Меню

Электрический ток в проводниках различного вида



Что такое электрический ток?

Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.

В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.

Электрическую энергию можно доставить практически везде:

  • к производственному цеху;
  • квартире;
  • на поле;
  • в шахту, под воду и т. д.

Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Опыт с заряженными телами

Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Электрофорная машина

Рисунок 2. Электрофорная машина

Источники тока

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Характеристики

Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.

Сила и плотность тока

Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).

Плотность тока – векторная величина. Вектор направлен в сторону движения положительных зарядов. Модуль этого вектора равен отношению силы тока на некотором перпендикулярном к направлению движения зарядов сечении проводника к площади этого сечения. В системе СИ измеряется в А/м 2 . Плотность более ёмко характеризует электричество, однако на практике чаще используется величина «сила тока».

Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома.

Мощность

Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).

Частота

Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.

Ток смещения

Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.

Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.

Виды тока

По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.

Классификация переменного тока

Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:

  1. Синусоидальный, подчиняющийся синусоидальной функции во времени.
  2. квазистационарный – переменный, медленно изменяющийся во времени. Обычные промышленные токи являются квазистационарными.
  3. Высокочастотный – частота которого превышает десятки кГц.
  4. Пульсирующий – импульс которого периодически изменяется.

Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.

Дрейфовая скорость электронов

Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.

Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.

Направление электрического тока

Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.

Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.

Читайте также:  Пусковой ток аккумулятора для гольфа

Электрический ток в различных средах

В металлах

Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.

Электрический ток в металлах

Рис. 3. Электрический ток в металлах

В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.

В полупроводниках

В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов. Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).

Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.

В вакууме и газе

Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).

Электрический ток в газах

Рис 4. Электрический ток в газах

В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.

Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.

В жидкостях

Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.

Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.

Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).

Рис. 6. Электрический ток в средах

Проводники электрического тока

Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Небольшое сопротивление имеют:

  • все благородные металлы;
  • медь;
  • алюминий;
  • олово;
  • свинец.

На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.

Электробезопасность

Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.

При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.

В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.

Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.

Источник

Все об электрических токах

26 октября 2019

Время на чтение:

Открытия, которые связаны с электричеством, существенно поменяли жизнь современного человека. Применяя электроток в качестве источника энергии, удалось сделать технологический прорыв, облегчивший существование человечества. На сегодняшний день электричество приводит в действие токарные станки, авто, роботизированную технику, предоставляет связь. В связи с этим важно понять, какие бывают виды тока и принцип их действия.

Что это такое

Электроток — направленное передвижение электрическим полем заряженных элементов. Носители зарядов металлопроводников — электроны, а кислотных и солевых растворов — ионы. Полупроводниковые носители зарядов именуются электронами и «дырками».

Электрический ток

Чтобы ток существовал, требуется постоянно поддерживать электрополе. Должна быть разница потенциалов, которая поддерживает само поле. Пока такие условия не будут выполнены, заряды упорядоченно перемещаются по замкнутой электроцепи.

Подобные условия возможно создать, к примеру, посредством электрофорной машины. Когда 2 диска вращаются в обратных направлениях, они заряжаются разноименными зарядами. На щётках, которые прилегают к дискам, возникает разница потенциалов. Соединяя контакты, частицы начинают перемещаться упорядоченно. В такой ситуации машина становится электрическим источником.

Что представляет собой ток

Характеристики

Исследовав электрический ток и его ключевые характеристики, возможно понять принцип его функционирования. Главными величинами электрической энергии являются напряжение, сила и сопротивление.

Сила и плотность тока

Чтобы описать характеристики электричества, зачастую применяют термин «сила тока». Он определяет интенсивность перемещения зарядов, которые проходят сквозь поперечное сечение проводника.

Плотность тока является векторной величиной. Вектор направляется в сторону движения положительно заряженных зарядов. Его модуль равняется соотношению силы электротока на определенном перпендикулярном по направлению перемещения зарядов сечении проводника к его площади. Измерение происходит в амперах на метр.

Плотность тока

Мощность

Электрические силы осуществляют работу против активного и реактивного сопротивления. На пассивных работах будет преобразовываться в теплоэнергию. Производительностью называется работа, которая выполнена за 1 врем. ед. Относительно электричества применяется понятие «мощность теплопотерь». Мощность теплопотерь проводника равняется силе тока, которая умножена на напряжение. Измеряется мощность в ваттах.

Мощность

Частота

Ток характеризует частота. Такой параметр покажет, как за врем. ед. меняется число колебаний. Частота измеряется в герцах. Обычная промышленная частота составит 50 Гц.

Ток смещения

Такой термин был введен для комфорта, хотя в привычном понимании его не назовешь током, поскольку нет переноса заряда. Интенсивность электромагнитного поля находится в зависимости от токопроводимости и смещения.

Токи смещения возможно увидеть в конденсаторе. Невзирая на то, что во время зарядки и разрядки меж обкладок конденсатора не перемещается заряд, ток смещения будет протекать сквозь конденсатор и замыкать электроцепь.

Ток смещения

Как работает

Условия существования электротока предполагают действие заряженных частиц, проводника и напряжения. Большинство специалистов исследовали электричество и установили, что есть 2 его разновидности: статическая и текущая.

Непосредственно текущая имеет важное значение в ежедневной жизни каждого человека, поскольку является электротоком, проходящим через электроцепь. Человек каждый день использует его, чтобы питать дома и др.

Типы проводников

Процессы образования электротока в разных средах отличаются определенными особенностями:

  • В металлах заряд перемещается свободными отрицательными частицами — электронами. Само вещество не переносится — ионы металла останутся в узлах кристаллической решетки. В процессе нагрева хаотичные колебания ионов усилятся, что препятствует упорядоченному передвижению электронов.
  • В жидкостях заряд перемещают ионы, формирование которых вызывает электролитическая диссоциация. Упорядоченное передвижение в такой ситуации является их перемещением к противоположно заряженным электродам, где они будут нейтрализованы и осядут.
  • В газах под воздействием разницы потенциалов формируется плазма. Заряженные частицы — ионы, положительные и отрицательные, и свободные электроны, которые формируются под действием ионизатора.
  • В вакууме электроток присутствует как электроны, движущиеся от катода к аноду.
  • В полупроводниках будут участвовать электроны, которые перемещаются от 1 атома к 2, и формируются вакантные участки — дырки, считающиеся плюсовыми.

При невысокой температуре полупроводники приблизятся по качествам к изоляторам. В процессе повышения температурных показателей валентные электроны получат необходимую, чтобы разорвать связи, энергию и станут свободными. С увеличением температуры улучшается проводимость полупроводника.

Важно! Положительно заряженные ионы направляются к отрицательному электроду, отрицательные ионы — к плюсовому. Во время увеличения температурных показателей проводимость электролита возрастет, поскольку увеличивается количество разложившихся на ионы молекул.

По типу генерации и характеристикам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный является таковым, который не обладает своим направлением. Он будет течь в любом случае в одну сторону. Переменный время от времени изменяет направленность. Таковым считается любой ток, помимо постоянного. Когда мгновенные показатели повторятся в той же последовательности спустя одинаковые временные интервалы, то подобный электрический ток называется периодическим.

Читайте также:  Как создать токи фуко

Постоянный

Рассматриваемый ток тот, который на протяжении определенного временного промежутка не изменит собственной величине и направлению. Довольно часто постоянным считают пульсирующий электроток. Он отливается тем, что одинаковое число зарядов регулярно сменяются между собой в одну сторону.

Важно! В процессе определения направления бывают разбежности. Когда электроток формируется передвижением положительных частиц, то направление будет соответствовать перемещению частиц. Когда он сформирован передвижением отрицательных частиц, то направление считается противоположным движению частиц.

Основным достоинством станет то, что его возможно накопить. Делается это собственноручно, с помощью аккумуляторов либо конденсаторов.

Постоянный ток

Переменный

Для понимания сущности переменного электротока требуется представить синусоиду. Непосредственно она наилучшим образом сможет охарактеризовать изменения в постоянном токе. Переменный электроток постоянно изменяет собственную полярность. Во время одного интервала он положительный, других отрицательный. Для него немаловажным фактором станет скорость смены полярности (частота).

Большинство техники функционирует на переменном токе отличных частот. Благодаря изменениям в частоте возможно менять скорость вращения мотора.

Важно! Увидеть наглядный пример возможно, осмотрев обыкновенную лампу. В частности это заметно на некачественной диодной лампочке. В процессе функционирования на постоянном электротоке они будут гореть равномерным светом, а на переменном еле уловимо мерцать.

Источники тока

Первоисточниками электроэнергии, которые нашли применение на практике, стали гальванические элементы. После усовершенствования они используются и сегодня. Их применяют для энергопитания дистанционных пультов, электронных часов, устройств для детей и различных приборов. С появлением генераторов переменного тока электроэнергия стала использоваться еще интенсивнее. В связи с этим, следует ознакомиться с основными типами источников тока.

Механические источники

В них преобразуется механическая энергия в электричество. Процесс происходит в спецустройствах — генераторах. Главными из них считаются турбогенераторы, где электромашина будет приведена в действие с помощью газового либо парового потока, и гидрогенераторы, которые преобразуют энергию воды в электричество. Основная часть электрической энергии на планете производят непосредственно механические преобразователи.

Механические источники

Тепловые источники

Тут происходит преобразование теплоэнергии в электрическую. Появление электротока обусловливается разницей температурных показателей 2 пар контактирующих металлов. В такой ситуации заряженные частицы перемещаются в сторону холодного участка. Величина электротока будет зависеть непосредственно от температурной разницы: чем она выше, тем сильнее ток. Термопары из полупроводников дают термоэдс выше, чем биметаллические, потому они используются для изготовления источников электротока. Термопары из металла применяют только, чтобы измерять температурные показатели.

Тепловые источники

Световые источники

Когда начала развиваться физика полупроводников, стали появляться новые токоисточники — солнечные аккумуляторы, где световая энергия будет преобразовываться в электрическую. Они используют качество полупроводников выдачи напряжения во время действии на них светопотока. В частности такой эффект заметен в полупроводниках из кремния. Однако коэффициент полезного действия подобных элементов не превысит 15%. Солнечные аккумуляторы нашли свое применение в космической сфере, в бытовой. Стоимость на данные источники энергопитания регулярно уменьшается, однако по-прежнему высока.

Химические источники

Их возможно разделить на несколько групп:

  • Гальванические;
  • Аккумуляторы;
  • Тепловые.

Гальванические функционируют благодаря взаимодействию 2 различных металлов, которые помещены в электролит. В виде пар металлов и электролита выступают различные химэлементы и соединения. Это определяет разновидность и параметры элемента.

Важно! Гальванические элементы применяются лишь 1 раз, когда разрядятся их не удастся восстановить.

Дешевизна материалов и простота производства аккумуляторов делает их наиболее дешевыми из доступных. Однако по параметрам они существенно уступят щелочным и литиевым.

Химические источники

Тепловые выступают в качестве источников резервного энергопитания. Они обладают отличными характеристиками по удельной плотности электротока, однако отличаются непродолжительным сроком эксплуатации (до 60 минут). Используются преимущественно в космической отрасли, где требуются точность и кратковременное функционирование.

Как правильно применяются

Вне зависимости от принципа функционирования какого-либо источника электротока, в каждом из разделяются электрозаряды физ.тел. Происходит преобразование какой-либо разновидности энергии в электричество.

Такая энергия в технике применяется повсюду. В любом жилище возможно отыскать быттехнику, существенно облегчающую ведение хозяйства. Помимо этого, предотвращается появление пыли, копоти и других неприятных эффектов использования плит и прочих приборов, актуальных до возникновения электричества.

В промышленной сфере электрическая энергия имеет важную роль. Использование тока дает возможность существенно уменьшить траты, так как такой тип энергии дешевле горючего.

Меры безопасности

Главным правилом безопасности во время работы с токами станет то, что перед любыми действиями требуется обесточить электросеть. В процессе работ также необходимо следовать таким рекомендациям:

  • Запрещено ремонтировать включенное в электросеть приспособление.
  • При осуществлении работ на электрощитке должно присутствовать предупреждение.
  • Работа с высоким напряжением допустимо лишь с помощником.
  • Требуется наблюдать за изоляцией каждого провода и контролировать заземление.

Напряжение свыше 24 вольт будет опасно для жизни. Во время работы с напряжением больше данного параметра требуется спецдопуск. При работах необходимо пользоваться специнструментами с повышенным уровнем защиты.

Правила безопасности

Использование электротока разнообразно, так как без него нельзя представить сегодня жизнь. Необходимо понять принципы его функционирования для направления электроэнергии в правильное русло. Электроток течет по законам физики, используемым для создания разнообразных приспособлений. Чтобы грамотно использовать его, требуется ознакомиться с основными электровеличинами.

Источник

Электрический ток в проводнике

Если в точке А (рис. 1.3) — избыток электронов в сравнении с точкой В, то говорят, что между точками А и В существует разность потенциалов, или напряжение, а источник создающий этот избыток, характеризуется потенциалом. В свою очередь потенциал это величина, которая показывает работу источника по перемещению заряда. Если соединить точки А и В каким-либо проводником, например простой проволокой, то избыточные электроны из точки А начнут перетекать в точку В, тем самым возникнет электрический ток в проводнике. То есть этот поток электронов и есть электрический ток.Разность потенциалов связана с напряжением или электродвижущей силой. То есть напряжение это и есть та самая сила, которая перемещает электроны в цепи.

Электрический ток в проводнике

Количественно ток можно выразить как сумму зарядов тех электронов, которые прошли через заданную точку. Но электрон имеет очень маленький заряд, поэтому для оценки заряда ввели единицу измерения – кулон (Кл). Один кулон равен сумме зарядов 6,25*1018 или 6250000000000000000 электронов.
Говорят, что если заряд в один кулон проходит через данную точку за 1секунду, то это значит, что через эту точку в проводнике течет электрический ток в один ампер (А). Таким образом, сила тока, как вы уже догадались, измеряется в амперах.

Точка А по причине избытка электронов имеет отрицательный потенциал, а точка В — положительный.
Поток электронов подобен потоку воды, текущему из бака А в бак В, как показано на рис. 1.4. Труба между баками является эквивалентом электрического проводника, а разность уровней воды — эквивалентом разности потенциалов между точками А и В.

Электрический ток в проводнике

Хотя электроны перетекают от отрицательного полюса к положительному, принято говорить, что электрический ток в проводнике течет от положительного полюса к отрицательному . Эта договоренность восходит к тому времени, когда о природе электрического тока было ничего не известно.
Разность потенциалов, или напряжение, измеряется в вольтах иобозначается буквой U. Величина электрического тока, как уже было сказано, измеряется в амперах и обозначается буквой I.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Источник

Проводники электрического тока

Проводники электрического токаКаждый человек, постоянно пользуясь электроприборами, сталкивается с:

1. проводниками, которые пропускают электрический ток;

2. диэлектриками, обладающими изоляционными свойствами;

3. полупроводниками, сочетающими в себе характеристики первых двух типов веществ и изменяющие их в зависимости от приложенного управляющего сигнала.

Отличительной чертой каждой из перечисленных групп является свойство электропроводности.

Что такое проводник

К проводникам относят те вещества, которые имеют в своей структуре большое количество свободных, а не связанных электрических зарядов, способных начинать движение под воздействием приложенной внешней силы. Они могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Читайте также:  По графику зависимости силы тока от времени в колебательном контуре определите какие преобразования

Если взять два проводника, между которыми образована разность потенциалов и подключить внутри них металлическую проволоку, то сквозь нее потечет электрический ток. Его носителями станут свободные электроны, не удерживаемые связями атомов. Они характеризуют величину электрической проводимости или способность любого вещества пропускать через себя электрические заряды — ток.

Значение электрической проводимости обратно пропорционально сопротивлению вещества и измеряется соответствующей единицей: сименсом (См).

В природе носителями зарядов могут быть:

По этому принципу электропроводность подразделяют на:

Качество проводника позволяет оценить зависимость протекающего в нем тока от значения приложенного напряжения. Ее принято называть по обозначению единиц измерения этих электрических величин — вольтамперной характеристикой.

Проводники с электронной проводимостью

Наиболее распространенным представителем этого типа являются металлы. У них электрический ток создается исключительно за счет перемещения потока электронов.

Электропроводность в металлах

Внутри металлов они находятся в двух состояниях:

связанные силами атомного сцепления;

Электроны, удерживаемые на орбите силами притяжения ядра атома, как правило, не участвуют в создании электрического тока под действием внешних электродвижущих сил. Иначе ведут себя свободные частицы.

Если к металлическому проводнику не приложена ЭДС, то свободные электроны движутся хаотически, беспорядочно, в любых направлениях. Такое их перемещение обусловлено тепловой энергией. Оно характеризуется различными скоростями и направлениями перемещения каждой частицы в любой момент времени.

Когда к проводнику приложена энергия внешнего поля с напряженностью Е, то на все электроны вместе и каждый в отдельности действует сила, направленная противоположно действующему полю. Она создает строго ориентированное движение электронов, или другим словами — электрический ток.

Вольтамперная характеристика металлов представляет собой прямую линию, укладывающуюся в действие закона Ома для участка и полной цепи.

Вольтамперная характеристика металлов

Кроме чистых металлов электронной проводимостью обладают и другие вещества. К ним относят:

отдельные модификации углерода (графит, уголь).

Все вышеперечисленные вещества, включая металлы, относят к проводникам 1-го рода. У них электропроводность никоим образом не связана с переносом массы вещества за счет прохождения электрического тока, а обусловливается только движением электронов.

Если металлы и сплавы поместить в среду сверхнизких температур, то они переходят в состояние сверхпроводимости.

Проводники с ионной проводимостью

К этому классу относятся вещества, у которых электрический ток создается за счет движения зарядов ионами. Они классифицируются как проводники второго рода. Это:

растворы щелочей, кислот солей;

расплавы различных ионных соединений;

различные газы и пары́.

Электрический ток в жидкости

Проводящие электрический ток жидкие среды, в которых происходит электролиз — перенос вещества вместе с зарядами и осаждение его на электродах, принято называть электролитами, а сам процесс — электролизом.

Электрический ток в жидкостях

Он происходит под действием внешнего энергетического поля за счет приложения положительного потенциала к электроду-аноду и отрицательного — к катоду.

Ионы внутри жидкостей образуются за счет явления электролитической диссоциации, которая заключается в расщеплении части молекул вещества, обладающих нейтральными свойствами. В качестве примера можно привести хлорид меди, который в водном растворе распадается на составляющие ионы меди (катионы) и хлора (анионы).

Под действием приложенного напряжения к электролиту катионы начинают двигаться строго к катоду, а анионы — к аноду. Таким способом получают химически чистую, без примесей медь, которая выделяется на катоде.

Кроме жидкостей в природе существуют еще твердые электролиты. Их называют суперионными проводниками (супер-иониками), обладающими кристаллической структурой и ионной природой химических связей, обусловливающую высокую электропроводность за счет движения ионов одного типа.

Вольтамперная характеристика электролитов показана графиком.

Вольтамперная характеристика электролитов

Электрический ток в газах

При обычном состоянии среда газов обладает изоляционными свойствами и не проводит ток. Но под воздействием различных возмущающих факторов диэлектрические характеристики могут резко снизиться и спровоцировать прохождение ионизации среды.

Она возникает от бомбардировки нейтральных атомов движущимися электронами. В результате этого из атома выбивается один или несколько связанных электронов, и атом получает положительный заряд, превращаясь в ион. Одновременно внутри газа образуется дополнительное количество электронов, продолжающих процесс ионизации.

Таким образом, внутри газа электрический ток создается одновременным движением положительных и отрицательных частиц.

При нагреве или повышении напряженности приложенного электромагнитного поля внутри газа вначале проскакивает искра. По этому принципу образуется природная молния, которая состоит из каналов, пламени и факела разряда.

Искровой разряд в газах

В лабораторных условиях проскакивание искры можно наблюдать между электродами электроскопа. Практическая же реализация искрового разряда в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания известна каждому взрослому человеку.

Искра характерна тем, что через нее сразу расходуется вся энергия внешнего поля. Если же источник напряжения способен поддерживать протекание тока через газ, то возникает дуга.

Дуговой разряд в газах

Примером электрической дуги является сварка металлов различными способами. Для ее протекания используется эмиссия электронов с поверхности катода.

Он возникает внутри газовой среды с большими напряженностями и неоднородными электромагнитными полями, что проявляется на высоковольтных воздушных линиях электропередач с напряжением от 330 кВ и выше.

Коронный разряд в газах

Он протекает между проводом и близко расположенной плоскостью линии электропередачи. При коронном разряде происходит ионизация методом электронного удара около одного из электродов, обладающего областью повышенной напряженности.

Его используют внутри газов в специальных разрядных газосветных лампах и трубках, стабилизаторах напряжения. Он образуется за счет понижения давления в разрядном промежутке.

Тлеющий разряд в газах

Когда в газах процесс ионизации достигает большой величины и в них образуется равное число положительных и отрицательных носителей зарядов, то такое состояние называют плазмой. Тлеющий разряд происходит в среде плазмы.

Вольтамперная характеристика протекания токов в газах представлена на картинке. Она состоит из участков:

2. самостоятельного разряда.

Первый характеризуется тем, что происходит под воздействием внешнего ионизатора и при прекращении его действия затухает. А самостоятельный разряд продолжает течь при любом условии.

Вольтамперная харктеристика газовых разрядов

Проводники с дырочной проводимостью

К ним относятся:

соединения отдельных металлов с теллуром, серой, селеном и некоторыми органическими веществами.

Они получили название полупроводников и относятся к группе №1, то есть не образуют переноса вещества при протекании зарядов. Для увеличения концентрации свободных электронов внутри них необходимо потратить дополнительную энергию на отрыв связанных электронов. Она получила название энергии ионизации.

В составе полупроводника работает электронно-дырочный переход. За счет его полупроводник пропускает ток в одном направлении и блокирует в обратном, когда к нему приложено противоположное внешнее поле.

Структура полупроводника

Проводимость у полупроводников бывает:

Первый тип присущ конструкциям, у которых в процессе ионизации атомов своего вещества появляются носители зарядов: дырки и электроны. Их концентрация взаимно уравновешена.

Второй тип полупроводников создают за счет включения кристаллов с примесной проводимостью. Они обладают атомами трех- или пятивалентного элемента.

Полупроводники по проводимости бывают:

электронные n-типа «negative»;

дырочные p-типа «positive».

Вольтамперная характеристика обыкновенного полупроводникового диода показана на графике.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

На основе полупроводников работают различные электронные приборы и устройства.

При очень низких температурах вещества определенные категории металлов и сплавов переходят в состояние, которое получило название сверхпроводимости. У этих веществ электрическое сопротивление току снижается практически до нулевого значения.

Переход происходит за счет изменения тепловых свойств. По отношению к поглощению или выделению теплоты во время перехода в сверхпроводящее состояние при отсутствии магнитного поля сверхпроводники подразделяют на 2 рода: №1 и №2.

Сверхпроводники

Явление сверхпроводимости проводников происходит за счет образования куперовских пар, когда создается связанное состояние для двух соседних электронов. У созданной пары образуется двойной заряд электрона.

Распределение электронов в металле при состоянии сверхпроводимости показано графиком.

Магнитная индукция сверхпроводников зависит от напряженности электромагнитного поля, а на величину последней влияет температура вещества.

Сверхпроводники

Свойства сверхпроводимости проводников ограничены критическими значениями предельного магнитного поля и температуры для них.

Таким образом, проводники электрического тока могут быть выполнены из совершенно различных веществ и обладать отличающимися друг от друга характеристиками. На них всегда оказывают влияние условия окружающей среды. По этой причине границы эксплуатационных характеристик проводников всегда оговариваются техническими нормативами.

Источник