Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Электрический ток. 8

1.Введение

После того, как в 1800 году Вольт построил первый источник непрерывного тока, мы не можем представить современную цивилизацию без электрического тока. С этого времени многочисленные ученые и изобретатели, российские и иностранные, внесли свой большой вклад в его развитие и практическое применение. Мы, не можем вообразить, как люди могли обойтись без электрических ламп, без пылесосов, холодильников, стиральных машин и других управляемых электричеством устройств, которые широко используются сегодня. Фактически, телефоны, лифты, электрические трамваи и поезда, радио и телевидение стали возможными только благодаря электрическому току.

Человек, читающий эту статью конечно знаком с важной частью, которую электрический ток играет в повседневной жизни. С того момента, когда он встает утром, до того пока он не ложится спать ночью, он широко использует электрическую энергию. Фактически, известно, что электрический ток является необходимым для управления троллейбусами, трамваями, автобусами и современными поездами.

Электрическая энергия находит свое самое важное использование в промышленности. Возьмите, например, электрическую мотор, преобразующий электрическую энергию в механическую. Он находит широкое применение на каждом заводе и фабрике. Что касается электрического подъемного крана, он может легко снять объекты, весящие сотни тонн.

Все это только некоторые из различных индустриальных применений электрического тока, служащего нам тысячью способами.

Я считаю, что актуальность выбранной мною темой состоит в важнейшей роли электричества в жизни современного человека.

В моем реферате иною раскрыты некоторые применения электрического тока.

2.Условия возникновения тока.

Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц. Количественными характеристиками тока являются его сила тока (отношение заряда: переносимого через поперечное сечение проводника в единицу времени):и его плотность.
Единицей измерения силы тока является ампер (1А - характерное значение тока, потребляемого бытовыми электронагревательными приборами).

Необходимыми условиями существования тока являются наличие свободных носителей зарядов, замкнутой цепи и источника ЭДС (батареи), поддерживающего направленное движение.

Электрический ток может существовать в различных средах: в металлах, вакууме, газах, в растворах и расплавах электролитов, в плазме, в полупроводниках, в тканях живых организмов. При протекании тока практически всегда происходит взаимодействие носителей зарядов с окружающей средой, сопровождающееся передачей энергии последней в виде тепла. Роль источника ЭДС как раз и состоит в компенсации тепловых потерь в цепях.

Рассмотрим электрический ток во всех средах.

3.Определение электрического тока.

Электрический ток-это направленное движение заряженных частиц.

Единицей измерения силы тока является ампер - в честь французского физика Андре Ампера(1775-1836). 1А – характерное значение тока,

потребляемого бытовыми электронагревательными приборами.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока I, которая определяется количеством электричества q, протекающего через поперечное сечение за 1 с.

Формула электрического тока:

I= q\t

Сила тока равна отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени.

4.Действие электрического тока

О наличии электрического тока в проводниках можно судить по явлениям, сопровождающим ток, то есть по его действиям:

1) Тепловому – проводник с током нагревается. Нагревательный элемент выполнен из проволоки, обладающей большим сопротивлением, а подводящий провод имеет малое сопротивление. Поэтому наибольшее количество теплоты выделяется именно в нагревательном элементе пропорционально его сопротивлению.

Провода, подводящие ток к приборам обладают некоторым сопротивлением и рассчитаны на определенную силу тока. При увеличении силы тока провода нагреваются, что может привести к пожару.

2)Магнитному – вокруг любого проводника с током существует магнитное поле, действующее с некоторой силой на соседние токи или намагниченные тела. Например, вблизи проводника с током магнитная стрелка ориентируется определенным образом.

Магнитное действие тока проявляется повсюду, независимо от свойств проводника и поэтому оно является основным действием электрического тока.

3)Химическому – изменение химического состава проводника и разделение его на составные части. Это действие наблюдается в электролитах и газах. Например, из раствора медного купороса можно выделить чистую медь. Само явление разложения вещества называется электролизом.

Электрический ток в различных средах.

5.1 электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах обусловлен движением относительно свободных электронов через кристаллическую решетку. Причины существования свободных электронов в проводящих кристаллах может быть объяснена только на языке квантовой механики.

Опыт показывает, что сила электрического тока, протекающего по проводнику, пропорциональна приложенной к его концам разности потенциалов (закон Ома). Постоянный для выбранного проводника коэффициент пропорциональности между током и напряжением называют электрическим сопротивлением:

Сопротивление измеряют в Омах (сопротивление человеческого тела составляет около 1000 Ом). Величина электрического сопротивления проводников слабо возрастает при увеличении их температуры. Это связано с тем, что при нагревании узлы кристаллической решетки усиливают хаотические тепловые колебания, что препятствует направленному движению электронов. Во многих задачах непосредственный учет колебаний решетки оказывается весьма трудоемким. Для упрощения взаимодействия электронов с колеблющимися узлами оказывается удобным заменить их столкновениями с частицами газа гипотетических частиц - фононов, свойства которых подбираются так, чтобы получить максимально приближенное к реальности описание и могут оказываться весьма экзотическими. Объекты такого типа весьма популярны в физике и называются квазичастицами. Помимо взаимодействий с колебаниями кристаллической решетки движению электронов в кристалле могут препятствовать дислокации - нарушения регулярности решетки. Взаимодействия с дислокациями играют

определяющую роль при низких температурах, когда тепловые колебания практически отсутствуют.

Некоторые материалы при низких температурах полностью утрачивают электрическое сопротивление, переходя в сверх проводящее состояние. Ток в таких средах может существовать без каких-либо ЭДС, поскольку потери энергии при столкновениях электронов с фононами и дислокациями отсутствуют. Создание материалов, сохраняющих сверхпроводящее состояние при относительно высоких (комнатных) температурах и небольших токах является весьма важной задачей, решение которой произвело бы настоящий переворот в современной энергетике, т.к. позволило бы передавать электроэнергию на большие расстояния без тепловых потерь.

В настоящее время электрический ток в металлах используется главным образом для превращения электрической энергии в тепловую (нагреватели, источники света) или в механическую (электродвигатели). В последнем случае электрический ток используется в качестве источника магнитных полей, взаимодействие с которыми других токов вызывает появление сил.

5.2 Электрический ток в вакууме

Электрический ток в вакууме, строго говоря, невозможен из-за отсутствия в нем свободных электрических зарядов. Однако, некоторые проводящие вещества при нагревании или облучении светом способны испускать со своей поверхности электроны (термоэмиссия и фотоэмиссия), которые способны поддерживать электрический ток, двигаясь от катода к другому (положительному) электроду - аноду. При подаче на анод отрицательного напряжения ток в цепи обрывается. Это свойство обуславливает широкое применение электровакуумных приборов в электронных устройствах для выпрямления переменного тока. До сравнительно недавнего времени электровакуумные устройства широко использовались в качестве усилителей электрических сигналов. В настоящее время они почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами.

5.3 Электрический ток в газах

Электрический ток в газах на первый взгляд не может существовать из-за отсутствия свободных заряженных частиц (электроны в атомах и молекулах газов прочно “связаны” с ядрами электростатическими силами). Однако, при передаче атому энергии порядка 10эВ (энергия, приобретаемая свободным электроном при прохождении через разность потенциалов в 10 В), последний переходит в ионизированное состояние (электрон уходит от ядра на сколь угодно большое расстояние). В газах при комнатных температурах всегда присутствует очень небольшое количество ионизированных атомов, возникших под действием космического излучения (фотоионизация). При помещении такого газа в электрическое поле заряженные частицы начинают разгоняться, передавая нейтральным атомам набранную кинетическую энергия и ионизуя их. В результате развивается лавинообразный процесс нарастания числа свободных электронов и ионов - возникает электрический разряд. Характерное свечение разряда связано с выделением энергии при рекомбинации электронов и положительных ионов. Типы электрических разрядов весьма разнообразны и сильно зависят от состава газа и внешних условий.

Вы знаете, что при обычных условиях все газы являются диэлектриками, то есть не проводят электрического тока. Этим свойством объясняется, например, широкое использование воздуха в качестве изолирующего вещества. Принцип действия выключателей и рубильников как раз и основан на том, что размыкая их металлические контакты, мы создаем между ними прослойку воздуха, не проводящую ток.

Однако при определенных условиях газы могут становиться проводниками. Например, пламя, внесенное в пространство между двумя металлическими

дисками (см. рисунок), приводит к тому, что гальванометр отмечает появление тока. Отсюда следует вывод: пламя, то есть газ, нагретый до высокой температуры, является проводником электрического тока.

Нагревание – не единственный способ превращения газа в проводник. Вместо пламени можно использовать ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, а также поток альфа-частиц или электронов. Опытами установлено, что действие любой из этих причин приводит к ионизации молекул газа. При этом от некоторых молекул отрывается один (или несколько) электронов, в результате чего молекула превращается в положительный ион. Под воздействием электрического поля, существующего между дисками, образовавшиеся ионы и электроны начинают двигаться, создавая между дисками электрический ток.

Прохождение тока через газы называют газовым разрядом. Только что мы рассмотрели пример так называемого несамостоятельного разряда. Он так называется потому, что для его поддержания требуется какой-либо ионизатор – пламя, излучение или поток заряженных частиц. Опыты показывают, что если ионизатор устранить, то ионы и электроны вскоре воссоединяются (говорят: рекомбинируют), вновь образуя электронейтральные молекулы. В результате газ перестает проводить ток, то есть становится диэлелектриком.

5.4 Электрический ток в жидкостях

С электропроводностью растворов солей в воде (электролитов) связано

очень многое в нашей жизни. С первого удара сердца («живое» электричество в теле человека, на 80% состоящем из воды) до автомобилей на улице, плееров и мобильных телефонов (неотъемлемой частью этих устройств являются «батарейки» – электрохимические элементы питания и различные аккумуляторы – от свинцово-кислотных в автомобилях до литий-полимерных в самых дорогих мобильных телефонах). В огромных, дымящихся ядовитыми парами чанах из расплавленного при огромной температуре боксита электролизом получают алюминий – «крылатый» металл для самолётов и банок для «Фанты». Все вокруг

– от хромированной решетки радиатора иномарки до посеребрённой серёжки в ухе когда-либо сталкивалось с раствором или расплавом солей, а следовательно, и с электротоком в жидкостях. Электроток в растворе. Электролиты

Нам известно, что заряд в проводниках (металлах) переносят отрицательно заряженные электроны.

Упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим

током.

Но если мы соберем прибор (с электродами из графита): [pic]

то убедимся, что стрелка амперметра отклоняется – через раствор идет

ток! Какие же заряженные частицы есть в растворе?

Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются

электролитами.

Растворы сахара, спирта, глюкозы и некоторых других веществ не

проводят электрический ток. Вещества, растворы которых не проводят электрический ток, называются неэлектролитами.

Электролитическая диссоциация

Процесс распада электролита на ионы называется электролитической

диссоциацией.

Диссоциация молекул электролитов происходит в следующей последовательности:

а) ориентация молекул воды вокруг полюсов молекулы электролита

б) гидратация молекулы электролита

в) её ионизация

г) распад её на гидратированные ионы

По отношению к степени электролитической диссоциации электролиты

делятся на сильные и слабые.

Сильные электролиты – такие, которые при растворении практически

полностью диссоциируют. У них значение степени диссоциации стремится к единице.

Слабые электролиты – такие, которые при растворении почти не

диссоциируют. Их степень диссоциации стремится к нулю.

Из этого делаем вывод, что переносчиками электрического заряда

(носителями электрического тока) в растворах электролитов являются не

электроны, а положительно и отрицательно заряженные гидратированные ионы

Температурная зависимость сопротивления электролита

При повышении температуры облегчается процесс диссоциации, повышается, и подвижность ионов и сопротивление электролита падает.

5.5 Электрический ток в живых тканях

Важная роль электрических импульсов для жизнедеятельности организмов предполагалась еще более 200 лет назад. Сейчас известно, что эти импульсы используются для обеспечения управления работой органов и передачи информации между ними в процессе жизнедеятельности. Роль кабелей для передачи сигналов в сложнейшем “биологическом компьютере” играют нервы, основу которых составляют узко специализированные клетки - нейроны. Основные функции этих клеток - прием, обработка и усиление электрических сигналов. Нейроны связываются друг с другом в “сеть” при помощи специальных удлиненных выростов - аксонов, выполняющих функции проводников. Исследования распространения электрических сигналов в аксонах выполнялись совместно биологами, химиками и физиками в 30-60 годах нашего века и явились одним из первых удачных примеров плодотворного сотрудничества представителей смежных естественных наук.

Как оказалось, свойства электрических импульсов, распространяющихся в аксонах существенно отличаются от привычных для электротехники: 1) скорость распространения импульсов по аксону оказывается на несколько порядков меньше характерных для металлических; 2) после прохождения электрического импульса существует “мертвое” время, в течение которого распространение следующего импульса невозможно. 3) существует пороговое значение напряжения (импульсы с амплитудой ниже пороговой не распространяются); 4) при медленном нарастании напряжения даже до превышающего порог значения импульс по аксону не передается (“аккомодация”).

Перечисленные нехарактерные для традиционной электротехники особенности проводимости аксонов нашли объяснения в рамках весьма специфического электрохимического механизма, центральная роль в котором принадлежит полу проницаемой для ионов клеточной мембране, отделяющей содержащий аномально высокую концентрацию ионов K+ и низкую - Na+ внутренний объем клетки (и ее аксона) от окружающей среды, заполненной физиологическим раствором. В результате хаотического теплового движения частиц через границу между областями с различными концентрациями положительных ионов возникают диффузионные потоки (K+ - из клетки, Na+ - внутрь ее), скорости которых регулируются проницаемостью клеточной мембраны и электрической разностью потенциалов по обе стороны от нее. Изменения проницаемости мембраны для каждого из ионов приводит к изменению количества заряженных частиц, пересекающих границу и, следовательно, к изменению электрического потенциала аксона относительно внешней среды. Как показали опыты, проводимость участка мембраны изменяется в зависимости от приложенной к нему разности потенциалов. Т.о. подаваемый на участок аксона электрический импульс изменяет на небольшое время (зависящее от свойств аксона) проводимость мембраны, что ведет к перераспределению зарядов, усилению импульса и формированию его заднего фронта. При этом аксон одновременно играет роль проводника и “усиливающих подстанций - ретрансляторов”, что позволяет избежать затухания сигналов, передаваемых в организме на достаточно большие расстояния.

6.Пример проявления тока

Молния

Из всех явлений природы молния — одно из наиболее распространенных и зрелищных. Одним из первых электрическую природу молний установил американский государственный деятель и ученый Б.Франклин. В 1752 он провел опыт с бумажным змеем, к шнуру которого был прикреплен металлический ключ, и получил от ключа искры во время грозы. С тех пор молнии и грозы продолжают интенсивно изучаться. Но, несмотря на обилие новых приборов, и методов исследования, микрофизические процессы, приводящие к зарядке грозовых облаков, остаются предметом споров.

В целом картина формирования молний выгладит следующим образом. Земная атмосфера представляет собой исключительно хороший диэлектрик, расположенный между двумя проводниками - поверхностью земли снизу и верхними слоями атмосферы, включая ионосферу, сверху . Эти слои являются пассивными компонентами глобальной электрической цепи. Между отрицательно заряженной поверхностью земли и положительно заряженной верхней атмосферой поддерживается постоянная разность потенциалов величиной около 300 000 В. В соответствии с идеей, впервые высказанной Вильсоном в 20-е годы, принято считать, что этот «ионосферный потенциал» является результатом заряда, получаемого от гроз, которые создают глобальную электрическую «батарею».

В силу ряда причин, вершина облака заряжается положительным электричеством, а нижняя часть – отрицательным. В модели осадков, разработанной в 1929 Дж. Симпсоном, предполагается, что когда в верхней части облака в вихре пурги ледяные кристаллы сталкиваются друг с другом,

они разламываются и электризуются. Более крупные осколки заряжаются отрицательно, осаждаются в нижнюю часть облака и там тают. Также когда

крупные дождевые капли у основания облака разбрызгиваются порывами ветра, то большая часть капли разряжается положительно, а сдуваемые с нее мельчайшие брызги – отрицательно. Мелкая водяная пыль, заряженная положительно, также относится потоками воздуха вверх, а более тяжёлые отрицательно заряженные капли падают вниз облака. Также существуют другие механизмы разделения заряда облаков, которые продолжают исследоваться и на которых мы здесь останавливаться не будем.

Итак, нижняя часть облака, обращённая к земле, заряжена отрицательно, а верхняя часть - положительно. Космические лучи сталкиваются с молекулами воздуха и ионизируют их (в результате происходит разделение положительных и отрицательных зарядов). Положительные заряды двигаются вниз к отрицательно заряженной земле и скапливаются под облаком, а отрицательные заряды - притягиваются к верхней части облака, заряжая его отрицательно. При накоплении достаточного заряда происходит электрический пробой атмосферы - молния. Разряд молнии характеризуется чрезвычайно быстрым нарастанием тока до пикового значения, как правило, достигаемого за время от 1 до 80 мкс (миллионных долей секунды), и последующим падением тока обычно за 3–200 мкс после пикового значения.

Такова одна из моделей молний, которая активно исследуется в последнее время. Сложность проблемы объясняется тем, что в формировании молнии и грозы задействованы сразу несколько явлений, характерные длины которых изменяются на 15 порядков величины. Это и разделение зарядов на молекулярном уровне, и вспышки молний, покрывающие расстояния в несколько километров, и конвекционные потоки воздуха, которые могут охватывать континенты

7.Заключение

В заключение необходимо отметить что задачи, поставленные мною, решены. То есть я рассмотрела электрический ток во всех средах:

1.электрический ток в металлах

2.Электрический ток в вакууме

3.Электрический ток в газах

4.Электричский ток жидкостях

5.Электрический ток в живых тканях.

Также я рассмотрела молнию её строение и происхождение.

Говорить о той роли, которую играет электричество в наши дни, просто нет смысла – перефразируя известную поговорку « без электричества и ни туда и ни сюда»

Мне понравилась эта тема тем, что она играет важную роль в наши дни. Неизвестно что бы было с жизнью человека без электричества.