Электрический ток в разных средах

Сверхпроводимость

Так назвали открытое Камерлинг – Оннесом в 1911г. явление полного исчезновения сопротивления ртути, охлажденной сжиженным гелием. Затем сверхпроводимость была обнаружена и у других металлов: и др.

В 1986г. Мюллер и Беднорц обнаружили сверхпроводимость «керамики» (спрессованных порошков окислов металлов) при . Позже были найдены составы керамики, обладающие сверхпроводимостью при охлаждении сжиженным азотом (около 77 К) и при еще более высоких температурах.

Ток в электролитах. Электролиз.

электроды

Электролиты (кислоты, щелочи. соли) – вещества, которые в водных растворах и в расплавах проводят ток, имея проводимость ионного типа.

Окислительно – восстановительные реакции на электродах, находящихся в электролите, называют электролизом. При этом из электролита выделяются ионы и осаждаются на электродах.

Положительно заряженный электрод (здесь, а также в радио- и электротехнических устройствах) называют анодом (от греческого – восхождение); отрицательно заряженный электрод – катодом ( от греческого – спуск).

Формула Фарадея для определения массы осаждающегося на электродах вещества:

где - масса моля, - сила тока, - время его прохождения, - постоянная Авогадро, - заряд электрона, - валентность, - постоянная Фарадея (иногда называют числом Фарадея), - электрохимический эквивалент.

Ток в газе

Газ может стать проводником или при значительном повышении температуры, или при действии на него ультрафиолетового, рентгеновского или гамма-излучения. Все это – внешние ионизаторы, превращающие часть молекул газа в положительные ионы вследствие отделения от молекул электронов.

Электрический ток в газе называют газовым разрядом.

Участок ОА вольт - амперной характеристики: при увеличении приложенного напряжения все больше заряженных частиц, образуемом внешним ионизатором, отводится к электродам.

Участок АВ соответствует троку насыщения: все образующиеся в единицу времени электроны и ионы сразу же отводятся к электродам.

При ускоряющем ускорении приобретаемая электронами энергия достаточна для ударной ионизации ими молекул газа; идет лавинообразное увеличение числа электронов и ионов.

Несмотря на большие значения токов в интервале между и , устранение внешнего ионизатора приводит к исчезновению разряда.

Разряд, происходящий только в присутствии внешнего ионизатора, называют несамостоятельным.

Разряд становится самостоятельным при дальнейшем усилении электрического поля, ускоряющего электроны и ионы. В достаточно сильных полях положительные ионы: а) выбивают электроны из катода; б) ионизируют молекулы газа, сталкиваясь с ними.

Возникновение самостоятельного разряда приводит к спаду напряжения между электродами в газе (из-за существенного уменьшения сопротивления газового промежутка), участок .

В зависимости от давления газа, формы электродов и приложенного напряжения могут происходить самостоятельные разряды различных типов: тлеющий, дуговой, коронный, искровой.

Ток в вакууме

Эмиссия электронов

Вакуум в сосуде – это настолько разряженное состояние газа, что его молекулы сталкиваются друг с другом реже, чем со стенками сосуда.

Вакуум – изолятор, ток в нем может возникнуть только за счет искусственного введения заряженных частиц. Для этого используют эмиссию (испускание) электронов. В вакуумных лампах с нагреваемыми катодами происходит термоэлектронная эмиссия, а в фотодиоде – фотоэлектронная.

Вакуумные диод и триод

катод

анод

накал

А А

а) б)

К Н

В первых конструкциях вакуумных двухэлектродных ламп (диодов) использовались катоды прямого накала (вольфрамовый катод был одновременно и нагревателем, и источником эмиссии (а)).

Затем начали изготавливать диоды с катодами косве6нного нагрева («подогревными»). При этом источники эмиссии – окислы металлов с малой работой выхода из них электронов, но с большим электросопротивлением, поэтому нагреватель в таких диодах отделен от катода (б).

Диоды служат для выпрямления переменного тока: в те полупериоды, когда потенциал электрода, испускающего электроны, становится положительным, ток через диод не идет. Итак, вакуумный диод обладает односторонней проводимостью, что позволяет использовать его как выпрямитель.

катод

анод

сетка

сетка

В трехэлектродных вакуумных лампах (триодах) содержится еще один электрод (сетка, управляющий электрод). Измерение разности потенциалов между сеткой и катодом приводит к изменению тока через лампу. Подавая «на вход» лампы (катод – сетка) слабый переменный электрический сигнал, получают «на выходе» (катод – анод) усиленный сигнал такой же формы, как у входного сигнала.

Вакуумный триод благодаря наличию сетки может использоваться в роли усилителя.

Ток в полупроводниках

Полупроводники ( и др.) – вещества, по проводимости находящиеся между проводниками и диэлектриками. В отличие от проводников (металлов), сопротивление полупроводников резко возрастает при понижении температуры.

Чистые (беспримесные) полупроводники обладают не только электронной (как металлы), но и дырочной проводимостью. Проводимости обоих типов слабые. Введение в полупроводниковый кристалл специальных примесей резко усиливает проводимость того или иного типа. Кристалл с усиленной электронной проводимостью - - кристалл, а с усиленной дырочной проводимостью - - кристалл.

Полупроводниковый диод

а) − + б) − +

изображения полупроводниковых диодов

Если часть кристалла имеет - проводимость, а часть - -проводимость, то это уже - -кристалл. Граница контакта зон с различной проводимостью - - - переход. Он обладает односторонней проводимостью.

объединение носителями обогащение носителями

заряда заряда

+ − − +

а) б)

- - - - - - - - - - - - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + +

Схеме (а) подключения

-кристалла к источнику тока соответствует очень слабый ток через кристалл, а схеме (б) - сильный. Иначе говоря, схеме (б) соответствует включение двойного кристалла в пропускном направлении, а схеме (а) – в запирающем.

Слабый (но отличный от нуля) обратный ток создается движением неосновных для каждого из кристаллов носителей заряда (электронов в -кристалле и дырок в -кристалле).

прямой ток

обратный ток

Транзистор

Так называется устройство из трех полупроводниковых кристаллов с примесной проводимостью. В транзисторах различного типа чередование кристаллов различно: или .

Транзисторы в основном используются для генерирования и усиления радиосигналов. Транзистор () по принципу действия подобен вакуумному триоду. Транзисторы () также используются во многих схемах, но объяснение принципа их действия сложнее (приходится говорить об эмиссии дырок, а не электронов).

Достоинства полупроводниковых диода и триода: малые размеры, большие механическая прочность и долговечность, невысокое рабочее напряжение. Недостаток – резкая зависимость электрических характеристик от температуры окружающей среды.

эмиттер база коллектор

- - + -

+ -

- +

- - -

+ -

- -

+ - +

+ -

- + + -

катод сетка анод

1) транзистор 2) триод

Левый - кристалл по своей роли похож на катод вакуумного триода и называется эмиттером; правый - кристалл подобен аноду и называется коллектором; - кристалл подобен сетке и называется базой. Меняя разность потенциалов между эмиттером и базой (подавая на них изменяющееся ), можно управлять коллекторным током.

а) б)

э к э к

б б

Обозначения

а) - транзистора

б) - транзистора

МАГНЕТИЗМ

Раздел физики, изучающий взаимодействие движущихся электрических зарядов и явления, обусловленные магнитным полем таких зарядов (раздел «Магнетизм», как и раздел «Электрический ток», можно называть «Электродинамика»).

Магнитное поле. Экспериментальные факты

«Подпрыгивание» гвоздей к магниту (напоминающее «подпрыгивание» кусочков бумаги к наэлектризованному телу), т.е. дальнодействие магнитных сил, - основание для введения понятия магнитного поля как вида материи, служащей посредником в магнитном взаимодействии.

Представление о конфигурации магнитного поля получили с помощью железных опилок, выявивших картину линий магнитного поля.

Установлено:

а) эти линии замкнуты;

б) между разноименными полюсами магнита эти линии практически параллельны (т.е. поле почти однородно).

Направление линий поля связали с направлением северного полюса магнитной стрелки, внесенной в поле (рис. а).

а)

б)

При помощи маленького заряженного тела (пробного заряда, рис. а, б) установлено:

а) если , то и (а);

б) если , то и (б).

Чем больше , тем больше . Пусть вектор перпендикулярен линиям магнитного поля.

Тогда . Итак, .

Индукция магнитного поля. Сила Лоренца

Чем более сильный магнит используется в опытах, тем сильнее действует его поле на один и тот же . Коэффициент пропорциональности, учитывающий силовые качества данного поля, назвали индукцией В магнитного поля. Тогда:

, или

(последний вариант формулы удобен для записи ).

Эту силу, действующую на движущийся в магнитном поле заряд, часто называют силой Лоренца .

Индукция магнитного поля численно равна силе, действующей в магнитном поле на единичный заряд, влетевший с единичной скоростью в магнитное поле перпендикулярно линиям магнитного поля (линиям индукции):

;

Если вектор не перпендикулярен вектору , то

, где - угол между и .

Индукция магнитного поля - вектор, направление которого связывают с направлением полюса магнитной стрелки.

Магнетизм токов в проводниках различной формы

Как в случае постоянных магнитов, так и в случае проводников с током, вблизи них обнаруживается магнитное поле. Результирующее поле магнита создается множеством микромагнитов (атомарных микротоков), а поле проводника или катушки с током – множеством движущихся в них электронов.

а)

Линии вектора индукции поля прямолинейного проводника с током (а) – концентрические окружности, охватывающие проводник (здесь линии выявлены железными опилками).

б)

в) N

Линии вектора поля, созданного током в одиночном круговом проводнике (б) и в их совокупности (в) (катушке или соленоиде), перпендикулярны плоскости витков, проходят внутри них и замыкаются снаружи.

Сила ампера

Поместим проводник с током во внешнее магнитное поле. На каждый из электронов, создающих ток, будет действовать сила Лоренца. Она очень мала, но таких электронов в проводнике множество, и движутся они в одном направлении. Поэтому результирующая всех сил Лоренца (сила Ампера) оказывается способной перемещать весь проводник. Получим формулу для вычисления силы Ампера:

Итак:

Отсюда – еще одна формула индукции:

Направление силы Ампера (и силы Лоренца) удобно определять, пользуясь «правилом левой руки».

Закон взаимодействия прямолинейных

проводников с током (закон Ампера)

Пусть по дум «бесконечно длинным» (таким, длина которых значительно больше диаметра) параллельным проводникам текут токи и ; проводники - в воздухе. Каждый из проводников оказывается в магнитном поле второго проводника.

Так, магнитное поле тока действует на участок длиной проводника с током силой Ампера (в этом случае ).

Учитывая, что модуль вектора прямо пропорционален току и обратно пропорционален длине окружности линии индукции, запишем:

Здесь - магнитная постоянная, равная ,

т.е. или .

Подставим выражение в формулу силы взаимодействия проводников (учитывая, что ):

- закон Ампера.

Формулировка единицы силы тока

Пусть .

Тогда 1 ампер – это сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум прямолинейным, бесконечно длинным и таким тонким проводникам, сечением которых можно пренебречь, расположенным в вакууме (или воздухе) параллельно на расстоянии 1м друг от друга, вызывает между ними силы взаимодействия, каждая из которых численно равна на каждый метр длины проводников.

Рамка с током в магнитном поле

На стороны АВ и DC магнитное поле будет действовать силами Ампера, силами и , образующими пару сил. Момент этой пары оказывает на рамку вращающее действие. Этот момент максимален, когда плоскость рамки перпендикулярна торцевым плоскостям магнита (самое неустойчивое положение рамки), и равен нулю при параллельности этих плоскостей.

Произведение называют магнитным моментом рамки . Иногда его считают вектором, направленным вдоль нормали к плоскости рамки по правилу буравчика.

Вещества в магнитном поле

При внесении различных веществ в магнитное поле индукцией в них происходят различные процессы, приводящие к появлению собственного поля индукцией .

1) Если направление противоположно направлению , то результирующее поле в веществе немного слабее внешнего. Такое вещество – диамагнетик.

2) Если ║ , то результирующее поле в веществе лишь немного сильнее внешнего, такое вещество – парамагнетик. В обоих случаях .

3) Есть вещества, в которых (как и в случае 2) ║ , но . Такие вещества – ферромагнетики.

Величина, показывающая, во сколько раз численное значение индукции результирующего поля в веществе отличается от значения индукции внешнего поля, называется магнитной проницаемостью вещества:

Диамагнетиками (, например =0,999987) оказываются вещества, в валентных оболочках атомов которых содержится четное число электронов. При этом магнитные моменты половины этих электронов имеют одно направление, другой половины – противоположное, в результате атом не является микромагнитом. Силы Лоренца внешнего поля ускоряют половину валентных электронов атома и замедляют другую половину, превращая атом в микромагнит, направление индукции микрополя которого противоположно направлению . Результат: , где - модуль индукции собственного поля вещества.

Примеры диамагнетиков: .

Парамагнетики (, например =1,000023) - вещества, валентные оболочки атомов которых имеют нечетное число электронов, так что и в отсутствие внешнего поля каждый атом – микромагнит, но различные микромагниты ориентированы в веществе произвольно (а).