Електричне поле - взаємодія зарядів

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

За матеріалами книги "Дитяча енциклопедія"

Усі навколишні нас предмети, рослини, тварини, незважаючи на крайнє різноманітність, побудовані приблизно лише з 90 видів дрібних частинок - атомів. Це чудове єдність природи тягнеться ще далі. Всі атоми, в свою чергу, побудовані з ще більш дрібних частинок, які називаються елементарними. Число їх видів ще менше. До складу атома, в основному, входять електрони, протони і нейтрони. Елементарні частинки роблять один на одного певні дії. Існування певних сил між елементарними частинками призводить до того, що вони об'єднуються в більш-менш складні системи - атоми різних видів. І, нарешті, ці ж сили взаємодії викликають зчеплення, атомів один з одним в речовинах. Попри дивну різноманітність впливів тіл один на одного в безмежних просторах Всесвіту, на нашій планеті в будь-якому шматку речовини, в живих організмах, у тому числі і в організмі людини, в атомах і, нарешті, в атомних ядрах ми завжди зустрічаємося з проявом сил тяжіння , електричних, магнітних і ядерних. Вчення про електрику і магнетизм охоплює всю величезну сукупність явищ природи, для перебігу яких основну роль грають електромагнітні сили. Важко, майже неможливо вказати явище, не пов'язане з дією електромагнітних сил. Тому, вивчення їх має найважливіше значення. Сили всесвітнього тяжіння грають вирішальну роль тільки в тому випадку, коли у взаємодії беруть участь тіла космічних масштабів. Ці сили керують рухом зірок, підтримують стрункий порядок в нашій сонячній системі. Вони ж викликають тяжіння всіх тіл на Землі до її центру. При взаємодії елементарних частинок, атомів, молекул, невеликих мас речовини сили тяжіння зовсім незначні, ними цілком можна знехтувати. Ядерні сили забезпечують стійкість атомного ядра. За допомогою цих сил протони і нейтрони об'єднуються в атомні ядра. З відстанню ядерні сили дуже швидко убувають. Поза атомного ядра вони практично не позначаються. Електромагнітним силам в природі належить надзвичайно широка «арена діяльності». Ними визначається будова атома: електрони, що обертаються навколо атомного ядра, утримуються близько нього завдяки дії електричних сил. Електромагнітні сили діють і між окремими атомами й молекулами. Сили, що викликають об'єднання атомів у молекули, - хімічні сили - також мають електромагнітну природу. Таке ж походження сил зчеплення між атомами і молекулами, що призводять до утворення різних речовин. Правда, в цих випадках сили взаємодії теж досить швидко зменшуються з відстанню. На відстанях, що перевищують розміри атома в десять разів, вони вже майже не позначаються. У атомному ядрі між протонами (позитивно зарядженими частинками) діють потужні сили електричного відштовхування. Саме вони повідомляють часткам великі швидкості при руйнуванні ядер в реакторах атомної електростанції і при вибуху атомної бомби. Нарешті, до електромагнітних явищ належать світло, теплове випромінювання і радіохвилі. У повсякденному житті і в техніці ми на кожному кроці зустрічаємося з різними проявами електромагнітних сил. Дійсно, з якими силами ми маємо справу? У першу чергу це сили пружності. Завдяки силам пружності тверді тіла зберігають свою форму, а рідкі - свій обсяг. Ці ж сили перешкоджають зменшенню обсягу газу. Далі, сили тертя і в'язкості, які гальмують рух тіл, рідин і газів. Нарешті, сила наших м'язів. Всі ці сили, незважаючи на весь свій відмінність, мають загальну електромагнітну природу. Загальновідомо і найширше застосування електромагнітних явищ в техніці: електричне освітлення, зв'язок, електродвигуни, найскладніші радіотехнічні пристрої, швидкодіючі обчислювальні машини і т. д. Наше століття - це століття електрики. Чому електромагнітні сили так широко поширені? Чому вони такі різноманітні? Перш за все справа в тому, що всі атоми в основному побудовані з електрично заряджених частинок: електронів і протонів. З іншого боку, ці сили набагато значніше сил тяжіння і діють на набагато більших відстанях, ніж ядерні. Наприклад, в атомі водню електрична сила взаємодії між електроном і ядром в 1042 разів більше сили тяжіння між ними. Різноманітність проявів електромагнітних сил визначається фактом існування електричних зарядів двох типів: позитивних і негативних. Негативний заряд несуть на собі в основному легкі елементарні частинки - електрони, а позитивний - в 1836 разів важчі протони. Величина електромагнітних сил залежить не тільки від відстані між зарядами, як у сил тяжіння, а й від стану їх руху, зокрема від швидкості. У цьому полягає ще одна важлива причина різноманітності в прояві цих сил. Всі електромагнітні явища можна пояснити дією порівняно небагатьох загальних законів. Тепер наша розповідь піде про найголовніше. Що являють собою основні закони електромагнітних явищ? Як вдалося їх відкрити? Як з їхньою допомогою вчені пояснюють різні явища природи? Як використовують їх для практичних цілей? Сотні томів присвячені дослідженню електромагнітних явищ, і ще сотні будуть написані. Тому не дивно, що багато чого в нашому короткому оповіданні залишиться незачепленим.

Народження науки

Ми не знаємо, коли люди вперше виявили, що тіла можуть бути приведені в особливий стан - наелектризовані. Сталося це дуже давно. Вперше в VI ст. до н. е.. описав цей факт грецький філософ Фалес Мілетський. За словами вченого, ткалі помітили здатність бурштину, потертого об вовну, притягувати до себе легкі предмети, не стикаючись з ними. Виявляється, подібним властивістю володіє не тільки бурштин. Якщо провести кілька разів гребінкою по сухих волоссю, то вона почне притягувати дрібні шматочки паперу. Тіла, наведені в такий стан, називають наелектризованими. У цих найпростіших дослідах люди вперше зіткнулися з явним проявом електричних сил. Але пройшло більше двох тисячоліть, перш ніж почалося систематичне дослідження електрики і був відкритий закон взаємодії наелектризованих тел. Дивна поведінка бурштину та деяких інших предметів здавалося цікавим курйозом. Ніщо не говорило про те, що тут у простій формі виступають закони, що керують плином більшості явищ на Землі. Зараз ми добре знаємо, що відбувається при електризації тіла. Найбільш рухливі заряджені частки - електрони - при терті переходять з одного тіла на інше. Тіло, що одержує надлишок електронів, заряджається негативно, а втратило електрони - позитивно. Закон взаємодії заряджених тіл, що спочивають відносно один одного, був встановлений Кулоном в кінці XVIII ст. Очевидно, що не можна дати загальний закон взаємодії для заряджених тіл довільних розмірів і форми, так як сила взаємодії залежить від форми і взаємного розташування тіл. Розміри ж тіл і їх взаємне розташування можуть бути нескінченно різноманітними. Проте досвід показує, що якщо розміри заряджених тіл багато менше відстані між ними, то сила взаємодії не буде залежати від форми і розміру заряджених тіл. Саме для цього випадку і було встановлено закон, що має загальне значення. Для дослідження взаємодії зарядів Кулоном був сконструйований спеціальний прилад - крутильні ваги.

За допомогою цього приладу можна дослідити взаємодію маленьких заряджених кульок А і. В. Шарик У закріплений нерухомо, а кулька А за допомогою коромисла До підвішений на довгій пружною нитки Н. Закручуючи цю нитку обертанням головки приладу, можна зменшувати відстань між кульками, а за кутом закручування нитки судити про величину сили взаємодії кульок. У результаті цих дослідів Кулон знайшов, що сила електричного взаємодії убуває назад пропорційно квадрату відстані, тобто зменшується, скажімо, в чотири рази при збільшенні відстані вдвічі. Крім того, ця сила залежить від величини зарядів кульок. Це можна встановити так. Торкнемося кульки В (або А) іншим, незарядженим кулькою тих же розмірів. Тоді заряди розподіляться порівну і, отже, заряд кульки У зменшиться вдвічі. Досвід показує, що і сила взаємодії зменшується вдвічі. Повторюючи подібний прийом, можна переконатися, що сила пропорційна добутку зарядів.

Електричне поле

Як же здійснюється взаємодія двох зарядів? Спочатку вважали, що заряди безпосередньо через порожнечу діють один на одного. Кожен заряд на відстані «відчуває» присутність іншого. Це була так звана «теорія дальнодії». Якщо перемістити заряд В, то сила, що діє на заряд А, зміниться, хоча ніяких змін із зарядом А і навколишнім його простором не відбулося. Таке уявлення явно незадовільно. Зміна сили з точки зору «теорії дальнодії», можна сприймати лише як «чудо». Щоправда, «диво», що підкоряється певному кількісному законом. Найбільшою заслугою англійського фізика Майкла Фарадея - основоположника сучасних уявлень про електромагнетизм-було те, що він ввів абсолютно нове поняття - поняття електричного поля. Згідно з його ідеєю, заряди не діють один на одного безпосередньо. Кожен з них створює в навколишньому просторі електричне поле. Величина електричного поля зменшується в міру віддалення від заряду. На заряд А діє не сам заряд В, а створене ним поле.

Тепер не дивно, що переміщення заряду В в нове положення змінює силу, що діє на заряду. Адже при цьому змінюється поле заряду У в тій точці, де розташований заряд А. Дія заряду передається в просторі від точки до точки за допомогою електричного поля. У цьому полягає «теорія блізкодействія». З її появою «теорія дальнодії» була залишена.

Що ж таке електричне поле? Його існування в просторі настільки ж вірогідно, як і існування самих зарядів. Електричне поле являє собою особливе, специфічне стан матерії. Ми не можемо роз'яснити, що таке поле, не розповівши, з чого воно складається: нічого простішого, ніж електричне поле, ми не знаємо, подібно до того як ми не знаємо нічого простішого, ніж елементарні частинки. Наше уявлення про те, що таке електричне поле, утворюється в результаті досвідченого дослідження властивостей поля. Основна його властивість полягає в здатності діяти на електричний заряд з певною силою. За величиною цієї сили можна судити про величину поля. Поміщаючи один і той же електричний заряд в різні ділянки електричного поля, ми помічаємо, що сила, діюча на нього, буде змінюватися. Отже, величина поля в різних точках простору буде різною. Прийнято характеризувати величину поля силою діє на позитивний заряд, рівний одиниці. Ця характеристика поля називається напруженістю електричного поля. Розподіл електричного поля в просторі можна вважати відомим, якщо ми знаємо напруженість поля в кожній точці. У вченні про електрику поняття поля відіграє основну роль. Після введення уявлення про стать центр ваги в дослідженні електромагнітних процесів зосереджується вже не на вивченні самих зарядів, а на вивченні властивостей простору між ними, заповненого електричним полем. У кожній точці простору поле діє на позитивний заряд з деякою силою, яка має певний напрямок. Цей напрямок приймається за напрямок поля. Силовий лінією називається лінія, дотична до якої в кожній точці вказує напрямок поля.

Електричне поле безпосередньо не діє на наші органи почуттів. З цим, до речі, пов'язані деякі труднощі при введенні уявлень про поле: адже нелегко переконатися в реальності того, що ми безпосередньо не відчуваємо. Однак з допомогою не дуже складного досвіду ми можемо зробити силові лінії «видимими». Справа в тому, що тверді довгасті частки гіпсу або іншого не проводить електрику речовини повертаються вздовж поля, розташовуючись якраз по силових лініях. Для повного успіху досвіду потрібно розташовувати електричної машиною, здатної повідомити тіл досить великий заряд. Щоб сили тертя не заважали часткам повертатися уздовж поля, їх потрібно помістити в рідкий ізолятор, наприклад в касторову олію ... Тіла між якими вивчається іоле, розташовані у ванні з прозорим дном. Виникаюча в ванночці картина розподілу силових ліній проектується на екран за допомогою об'єктива, двох дзеркал і конденсатора.

Цікаво, що електрично нейтральна в цілому система з двох зарядів протилежних знаків створює в навколишньому просторі електричне поле. Правда, в цьому випадку поле в основному зосереджено між зарядами. Поза простором між зарядами електричні сили позначаються слабо. Якщо при цьому геометричні розміри зарядів значно менше відстані між ними, то така система називається електричним диполем. Постійне електричне поле володіє однією важливою властивістю, що дозволяє ввести ще одну величину, яка характеризує поле поряд з напруженістю. Робота, яку здійснюють сили електричного поля при переміщенні заряду з однієї точки простору в іншу, не залежить від форми обраного шляху.

Такі поля називаються потенційними. Потенційним є поле тяжіння Землі. Робота, яку треба зробити, щоб підняти тіло над Землею, не залежить від форми шляху підйому, а визначається тільки початковим і кінцевим положенням тіла над Землею - висотою підйому. Отже, в електричному полі робота при переміщенні даного заряду цілком визначається характером поля і положенням у просторі початкової і кінцевої точок шляху. У свою чергу електричне поле цілком визначено, якщо відома робота по переміщенню одиничного позитивного заряду між двома будь-якими точками в просторі, зайнятому полем. Ця робота називається різницею потенціалів або напругою (не плутати з напруженістю!). Отже, електричне поле можна характеризувати двома величинами: або завданням напруженості в кожній точці простору, або роботою з переміщення одиничного заряду між двома будь-якими точками-різницею потенціалів. Напруженість - функція однієї точки простору; нова величина - різниця потенціалів - функція двох точок. Обидві величини однозначно пов'язані один з одним так само, як робота і сила в механіці. Виникає природне запитання: навіщо вводити дві характеристики поля, а не задовольнятися однією напруженістю? Тим більше, що характеристика поля за допомогою завдання сили в кожній точці набагато ясніше і наочніше. Вся справа в тому, що багато електричні явища, а головним чином величина електричного струму в ланцюзі, залежать не від напруженості поля в будь-якій одній точці, а саме від різниці потенціалів між двома точками, наприклад на кінцях провідника в разі струму. При падінні тіла з деякої висоти для оцінки результатів падіння важливо знати не силу, що діє на тіло в будь-якій точці, а роботу, зроблену силою тяжіння на шляху падіння. Точно так само для визначення ефекту, який може викликати електричне поле, частіше за все потрібно знати роботу, яку воно може зробити при переміщенні заряду, а не силу, діючу на нього в деякій точці поля. Щоправда, знаючи величину поля в кожній точці простору, ми завжди можемо обчислити роботу з переміщення заряду, але знання різниці потенціалів означає, що ця робота відома. Ось чому поняття різниці потенціалів (або напруги) міцно увійшло не тільки в науку і техніку, а й у повсякденну життя. Кожен з вас знає, що напруга в мережі міського струму є головною її характеристикою. Це напруга визначає поточний по електричній лампочці або по обмотці трансформатора телевізора струм і, отже, то кількість енергії, що надходить з мережі.

Речовини в електричному полі

В електричному відношенні всі тіла діляться на провідники й ізолятори (діелектрики). Ті й інші в звичайному стані електрично нейтральні. Заряд, повідомлений ізолятора, не переміщається по ньому, залишаючись в тому місці, куди він спочатку поміщений. У провіднику ж заряди можуть вільно переміщатися під впливом електричного поля. (Останнім часом велике значення придбали так звані напівпровідники, але тут ми про них говорити не будемо: їм присвячена спеціальна стаття.). Така відмінність в поведінці викликано особливостями будови провідників і діелектриків. Діелектрики складаються з окремих нейтральних атомів або молекул. Провідники (до них відносяться всі метали) побудовані інакше. Атоми металу, утворюючи кристалічну решітку, втрачають «зовнішні», більш віддалені від ядра і, отже, слабо з ним пов'язані електрони. Ці електрони перестають належати певним атомам і стають «власністю» всього шматка металу в цілому. Такі електрони називають «вільними», так як вони можуть переміщатися всередині металу. Атоми, позбавлені частини електронів і складові кістяк кристалічної решітки, називаються іонами. Розглянемо, наприклад, метал літій. Атом літію має позитивно заряджене ядро, навколо якого здійснюють складні руху три електрони. Коли літій знаходиться в твердому стані, то два електрона кожного атома продовжують звертатися навколо ядра, а третій електрон може, відірвавшись від атома, переміщатися всередині металу. Наявність вільних електронів і визначає всі особливості металів: здатність добре проводити електричний струм, велику теплопровідність і т. д. Простий досвід дозволяє з'ясувати, як при відсутності електричного струму розподіляється по провіднику повідомлений йому заряд. Для цього досить прикріпити до зарядженої дротяної сітки, згорнутої у вигляді циліндра, тонкі смужки станіолю. Листочки, розташовані на внутрішній поверхні сітки, залишаться нерухомими, а прикріплені до зовнішньої поверхні - відштовхнутися від неї.

Отже, електричний заряд є лише на зовнішній поверхні сітки і заряджає тільки зовнішні листочки. Це і викликає їх відхилення на деякий кут. На внутрішній поверхні сітки, очевидно, зарядів немає. Цей факт є абсолютно загальним. Електричний заряд розташовується на зовнішній поверхні провідника. Отримати заряд на внутрішній поверхні провідника при відсутності струмів в ньому не можна. Причину цього зрозуміти неважко. Однойменні заряди, відштовхуючись і прагнучи якомога далі піти один від одного, розташовуються на зовнішній поверхні провідника. Це правило справедливо незалежно від того, яка причина викликає поява заряду. Якщо помістити металеве тіло в постійне (не змінюється з часом) електричне поле, на його поверхні виникають так звані індукційні заряди, але всередині провідника заряд, як і раніше залишається рівним нулю. При цьому і саме електричне поле не проникає всередину провідника. Тільки в перший момент, при внесенні провідника в поле, воно проникає всередину металу і викликає переміщення електронів назустріч полю. Ліва частина тіла заряджається при цьому негативно, а права - позитивно.

Заряди будуть переміщатися до тих пір, поки не встановиться рівновага. Тоді струм припиниться. Відбувається це вкрай швидко. Якщо руху зарядів у провіднику немає, то, значить, в ньому немає і електричного поля, інакше вільні електрони прийшли б у рух. Одночасно можна помітити, що силові лінії електричного поля, обриваючись на поверхні металу, завжди перпендикулярні до неї. Поле уздовж поверхні дорівнює нулю, так як струми на поверхні також відсутні. Непроникність металів для постійного електричного поля широко використовується для пристрою так званої електростатичного захисту. Щоб захистити чутливі електричні прилади від впливу зовнішніх випадкових електричних полів, їх поміщають в металеві ящики. Якщо провідник має форму кулі, то заряди на ньому розташовуються рівномірно по всій поверхні. Якщо ж він має гострі виступаючі частини, то заряди нагромаджується переважно на вістрях. Виникаюча при цьому велика напруженість поля здатна викликати ряд цікавих явищ. Провідник починає розряджатися. Заряди «стікають» з вістря, викликаючи помітне переміщення повітря - «електричний вітер». Цей вітер може погасити полум'я свічки на відстані кількох сантиметрів від вістря.

Явище «плачі» електрики використовується в громовідводи - заземлених металевих стержнях, високо піднятих над існуючими будівлями. Тільки при дуже сильні грози блискавка вдаряє в громовідвід, але при цьому електричний заряд не приносить шкоди - йде в землю. Подивимося тепер, як впливає на взаємодію заряджених тіл діелектрик. Для цього спочатку за допомогою крутильних терезів виміряємо силу взаємодії між різнойменно зарядженими кульками А і В, Потім заповнимо скляну посудину ваг будь-яким рідким діелектриком, наприклад гасом. Ніяких помітних на око змін з діелектриком не відбудеться. Однак існує між кульками електричне поле робить у ньому роботу. Про неї можна судити за результатами. Відстань між кульками збільшиться, що говорить про зменшення сили тяжіння. Вимірювання покаже, що в гасі сила взаємодії кульок в два рази менше, ніж у повітрі. Чому це відбувається? Поле проникає всередину електрично нейтральних молекул гасу. Позитивні заряди молекул зміщуються вздовж поля, а негативні - проти поля. Так як ці заряди пов'язані один з одним значними силами, то молекули не розриваються, вони лише розтягуються уздовж силових ліній, перетворюючись на системи, які можна розглядати як електричні диполі.

Подивіться, як безперервні ланцюжки диполів витягуються між зарядами! Діелектрик, яка перебуває в такому стані, називається поляризованим. Особливо істотно, що негативно заряджені кінці диполів суцільним покривом охоплюють позитивний заряд, а позитивні кінці диполів - негативний. Позитивні і негативні кінці диполів в гасі стикаються один з одним, і їх електричне дію нейтралізується. Але на поверхні кульок такої компенсації не відбувається. Легко уявити, до чого це призводить. Тепер поле створюють не тільки самі кульки, але і «зв'язані» заряди решт диполів. Поле в діелектрику, створене одним з кульок, наприклад А, слабшає, тому що заряд кульки А і «пов'язаний» заряд на його поверхні мають різні знаки і створюють поля протилежного напрямку. Ясно, що зменшується і сила, діюча на інший кулька (В). Число, що показує, у скільки разів зменшується в даному діелектрику поле, створене зарядом, називається діелектричною проникністю даної речовини. Діелектрична проникність характеризує електричні властивості діелектрика. Різні діелектрики мають різні значення діелектричної проникності. Так, діелектрична проникність повітря близька до одиниці (1,00059), а води - приблизно в 80 разів більше. У деяких діелектриків, як наприклад сегнетова сіль, діелектрична проникність дуже велика, близько 10 000. Подібні речовини називають сегнетоелектриками. Вони знаходять важливе застосування при виготовленні високоефективних електричних конденсаторів. Відзначимо ще, що у ряду діелектриків, наприклад у води, молекули і за відсутності електричного поля являють собою диполі. Поляризація таких діелектриків полягає в простому повороті всіх диполів вздовж електричного поля.

При приміщенні в електричне поле поляризація діелектрика зазвичай не супроводжується зміною його розмірів. Однак у деяких кристалічних речовин справа йде інакше. У сегнетової солі, кварцу та ін поляризація супроводжується механічними деформаціями: стисненням або розтягуванням. І навпаки, якщо піддавати ці тіла деформацій, то вони поляризуються і на їх поверхні виступають «пов'язані» електричні заряди. Це явище називається п'єзоелектричним ефектом. П'єзоелектричний ефект знаходить широке практичне застосування. Деформація кварцу в змінному електричному полі використовується для отримання ультразвука. Поляризація діелектрика під дією деформації використовується для перетворення механічних впливів в електричні. На цьому принципі влаштований п'єзоелектричний звукознімач електричного програвача. Коливання голки при русі по звуковій доріжці деформують маленький кристал і викликають, його поляризацію. Пов'язані заряди, що виступають на поверхні кристала, створюють змінні електричні поля, що збуджують слабкі електричні струми в підходящих до кристалу провідниках звукознімача. Ці струми посилюються і подаються в репродуктор. На цьому ж принципі засновані точні методи вимірювання тисків.

Електричний струм у металах

Електричним струмом називається рух будь-яких електричних зарядів. Переміщення зарядів в будь-якому речовині завжди зустрічає опір і вимагає здійснення роботи. Тому для одержання електричного струму в замкнутому ланцюзі необхідний перш за все джерело, за рахунок енергії якого відбувалася б робота з переміщення зарядів. Таким джерелом, наприклад, може служити гальванічний елемент, акумулятор, генератор електричного струму. Судити про проходження електричних зарядів можна лише по тих явищ, які супроводжують електричний струм. Так, при пропусканні електричного струму по дроті вона загострюється. При проходженні струму через розчини на електродах відбувається виділення речовини. Нарешті, що надзвичайно істотно, при проходженні електричного струму по провіднику навколо нього завжди виникає магнітне поле, яке можна виявити за відхиленням магнітної стрілки, розташованої біля провідника. Приступаючи до вивчення електричного струму в металах, задамося насамперед питанням, по якому фізичному ознакою можна відрізнити метал від неметалла. Такою ознакою може служити залежність електричного опору речовини від температури. Поставимо досвід. Включимо в електричний ланцюг дротове опір і будемо вимірювати струм в ланцюзі. Зауважимо, що при нагріванні дроту величина струму в ланцюзі зменшується, а при охолодженні - збільшується. На підставі цього досвіду можна зробити висновок, що опір металевого дроту зростає із збільшенням температури.

Що ж відбувається в металі при проходженні по ньому електричного струму і чому електричний опір металу зростає з підвищенням температури? Тепловий рух у металах істотно відрізняється від теплового руху в газі. Іони, що утворюють остов кристалічної решітки, не можуть переміщатися по металу подібно вільним електронам. Вони здійснюють лише коливання близько деяких середніх положень, званих вузлами кристалічної решітки. Цей рух можна уподібнити руху кульки на пружинках.

При нагріванні металу розмах коливань іонів близько вузлів кристалічної решітки зростає. Чим вище температура, тим більше амплітуда коливань, а отже, і енергія коливального руху іонів. При підключенні металевого провідника до джерела струму, всередині провідника виникає електричне поле. При цьому на заряджені частинки буде діяти сила, що дорівнює добутку електричного заряду на напруженість електричного поля. Під дією цієї сили вільні електрони будуть переміщатися по металу. Їх рух і створює електричний струм. Яка ж роль іонів при проходженні електричного струму через метал? Електрони під дією електричного поля рухаються з прискоренням. Це означає, що швидкість вільних електронів, а отже, і їх кінетична енергія зростають. При своєму русі електрони зіштовхуються з іонами кристалічної решітки, передаючи їм при цьому частину своєї кінетичної енергії. У результаті вздовж металу встановлюється рух вільних електронів з деякою постійною середньою швидкістю - по металевому провіднику йде постійний струм. Таким чином, купується в проміжках між зіткненнями в результаті прискореного руху під дією поля кінетична енергія передається від вільних електронів іонів кристалічної решітки. Іони перешкоджають руху вільних електронів. Цим обумовлено електричний опір металів. Воно зростає при підвищенні температури внаслідок збільшення частоти зіткнень електронів з іонами решітки. Напруженість електричного поля в металі зростає із збільшенням різниці потенціалів. Зв'язок між величиною струму, різницею потенціалів і електричним опором встановлюється на досвіді та визначається законом Ома. Згідно з ним струм на ділянці провідника прямо пропорційний різниці потенціалів на кінцях ділянки та обернено пропорційний його електричному опору. Намальована вище картина руху електронів в металі при проходженні через нього електричного струму дозволяє зрозуміти сенс закону Ома. Дійсно, чим більше на кінцях даного металевого зразка (наприклад, шматки дроту) різницю потенціалів, тим більше напруженість електричного поля, тим більше буде сила, яка діє на вільні електрони, тим більше швидкість їх руху. Тому із зростанням різниці потенціалів струм зростає. Нехай тепер різниця потенціалів постійна, і ми включаємо в ланцюг однакові за розмірами шматки дроту, зроблені з різних металів. Тепер струм буде більше в тому металевому зразку, в якому взаємодія електронів з іонами слабше і іони менше перешкоджають руху електронів. Зі зменшенням опору струм збільшується. Куди ж переходить енергія, яка передається електронами іонів при їх взаємодії? Як ми вже говорили, іони не можуть вільно переміщатися уздовж металу. Передана ним енергія йде на збільшення розмаху коливань, на зростання енергії теплового руху. І справді, проходження електричного струму супроводжується нагріванням металу. Зв'язок між кількістю виділилася теплоти, величиною струму і опором виражається законом Джоуля - Ленца. Однак не завжди проходження струму через метали відбувається так, як це описано вище. Ще в 1911 р. голландський фізик Камерлінг - Оннес відкрив чудове явище, яке називають надпровідністю. Він вивчав проходження електричного струму через ртуть при низьких температурах. Виявилося, що електричний опір ртуті при температурі 4,12 ° за абсолютною шкалою температур падає до нуля.

В даний час відомі 23 чистих металу, що мають властивість надпровідності. Їм мають також дуже багато сполуки та сплави. У таблиці наведена температура переходу в надпровідний стан для деяких провідників.

Речовина Температура переходу Речовина Температура переходу
Ртуть 4,12 Тантал 4,38
Свинець 7,26 Ніобій 9,22
Алюміній 1,14 Карбід ніобію 10,1
Цинк 0,79 Нітрид ніобію 23,0

Надпровідники мають також чудовими магнітними властивостями. У 1933 р. німецький вчений Мейснер виявив, що при переході в надпровідний стан магнітне поле повністю виштовхується з обсягу надпровідника і концентрується у вузькому поверхневому шарі (близько 10-5см).

Таким чином, магнітне поле не проникає всередину речовини, що знаходиться в надпровідному стані. Магнітні силові лінії як би обтікають надпровідник, не проникаючи в нього. Понад сорок років не вдавалося дати пояснення цим чудовим явищам. У вивченні явища надпровідності велику роль зіграли роботи Лондона, Піппарда, Л. Д. Ландау, А. І. Шальнікова і багатьох інших вчених. Лише в 1957 р. була створена теорія надпровідності. Відповідно до цієї теорії, стан теплового руху в металі, що знаходиться в надпровідному стані, істотно відрізняється від стану теплового руху в звичайному (ненадпровідні) стані металу. Механізм електропровідності надпровідників інший, ніж описаний вище механізм провідності звичайних металів. Електрони в цьому випадку утворюють з хитаються іонами пов'язану систему. Основа сучасної теорії надпровідності закладена в роботах англійського фізика Г. Фреліха, американських фізиків Бардіна, Купера, Шріффером. Залежність опору металу від температури використовується в так званих термометрах опору. Температура в цьому випадку визначається за величиною опору металевого дроту. Гідність термометрів опору полягає, зокрема, в тому, що вони можуть використовуватися як при високих, так і при дуже низьких температурах. Особливі властивості надпровідників відкривають широкі можливості для різних їх застосувань.

Проходження електричного струму через гази

При звичайних умовах гази, у тому числі і повітря, не є провідниками. У цьому легко переконатися, спостерігаючи за положенням стрілки зарядженого електрометра. Якщо повітря в приміщенні, де знаходиться електрометрії, сухий, то заряд електрометра довгий час залишається незмінним. Однак повітря можна зробити провідником. Для цього його треба піддати одному з наступних дій: нагріти, наприклад, піднісши свічку чи пальник до електрометра, опромінити ультрафіолетовими або рентгенівськими променями, піддати дії радіоактивного випромінювання і т. п. При всіх цих впливах, якщо, звичайно, вони досить інтенсивні, електрометрії швидко розряджається. Це означає, що газ при цих впливах стає провідником електрики. Чому ж змінюються електричні властивості газу за наявності зазначених вище впливів? При звичайних умовах гази складаються з нейтральних атомів або молекул. Під дією високої температури і різних випромінювань з частини нейтральних атомів вириваються електрони. У результаті утворюються позитивно заряджені іони і вільні електрони. Можуть утворюватися також і негативні іони. Поява в газі заряджених частинок і робить його провідником електрики. Процес утворення іонів і електронів у газах називається іонізацією. Всі перераховані вище фактори, що викликають появу іонів, називаються іонізаторами. Якщо іонізатор перестає діяти, то заряджений електрометрії буде знову зберігати заряд, тобто газ перестає бути провідником. Відбувається це внаслідок того, що іони і електрони, перебуваючи в безперервному тепловому русі і стикаючись один з одним, знову утворюють нейтральні атоми і молекули. Цей процес називається рекомбінацією (возз'єднанням) іонів. Візьмемо наповнену розрідженим газом скляну трубку з двома металевими електродами. Включимо її в електричний ланцюг. Піднесемо будь-якої іонізатор, за рахунок якого в газі утворюється певна кількість пар іонів протилежних знаків (позитивно заряджений іон і електрон, позитивно заряджений іон і негативно заряджений іон). Якщо різниця потенціалів на електродах трубки дорівнює нулю, то встановиться динамічна рівновага, при якому число знову утворюються пар іонів буде дорівнює числу пар іонів, що зникають внаслідок рекомбінації.

Якщо до електродів прикласти невелику різницю потенціалів, то позитивно заряджені іони почнуть переміщатися до негативного електрода, а негативно заряджені - до позитивного. Внаслідок цього в трубці, наповненої газом, виникне електричний струм. Проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом. При цьому лише частина пар іонів, що утворюються за рахунок іонізатора, буде рекомбінувати в обсязі газу, а інші будуть нейтралізуватися на електродах. Збільшуючи різниця потенціалів, досягнемо того, що практично всі іони нейтралізуються у електродів. При такому значенні різниці потенціалів струм, здавалося б, повинен досягти максимального значення і при подальшому збільшенні різниці потенціалів залишатися незмінним.

Проте досвід показує, що при подальшому збільшенні різниці потенціалів, починаючи з деякого значення, званого потенціалом запалювання, струм знову зростає.

Це означає, що в газі з'являються додаткові іони понад ті, які утворюються за рахунок іонізатора. Кількість нових іонів повинно бути дуже великим, тому що струм може зростати в сотні і тисячі разів. Розряд при цьому починає світитися. Якщо тепер вимкнути іонізатор, то розряд не припиняться. Це означає, що іони тепер можуть утворюватися в газі без зовнішнього іонізатора у результаті процесів, що відбуваються в самому розряді. Газовий розряд, який вже не потребує зовнішнього іонізатора для свого підтримання, називається самостійним розрядом. Напруга, при якому виникає самостійний розряд, називається напругою запалювання. Як пояснити різке збільшення струму в розряді при потенціалах, великих потенціалу запалювання? Розглянемо будь-яку пару іонів (позитивний іон і електрон), яка утворилася за рахунок зовнішнього іонізатора. З'явився таким чином вільний електрон починає рухатися до позитивного електрода. На своєму шляху він зустрічає іони і нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями його енергія збільшується за рахунок доданої різниці потенціалів. При зіткненні з іоном або атомом електрон передає їм частину своєї енергії. Якщо різниця потенціалів досить велика, то кінетична енергія електрона стає настільки великою, що при зіткненні з нейтральним атомом він може зробити його іонізацію. Отримані таким шляхом два електрони у свою чергу будуть прискорюватися і іонізувати зустрічні атоми. Таким чином, при потенціалах, великих потенціалу запалювання, число іонів у газі починає швидко наростати і вже не за рахунок зовнішнього іонізатора, а внаслідок процесів, що відбуваються в самому розряді. Можливі інші способи утворення іонів у газі, які також приводять до розвитку самостійного розряду. Залежно від характеру самостійного розряду і способу утворення в ньому іонів розрізняють тліючий, дугового, іскровий, коронний і інші розряди. Тліючий розряд зазвичай спостерігається при тисках в кілька десятків міліметрів ртутного стовпа і більше низьких. Але в спеціальних умовах вдається отримати тліючий розряд і при більш високому тиску. У тліючому розряді позитивні іони, які утворюються електронними ударами в газі, при своєму русі до катода набувають велику енергію. При ударах таких швидких іонів про катод відбувається вибивання електронів з металу (вторинна електронна емісія). Ці два процеси (іонізація електронним ударом і вторинна електронна емісія на катоді) і є основними в тліючому розряді.

Розглянемо деякі застосування тліючого розряду. Тліючий розряд використовується в ряді приладів: випрямлячах тліючого розряду, що перетворюють змінний струм в постійний, у тліючих стабілізаторах напруги - стабіловольтах, що підтримують постійне електричне напруга. Тліючий розряд виникає при запалюванні сигнальних неонових лампочок, у лампах денного світла і в рекламних трубках. Так, у лампах денного світла тліючий розряд зазвичай відбувається в парах ртуті. Випромінювання парів ртуті, який, в основному, припадає на фіолетову і ультрафіолетову області спектру, поглинається шаром спеціальної речовини (люмінофору), нанесеного на поверхню трубки. Ці речовини підбирають так, щоб вони, поглинаючи фіолетові і ультрафіолетові промені, випромінювали світло, склад якого був би близький до сонячного. У трубках, застосовуваних для реклам, зазвичай використовується тліючий розряд у неоні (червоне свічення) і в аргоні (синювато-зелене свічення). Велике практичне значення має інша форма самостійного розряду - дугового розряд, який вперше був здійснений російським академіком В. В. Петровим у 1802 р. Дуговий розряд можна одержати, збільшуючи в тліючому розряді величину струму і зменшуючи зовнішній опір.

Найбільш просто дугового розряд виходить шляхом розсування вугільних електродів. При цьому з-за збільшення опору між електродами різко збільшується температура, повітря іонізується і починається розряд. Температура кратера дуги (поглиблення, що утворюється на позитивному електроді) при атмосферному тиску досягає 4000 ° С, а при тиску 20 атм. перевищує 7000 ° С. Щоб уявити собі, наскільки велика ця температура, можна порівняти її з температурою поверхні Сонця - фотосфери, - такою, приблизно 6000 ° С. Висока електропровідність газу в дуговому розряді забезпечується великою кількістю електронів, що вилітають з катода. Виліт великого числа електронів з катода обумовлений його високою температурою. При цьому відбувається процес термоелектронної емісії. Електрична дуга є потужним джерелом світла і використовується в прожекторах, проекційних та кіноапарата. В даний час в якості джерел світла використовуються дугові лампи, в яких дугового розряд відбувається при високому тиску. Дугового розряд використовується для зварювання та різання металів. У металургії широко використовуються електропечі, в яких джерел теплоти є електрична дуга. Дуговий розряд низького тиску з ртутним катодом у парах ртуті використовується в ртутних випрямлячах змінного струму. Відмінна риса ртутних випрямлячів - малий внутрішній опір. Ними користуються для випрямлення змінних струмів великої величини (сотні амперів). Ртутний дугового розряд застосовується в медицині як джерело ультрафіолетових променів. Великий інтерес представляє іскровий розряд. За зовнішнім виглядом іскровий розряд являє собою пучок яскравих зигзагоподібних розгалужуються від тонкого каналу смужок. Вони швидко пронизують розрядний проміжок, гаснуть, потім виникають знову. Для виникнення електричної іскри необхідно, щоб напруженість електричного поля в газі перевищувала деяке критичне значення. Для повітря при атмосферному тиску воно дорівнює приблизно 30 000 в / см; зі зростанням тиску його величина збільшується. Прикладом гігантського іскрового розряду I є блискавка. Блискавки виникають або між хмарами, або між хмарою і землею. Величина струму в блискавці сягає півмільйона ампер, а напруга між хмарою і землею - мільярди вольт. Окремі розряди блискавки дуже короткочасні, всього лише близько однієї мільйонної частки секунди. При утворенні іскрового розряду поряд з утворенням іонів при зіткненнях істотну роль грає також іонізація за рахунок випромінювання самої іскри, температура газу в каналі якої може перевищувати 100 000 ° С. Ступінь іонізації в каналі іскри близька до 100%. Відзначимо ще дуже красиве і своєрідне явище - кульову блискавку - яскраве світиться освіту, яке порівняно повільно переміщується у повітрі. Розміри кульових блискавок можуть бути різні. Найчастіше спостерігаються блискавки діаметром 10-20 см, але іноді вони досягають десятків метрів у діаметрі. Тривалість існування кульової блискавки різна: від часток секунди до декількох хвилин. Зникає вона раптово, вибухаючи і завдаючи при цьому іноді значні руйнування. Спроби розгадати природу кульової блискавки і отримати її в лабораторії поки що не увінчалися повним успіхом. Спостереження показують, що на земній кулі за добу відбувається понад сорок тисяч гроз, а середня кількість ударів блискавок в секунду близько двох тисяч. Для захисту споруд від руйнування при ударі блискавки застосовуються громовідводи.

На верхівках дерев, корабельних щогл та інших виступаючих предметів іноді з'являється світіння. В старовину воно викликало забобонний жах у мореплавців. Його називали «вогнями святого Ельма». Це світіння представляє одну з різновидів коронного розряду. Досвідченим шляхом коронний розряд отримують на електродах з тонкої дроту або з загостреними виступаючими частинами. Близько виступаючих частин напруженість поля може досягати дуже великих значень. Якщо вона перевищує критичне значення (близько 30 000 в / АІ при атмосферному тиску), то повітря поблизу електрода іонізується й відбувається розряд. Світна область розряду, зосереджена близько виступаючих частин, в деяких випадках нагадує корону. Коронний розряд може виникнути на виступаючих частинах або в проводах ліній високої напруги, що призводить до значних втрат електроенергії. Зменшують можливість виникнення коронного розряду, збільшуючи діаметр проводів.

Електричний струм у рідинах

Рідини, як і тверді тіла, можуть бути і діелектриками, і провідниками. До числа рідких діелектриків відносяться, наприклад, дистильована вода, гас, різні олії. Провідні рідини розрізняються за механізмом перенесення електричних зарядів. Так, наприклад, у ртуті і розплавлених металах (мідь, срібло і т. д.) перенесення зарядів здійснюється, як і в твердих металах, вільними електронами. Однак існує дуже велике число рідин із зовсім іншим механізмом електропровідності. До числа таких рідин відносяться розчини солей, кислот, лугів, розплавлені солі - це так звані електроліти. У чому ж їх особливості і яким чином відбувається в них перенесення електричного заряду? Візьмемо розчин кухонної солі NaCl у воді Частина молекул в ньому розпадається на позитивно і негативно заряджені іони Na ​​+, Cl-. Таке розкладання молекул в розчині на іони називається електролітичної дисоціацією. Ступінь дисоціації, тобто частка молекул розчиненої речовини, які розпадаються на іони, залежить від температури, концентрації розчину і природи розчинника. Іони різних знаків, зустрічаючись, можуть знову возз'єднуватися в нейтральні молекули. При заданих умовах в розчині встановлюється динамічна рівновага, при якому число молекул, що розпадаються на іони в одиницю часу, дорівнює кількості пар іонів, які в одиницю часу знову возз'єднуються в нейтральні молекули. Якщо включити посудину з електролітом у електричну ланцюг, то негативні іони прийдуть у рух у напрямку до позитивного електрода, а позитивні - до негативного. З'явиться електричний струм. При цьому відбудеться електроліз - виділення на електродах речовин, що входять до складу електроліту.

Електроліз широко застосовується в техніці. Для того щоб покрити, наприклад, деталі велосипеда тонким шаром нікелю або хрому для запобігання від іржавіння, їх поміщають у розчин солей цих металів як катода. Анод роблять з металу, яким хочуть покрити деталь. Якщо пропускати струм через розчин, то металевий анод буде розчинятися, а на катоді буде виділятися метал у вигляді тонкої плівки. Такий спосіб покриття називається гальваностегія. Електролізом користуються також для одержання металевих відбитків з рельєфних предметів (медалей, монет, барельєфів і т. д.). Для цього спочатку отримують на дошці або стеарин відбиток предмета. Потім, щоб зробити відбиток електропровідним його покривають графітом. Після цього його поміщають у розчин в якості катода і осаджують на ньому той чи інший метал. Таким чином отримують металеву копію предмету. За допомогою електролізу одержують алюміній. Електролізом користуються для отримання чистих металів (рафінування міді).

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
87.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Високочастотна електротерапія електричне поле ультрависокої частоти міліметрова терапія
Взаємодія зарядів основа світобудови
Електростатична взаємодія точкових зарядів
Електричне обладнання ЕПС
Електричне обладнання локомотивів
Електричне освітлення сільськогосподарських обєктів
Єдина природа зарядів полів і сил взаємодій
Футбольне поле
Електромагнітне поле
© Усі права захищені
написати до нас