Постоянный электрический ток

Содержание

 

1. Постоянный электрический ток…………………………………………………….3
1. Условия существования постоянного электрического тока………………….3
2. Основные понятия……………………………………………………………….3
3. Последовательное и параллельное соединение проводников……………….5
4. Правило Кирхгофа………………………………………………………………6
2. Электрический ток в жидкостях……………………………………………………7
3. Электрический ток в газах…………………………………………………………..9
4. Плазма………………………………………………………………………………..10

 

 

 

 

Постоянный электрический  ток.

 

 

Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил.

За направление тока выбрано  направление движения положительно заряженных частиц.

Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени. 

 

Условия существования  постоянного электрического тока. 

 

Для существования постоянного  электрического тока необходимо наличие  свободных заряженных частиц и наличие  источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии  в энергию электрического поля.

Источник тока - устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля. В источнике тока на заряженные частицы в замкнутой цепи действуют сторонние силы. Причины возникновения сторонних сил в различных источниках тока различны. Например в аккумуляторах и гальванических элементах сторонние силы возникают благодаря протеканию химических реакций, в генераторах электростанций они возникают  при движении проводника в магнитном поле, в фотоэлементах - при действия света на электроны в металлах и полупроводниках.

Электродвижущей силой источника тока называют отношение работы сторонних сил к величине положительного заряда, переносимого от отрицательного полюса источника тока к положительному.

 

 

Основные понятия.  

 

Сила тока - скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через проводник, ко времени, за которое этот заряд прошел.

где I - сила тока, q - величина заряда (количество электричества), t - время прохождения заряда.

Плотность тока - векторная физическая величина, равная отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.

где j -плотность тока,  S - площадь сечения проводника.

Направление вектора плотности  тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

Напряжение - скалярная физическая величина, равная отношению полной работе кулоновских и сторонних сил при перемещении положительного заряда на участке к значению этого заряда.

где A - полная работа сторонних и кулоновских сил,  q - электрический заряд.

Электрическое сопротивление - физическая величина, характеризующая  электрические свойства участка цепи.

где ρ - удельное сопротивление проводника, l - длина участка проводника,  S - площадь поперечного сечения проводника. 

 

Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где  G - проводимость.  

 

 

 

Законы Ома. 

 

Закон Ома для  однородного участка цепи.

Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна  напряжению при постоянном сопротивлении  участка  и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении.

где U - напряжение на участке,  R - сопротивление участка.

 

 

 

 

Закон Ома для  произвольного участка цепи, содержащего  источник постоянного тока.

где   φ₁ - φ₂ + ε = U напряжение на заданном участке цепи, R - электрическое сопротивление  заданного участка цепи.

 

 

 

 

Закон Ома для  полной цепи.

Сила тока в полной цепи равна отношению электродвижущей  силы источника к сумме сопротивлений  внешнего и внутреннего участка  цепи.

где R - электрическое сопротивление внешнего участка цепи,  r - электрическое сопротивление внутреннего участка цепи.

 

 

Короткое замыкание.

Из закона Ома для полной цепи следует, что сила тока в цепи  с заданным источником тока зависит только от сопротивления внешней цепи R.

Если к полюсам источника  тока подсоединить проводник с сопротивлением  R<< r, то тогда только  ЭДС источника тока и его сопротивление будут определять  значение силы тока в цепи. Такое значение силы тока будет являться предельным для данного источника тока и называется током короткого замыкания. 

 

 

Последовательное  и параллельное

соединение проводников.  

 

Электрическая цепь включает в себя источника тока и проводники (потребители, резисторы и др), которые  могут соединятся  последовательно или параллельно. 

 

При последовательном соединении конец предыдущего проводника соединяется с началом следующего.        Во всех  последовательно соединенных проводниках сила тока одинакова:   I1= I2=I     Сопротивление всего участка  равно сумме сопротивлений всех отдельно взятых проводников:   R = R1+ R2      Падение напряжения на всем участке равно сумме паданий  напряжений на всех отдельно взятых проводниках:   U= U1 +U2    Напряжения на последовательно  соединенных проводниках пропорциональны  их сопротивлениям.

При параллельном соединении проводники подсоединяются к одним и тем же точкам цепи. Сила тока в неразветвленной  части цепи равна сумме токов, текущих в каждом проводнике: I = I1+ I2    Величина, обратная сопротивлению  разветвленного участка,  равна сумме обратных величин обратных сопротивлениям каждого отдельно взятого проводника:              Падение напряжения во всех проводниках одинаково:   U= U1 = U2      Силы тока в проводниках  обратно пропорциональны их сопротивлениям

 

 

Смешанное соединение - комбинация  параллельного и последовательного  соединений.

 

 

 

 

Правила Кирхгофа.

Для расчета разветвленных  цепей, содержащих неоднородные участки, используют правила Кирхгофа. Расчет сложных цепей состоит в отыскании токов в различных участках цепей.

Узел - точка разветвленной  цепи, в которой сходится более  двух проводников.

1 правило Кирхгофа: алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю;

где n - число проводников, сходящихся в узле, I_i - сила тока в проводнике.

токи, входящие в узел считают  положительными, токи, отходящие из узла - отрицательными.

2 правило Кирхгофа: в любом произвольно выбранном замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма произведений сил токов и сопротивлений каждого из участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС в контуре.

 

 

Чтобы учесть знаки сил  токов и ЭДС выбирается определенное направление обхода контура(по часовой  стрелке или против нее). Положительными считают токи, направление которых  совпадает с направлением обхода контура, отрицательными считают  токи противоположного направления. ЭДС источников  электрической энергии считают положительными если они создают токи, направление которых совпадает с направлением обхода контура, в противном случае - отрицательными.

 

Электрический ток  в жидкостях

 

В металлическом проводнике электрический ток образуется направленным движением свободных электронов и что при этом никаких изменений вещества, из которого проводник сделан, не происходит.

Такие проводники, в которых  прохождение электрического тока не сопровождается химическими изменениями  их вещества, называются проводниками первого рода. К ним относятся все металлы, уголь и ряд других веществ.

Но есть в природе и  такие проводники электрического тока, в которых во время прохождения  тока происходят химические явления. Эти  проводники называются проводниками второго рода. К ним относятся главным образом различные растворы в воде кислот, солей и щелочей.

Если в стеклянный сосуд  налить воды и прибавить в нее  несколько капель серной кислоты (или  какой-либо другой кислоты или щелочи), а затем взять две металлические  пластины и присоединить к ним  проводники опустив эти пластины в сосуд, а к другим концам проводников  подключить источник тока через выключатель  и амперметр, то произойдет выделение  газа из раствора, причем оно будет  продолжаться непрерывно, пока замкнута цепь т.к. подкисленная вода действительно  является проводником. Кроме того, пластины начнут покрываться пузырьками газа. Затем эти пузырьки будут отрываться от пластин и выходить наружу.

При прохождении по раствору электрического тока происходят химические изменения, в результате которых  выделяется газ.

Проводники второго рода называются электролитами, а явление, происходящее в электролите при прохождении через него электрического тока, — электролизом.

Металлические пластины, опущенные  в электролит, называются электродами; одна из них, соединенная с положительным  полюсом источника тока, называется анодом, а другая, соединенная с отрицательным полюсом,— катодом.

Чем же обусловливается прохождение  электрического тока в жидком проводнике? Оказывается, в таких растворах (электролитах) молекулы кислоты (щелочи, соли) под  действием растворителя (в данном случае воды) распадаются на две  составные части, причем одна частица молекулы имеет положительный электрический заряд, а другая отрицательный.

Частицы молекулы, обладающие электрическим зарядом, называются ионами. При растворении в воде кислоты, соли или щелочи в растворе возникает большое количество как положительных, так и отрицательных ионов.

Теперь должно стать понятным, почему через раствор прошел электрический  ток, ведь между электродами, соединенными с источником тока, создана разность потенциалов, иначе говоря, один из них оказался заряженным положительно, а другой отрицательно. Под действием этой разности потенциалов положительные ионы начали перемешаться по направлению к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные ионы — к аноду.

Таким образом, хаотическое  движение ионов стало упорядоченным  встречным движением отрицательных  ионов в одну сторону и положительных  в другую. Этот процесс переноса зарядов и составляет течение  электрического тока через электролит и происходит до тех пор, пока имеется  разность потенциалов на электродах. С исчезновением разности потенциалов  прекращается ток через электролит, нарушается упорядоченное движение ионов, и вновь наступает хаотическое  движение.

В качестве примера рассмотрим явление электролиза при пропускании  электрического тока через раствор  медного купороса CuSO4 с опущенными в него медными электродами.

Явление электролиза при  прохождении тока через раствор  медного купороса: С - сосуд с электролитом, Б — источник тока, В — выключатель

Здесь также будет встречное  движение ионов к электродам. Положительным  ионом будет ион меди (Си), а  отрицательным — ион кислотного остатка (SO4). Ионы меди при соприкосновении  с катодом будут разряжаться (присоединяя  к себе недостающие электроны), т. е. превращаться в нейтральные молекулы чистой меди, и в виде тончайшего (молекулярного) слоя отлагаться на катоде.

Отрицательные ионы, достигнув  анода, также разряжаются (отдают излишние электроны). Но при этом они вступают в химическую реакцию с медью  анода, в результате чего к кислотному остатку SO4 присоединяется молекула меди Сu и образуется молекула медного купороса СuSО4, возвращаемая обратно электролиту.

Так как этот химический процесс протекает длительное время, то на катоде отлагается медь, выделяющаяся из электролита. При этом электролит вместо ушедших на катод молекул  меди получает новые молекулы меди за счет растворения второго электрода  — анода.

Тот же самый процесс происходит, если вместо медных взяты цинковые электроды, а электролитом служит раствор  цинкового купороса ZnSO4. Цинк также будет переноситься с анода на катод.

Таким образом, разница между электрическим током в металлах и жидких проводниках заключается в том, что в металлах переносчиками зарядов являются только свободные электроны, т. е. отрицательные заряды, тогда как в электролитах электричество переносится разноименно заряженными частицами вещества — ионами, двигающимися в противоположных направлениях. Поэтому говорят, что электролиты обладают ионной проводимостью.

 

 

Электрический ток  в газах

 

Газы (в том числе и  воздух) в обычных условиях не проводят электрический ток. Например, голые провода воздушных линий, будучи подвешены параллельно друг другу, оказываются изолированными один от другого слоем воздуха.

Однако под воздействием высокой температуры, большой разности потенциалов и других причин газы, подобно жидким проводникам, ионизируются, т. е. в них появляются в большом количестве частицы молекул газа, которые, являясь переносчиками электричества, способствуют прохождению через газ электрического тока.

Но вместе с тем ионизация  газа отличается от ионизации жидкого  проводника. Если в жидкости происходит распад молекулы на две заряженные части, то в газах под действием  ионизации от каждой молекулы всегда отделяются электроны и остается ион в виде положительно заряженной части молекулы.

Стоит только прекратить ионизацию  газа, как он перестанет быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электрического тока. Следовательно, проводимость газа — явление временное, зависящее от действия внешних причин.

 

Однако есть и другой вид  разряда, называемый дуговым разрядом или просто электрической дугой. Явление электрической дуги было открыто в начале 19-го столетия первым русским электротехником В. В. Петровым.

В. В. Петров, проделывая многочисленные опыты, обнаружил, что между двумя  древесными углями, соединенными с  источником тока, возникает непрерывный  электрический разряд через воздух, сопровождаемый ярким светом. В своих  трудах В. В. Петров писал, что при  этом "темный покой достаточно ярко освещен быть может". Так впервые  был получен электрический свет, практически применил который еще  один русский ученый-электротехник  Павел Николаевич Яблочков.

"Свеча Яблочкова", работа  которой основана на использовании  электрической дуги, совершила в  те времена настоящий переворот  в электротехнике.

 

Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы и т.д. А в 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла.

В газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и  ионных пучков используется так называемый тлеющий газовый разряд.

Искровой разряд применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на них подается измеряемая разность потенциалов. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.

 

Плазма

Плазма (от «вылепленное», «оформленное») — в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества. 
 
Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году, возможно из-за ассоциации с плазмой крови.  
 
Многие философы античности утверждали, что мир состоит из четырёх стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение с учётом некоторых допущений укладывается в современное научное представление о четырёх агрегатных состояниях вещества, причем плазме, очевидно, соответствует огонь. Свойства плазмы изучает физика плазмы.  
 
Однако, не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами: 

• Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления — типичное свойство плазмы).
• Приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной.
• Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания. Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими.

Формы плазмы. 
 
По сегодняшним представлениям фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9%) во Вселенной является плазма. Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвездное пространство). К примеру, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы, находящееся в «неплазменном» состоянии (жидком, твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего лишь около 0,1% массы Солнечной системы, а объем и того меньше — всего 10-15%. При этом мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных ионов (см. пылевая плазма). 

Классификация. 
 
Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную,  равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.  
 
Температура.  
 
При чтении научно-популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов °С или К. Для описания плазмы в физике удобно измерять температуру не в °С, а в единицах измерения характерной энергии движения частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1эВ = 11600 K (Кельвин). Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима.  
 
В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.  
 
В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).  
 
Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.  
 
Степень ионизации. 
 
Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1% частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации  определяетя как &alpha = n_i/(n_i + n_a), где n_i — концентрация ионов, а n_a — концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме n_e определяется очевидным соотношением: n_e= n_i, где — среднее значение заряда ионов плазмы.  
 
Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1%). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях). 
 
Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100%). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.  
 
Плотность.  
 
Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов  . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n0. В горячей плазме n0 мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в плотной, неидеальной плазме характерным параметром плотности становится rs, который определяется как отношение среднего межчастичного расстояния к радиусу Бора. 
 
Квазинейтральность. 
 
Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов  . В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний. 
 
Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания. 
 
Отличия от газообразного состояния. 
 
Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объема. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. 
 
Сложные плазменные явления. 
 
Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов — типичное свойство сложных систем, если использовать для их описания простые модели. Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и ее математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или с применением вероятностного подхода. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц, из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.