интенсивно, и контактная разность потенциалов в нем увеличится. Теперь в общей цепи металлов появится результирующая разность потенциалов.

• Эта разность потенциалов называется термоэлектродвижущей силой Еt. Et = α(T – T 0). Коэффициент пропорциональности α называется дифференциальной термоэдс. • Рассмотренное явление было открыто в 1821 г. немецким физиком Т. И. Зеебеком и носит его имя. • Два спаянных между собой проводника из различных металлов называются термопарой. Основным применением термопары является измерение температуры.

Термостолбик

Полупроводниковые диоды и транзисторы • Одним из самых удивительных свойств полупроводников оказалось свойство односторонней проводимости так называемого p-n-перехода. Это свойство явилось основой для создания полупроводниковых выпрямителей переменного тока, транзисторов и многих других электронных устройств. Первый тип полупроводникового выпрямителя был создан в 1924 г. из закиси меди (Cu 2 O). В то время механизм выпрямления еще не был известен.

• КС: контакт разнородных полупроводников, диффузия носителей тока, динамическое равновесие, контактная разность потенциалов, односторонняя проводимость p-n-перехода, диод. • Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости в связи с уходом свободных электронов и дырок практически превращается в диэлектрик.

• КС: однополупериодное выпрямление, диодный мост, двухполупериодное выпрямление.

• Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия. Существенный их недостаток – зависимость параметров от температуры. Полупроводниковые диоды не могут работать при температурах ниже -70 о. С из-за возрастания удельного сопротивления полупроводниковых материалов. При температурах выше 80 о. С для германиевых и 125 о. С для кремниевых диодов рабочие параметры резко ухудшаются из-за возрастания влияния собственной проводимости полупроводниковых материалов.

• Транзистор – полупроводниковый усилитель электрических сигналов. Изобретен Дж. Бардиным, У. Шокли и У. Браттейном в 1948 г. (НП 1956 г. ). • Толщина n-прослойки ≈ 0, 02 мм.

Электрический ток в электролитах • ЭТ в электролитах представляет собой упорядоченное движение ионов, которые образуются вследствие электролитической диссоциации молекул веществ в растворителях. На электродах происходит нейтрализация ионов с выделением веществ (электролиз).

Законы электролиза Установлены М. Фарадеем в 1833 г. 1. Масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду, прошедшему через электролит: m = kq = k. It k – электрохимический эквивалент, I – сила тока через электролит, t – время.

2. Электрохимический эквивалент вещества пропорционален молярной массе и обратно пропорционален валентности соответствующего химического элемента: F – число Фарадея.

Объединенный закон электролиза При q = F и Z = 1 m = M. Таким образом, число Фарадея равно величине заряда, который должен пройти через электролит, для того, чтобы на электроде выделился один моль одновалентного химического элемента. F = 96500 Кл/моль

1. 2. 3. 4. 5. Применение электролиза Электрометаллургия - получение алюминия, натрия, магния, бериллия и др. путем электролиза расплавленных руд. Рафинирование (очистка) меди, полученной в плавильных печах. Получение кислорода и водорода путем электролиза раствора серной кислоты. Гальваностегия – покрытие одного металла тонким слоем другого металла в антикоррозийных или эстетических целях (никелирование, золочение, серебрение, хромирование, …). Гальванопластика – получение металлических копий с рельефных поверхностей.