0

Классификация электрического тока

Электрический ток.

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. Такими частицами могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток имеет следующие проявления:

  • нагревание проводников (в сверхпроводниках не происходит выделения теплоты);
  • изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);
  • создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).

Классификация:

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционный ток.

Различают переменный (англ. alternating current, AC), постоянный (англ. direct current, DC) и пульсирующий электрические токи, а также их всевозможные комбинации. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.

Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняются во времени.

Переменный ток — ток, величина и направление которого меняются во времени. В широком смысле под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Квазистационарный ток — «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

Переменный ток высокой частоты — ток, в котором условие квазистационарности уже не выполняется, ток проходит по поверхности проводника, обтекая его со всех сторон. Этот эффект называется скин-эффектом.

Пульсирующий ток — ток, у которого изменяется только величина, а направление остаётся постоянным.

Вихревые токи (токи Фуко) — «замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока», поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

Характеристики:

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.

Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Основные типы проводников:

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Проводники и их классификация

Проводники – вещества, хорошо проводящие электрический ток, т.е. обладающие высокой электропроводностью (небольшим удельным электросопротивлением r ~ 10-6 ¸ 10-4 Ом×м).

К проводникам относятся: металлы и их сплавы, графит, некоторые окислы и сернистые соединения металлов, электролиты и плазма.

Носителями зарядов в проводниках являются:

а) в металлах и их сплавах — квазисвободные электроны проводимости;

б) в электролитах — положительные и отрицательные ионы;

в) в плазме — свободные электроны и ионы.

Все проводники можно подразделить на проводники первого и второго рода.

Проводники первого рода — металлы и их сплавы, графит, некоторые окислы и сернистые соединения металлов.

Проводники второго рода — электролиты (растворы солей кислот и щелочей).

Отличительными особенностями проводников первого рода являются:

а) электрический ток в них представляет собой упорядоченное движение квазисвободных электронов проводимости, при этом никаких химических изменений в проводниках не происходит;

б) кристаллическое строение. Это последовательность правильно расположенных групп ионов, образующих пространственную кристаллическую решетку, в межузельном пространстве которой находятся квазисвободные электроны проводимости.

2.2. Электростатическое поле в полости
идеального проводника и у его поверхности.
Электростатическая защита.
Распределение зарядов в объеме проводника
и по его поверхности

В отсутствие внешнего электрического поля заряды узлов кристаллической решетки металлических проводников скомпенсированы зарядами квазисвободных электронов проводимости. В поле на электроны проводимости действуют сила

. (2.1)

В результате происходит перераспределение электрических зарядов в объёме проводника (электростатическая индукция), которое приводит к появлению внутри проводника «собственного» электрического поля с напряженностью E’, направление которого противоположно направлению вектора напряженности внешнего электрического поля Eo. Поэтому условием перераспределения (движения) электрических зарядов в объёме проводника может служить выражение

E = Eo + E’ ¹ 0, (2.2)

где E – напряженность результирующего электрического поля.

Перераспределение электрических зарядов в объёме проводника (рис. 2.1, а) приводит к искажению внешнего электрического поля (рис. 2.1, б).

При

E= Eo + E’ = 0 (2.3)

перераспределение электрических зарядов внутри проводника прекращается (рис. 2.1б). Выражение (2.3) называют условием равновесия зарядов в проводнике.

Таким образом, нескомпенсированные электрические заряды (в заряженном проводнике) могут находиться только на его поверхности.

Доказать приведенное утверждение можно, воспользовавшись теоремой Остроградского – Гаусса:

.

Так как внутри проводника E = 0, то En = E×cosa = 0, . Следовательно,

,

что и требовалось доказать.

Между поверхностной плотностью заряда проводника и напряженностью электрического поля вблизи его поверхности существует связь, которую можно установить из следующих рассуждений.

Поток вектора напряженности электрического поля E через замкнутую цилиндрическую поверхность, перпендикулярную некоторой площадке dS поверхности проводника (рис. 2.2),

Ф’E = Ф’o + Ф»o + Ф’б + Ф»б. (2.4)

Так как внутри проводника электри-ческое поле отсут-ствует (E = 0), то Ф»о и Ф»б внутри прово-дника равны нулю. Поток вектора нпряженности электрического поля через боковую поверх-ность вне проводника Ф’б тоже равен нулю, так как проекция вектора напряженности электрического поля на направление положительной нормали (En) в любой точке боковой поверхности равна нулю. Следовательно,

. (2.5)

Согласно теореме Остроградского — Гаусса

. (2.6)

В нашем случае можно принять

Таким образом

,

а

. (2.7)

Следовательно, напряженность электрического поля вблизи поверхности проводника пропорциональна поверхностной плотности его заряда.

С этим связан тот факт, что у выпуклых частей проводника напряженность электрического поля и поверхностная плотность электрических зарядов больше, чем у вогнутых (рис. 2. 3). Особенно велики они на остриях. В результате вблизи выпуклых частей проводника возникает ионизация и движение ионов, молекул газа, возникает так называемый «электрический ветер». Заряд проводника при этом уменьшается. Он как бы стекает с поверхности проводника. Такое явление называют истечением заряда с поверхности проводника (с острия).

Поверхностное распределение зарядов на проводниках используется для передачи заряда от одного проводника к другому, в устройстве электростатических машин для получения больших разностей потенциала.

Условие E = 0 внутри проводника используется для устройства электростатической защиты приборов от влияния внешних электрических полей. С этой целью достаточно поместить прибор внутрь проводника – экрана.

Внутри проводника

,

что возможно при

E = 0, , . (2.8)

Таким образом, весь объём проводника, при условии равновесия заряда, является эквипотенциальным.

Поверхность такого проводника также является эквипотенциальной, так как при перемещении по ней в каждой точке вектор напряженности электрического поля E перпендикулярен направлению перемещения (E ^ l), cosa = 0. Следовательно,

; .

Это означает, что при соединении проводников с различными потенциалами происходит выравнивание потенциалов на проводниках за счет переноса зарядов от одних проводников к другим. Это происходит до тех пор, пока у всех проводников потенциал не станет одним и тем же.

Равенство потенциала на всех соединенных между собой проводниках используется для экспериментального определения потенциала в различных точках электрического поля.

2.3. Электроемкость уединенного проводника
и ее физический смысл

Опыты показывают, что изменение заряда проводника приводит к изменению его потенциала, а отношение изменения заряда dq (Dq) к изменению потенциала dj (Dj) для данного проводника остается величиной постоянной. Это отношение и называют электрической емкостью (электроемкостью) уединенного проводника. Следовательно, каждый проводник можно характеризовать электроемкостью (отношением)

или , (2.9)

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц измерения физических величин.

В системе СИ k = 1, поэтому

или . (2.10)

Таким образом, электроемкость уединенного проводника – это физическая величина, численно равная количеству электричества, на которое необходимо изменить заряд проводника, чтобы его потенциал изменился на единицу. В этом и заключается физический смысл электроемкости уединенного проводника.

Так как при q = 0, j = 0, а изменение заряда проводника Dq пропорционально изменению его потенциала Dj, то и заряд проводника q пропорционален его потенциалу j. Следовательно,

. (2.11)

В системе СИ

. (2.12)

Экспериментальные данные говорят о том, что электроемкость (емкость) проводника зависит только от формы его поверхности, линейных размеров, расположения проводника относительно других проводников и диэлектрической проницаемости среды, окружающей проводник.

За единицу емкости принимается емкость такого проводника, потенциал которого изменяется на единицу при изменении его заряда на единицу.

В системе СИ единицей емкости является Фарада. 1 Ф = 1 Кл/В = = 10-6 мкФ = 10-12 пФ.

Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 2976;

3.1 Классификация проводников

Особенности проводимости металлов, тепловое и дрейфовое движение электропроводимости.

В электронной промышленности широко применяются металлы и их сплавы, из которых делают проводники.

Классифицируются по агрегатному состоянию: газообразные, жидкие, твёрдые.

Газообразные – пары веществ и газы при напряжённости электрического поля, которое обеспечивает ионизацию молекул. В них электрический ток создаётся как электронами, так и ионами. Используются в газоразрядных приборах.

Жидкие – растворы различных солей, кислот, щелочей, а также их расплавы (электролиты). Ток связан с переносом ионов, при этом состав электролита изменяется, а на электродах, погружённых в электролит, происходит выделение вещества из раствора.

Твёрдые – это металлы, которые занимают в таблице Менделеева более 75%. Ток в них создаётся только электронами, а поэтому нет переноса вещества от одного электрода к другому.

По применению металлические материалы подразделяются:

— металлы высокой проводимости;

— сплавы высокого сопротивления.

Металлы высокой проводимости: серебро, медь, алюминий, железо, золото.

Сверхпроводники (при низких t0 C): алюминий, ртуть, свинец, ниобий, соединения с оловом, титаном, цирконием.

Сплавы высокого сопротивления:

— медно-марганцовые (манганин);

— медно-никелевые (константаны);

— железа, никеля и хрома (нихромы).

Электронная проводимость металлов

Элементы первой группы таблицы Менделеева одновалентны. Валентный электрон слабо связан со своим ядром и при любых внешних воздействиях разрывает связь с ядром и становится свободным. Поэтому в узлах кристаллической решётки находятся положительно заряженные атомы (ионы), а между ними перемещаются свободные электроны.

Ионы и электроны находятся в беспорядочном движении. Энергия этого движения представляет внутреннюю энергию тока.

Движение ионов, образующих решётку, состоит лишь в колебаниях около своих положений равновесия. Свободные электроны могут перемещаться по всему объёму металла. При отсутствии внутри металла электрического поля, движение электронов хаотично, в каждый момент скорости различных электронов различны и имеют всевозможные направления.

Электроны подобны газу, поэтому их часто называют электронным газом.

Тепловое движение не вызывает никакого тока, так как вследствие полной хаотичности в каждом направлении будет двигаться столько же электронов, сколько в противоположном, и поэтому суммарный заряд, переносимый через любую площадку внутри, будет равен нулю.

Если на концах проводника создать разность потенциалов, т.е. создать внутри электрическое поле, то на каждый электрон будет действовать сила, каждый электрон получит дополнительные скорости, направленные в одну сторону. Движение станет направленным, т.е. будет электрический ток.

Вывод:

Хаотическое движение обусловлено воздействием внешних факторов (тепла). Направленное движение за счёт разности потенциалов называется дрейфовым.

Проводимость разных металлов различная, так как обусловлена:

— различным количеством свободных электронов в единице объёма;

— условиями движения электронов, связанных с различной длинной свободного пробега, т.е. пути, проходимого в среднем электроном между двумя соударениями с ионами.

На практике используют понятия: удельная проводимость и удельное сопротивление:

s — удельная проводимость, МСu/м

r — удельное сопротивление, Ом*мм2 / м

r= 1/s = 1/еnm = 2muт/е2n lср,

где е – заряд электрона = 1,6 * 10-19;

n – количество свободных электронов;

m — подвижность электрона, обусловленная электрическим полем;

m – масса электрона = 9,1 * 10-31 кг;

lср- средняя длина свободного пробега;

uт – средняя скорость теплового движения.

Значения uт , n, в различных проводниках примерно одинаковы, например:

nмеди= 8,5*1028м-3, nалюм= 8,3*1028м-3, значение скорости теплового движения приблизительно uт = 105 м/с.

Для каждого металла существует определённый температурный коэффициент сопротивления при изменении Т0 на 10 С, отнесённый к 10м начального сопротивления (a):

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *