Зміст
Вступ
1. Електричний струм
2. Класифікація твердих тіл
. Природа струму в металах
. Залежність опору метала від температури
. Використання електричного струму
Висновок
Список використаних джерел
Додатки
Вступ
З початком відкриття електрона вченими Йоффе і Мілікена в житті людства настала нова ера. Пізніше були виведені закони постійного струму, розпочалося будівництво електростанцій. На основі дії електричного струму людство почало застосовувати нові технології і прилади, що змінили життя мільйонам, відбулась індустріальна революція, погляди на життя змінилися. Тепер не можливо уявити собі світ без напрямленого руху електронів. Напрямлений рух електронів зумовлюється силами стаціонарного електричного поля, наявність якого є однією з необхідних умов існування струму.
Електричним струмом називається упорядкований рух заряджених
частинок під дією електричного поля. До заряджених частинок відносяться електрони, іони, протони. Оскільки протони знаходяться в ядрі атома, то вони ніякої ролі не можуть мати в процесі передачі електричного струму. З технічної точки зору електричний струм передається по металевих провідниках , у яких основними носіями є електрони. Існування найдрібніших частинок , що мають найменший електричний заряд доведено багатьма дослідами. Електричний заряд одна з основних властивостей електрона.
1. Електричний струм
Електрони - складова частина кожного атома кожної речовини, але до складу атома входять ще й позитивні заряди, що зрівноважують заряд електронів. Струмом називають упорядкований рух заряджених частинок - електронів у металевих провідниках, іонів у розчинах солей, лугів. Особливо в металах, тому що якщо в рідинах і газах рух зарядів можна спостерігати за різними світловими ефектами, то рух у металевих проводах залишається повністю прихованим і можемо спостерігати лише теплову або магнітну дію “електричного струму”.
Як же було доведено наявність руху електронів у металевих проводах? Ідея проведення перших якісних дослідів , які безсумнівно довели, що струм у проводах - це рух електронів, належать академікам Л.І.Мандельштаму, і М.О.Паплексі (1912) .
Ця ідея надзвичайно проста. Потрібно було тільки довести, що деякі з електронів не зв’язані міцно з ядром атом, а вільно рухається в просторі між атомами. Вільні не зв’язані міцно з атомом електрони відповідно до закону інерції зміщуються в напрямі руху дротини. Тому на передньому кінці виникає надлишок електронів, а на протилежному - нестача. Надлишок електронів створює на передньому кінці дротини негативний заряд, нестача - позитивний. У тому, що виникають ці два полюси можна переконатись, виявляючи чутливим приладом струм. У дослідах Мандельштаму і Папалексі використовуючи не прямий провідник , а котушку з дуже довгого і тонкого ізольованого дроту, яка здійснювала крутильні коливання навколо своєї осі. Струм, який виникав під час зміни напряму повертання котушки, йшов то в одному, то в протилежному напрямі, залежно від того, який бік поверталася котушка.
У 1916 р. дослід у трохи зміненому варіанті повторили Толмен і Стюарт, які виявили струм чутливим гальванометром. За відхилення стрілки гальванометра можна було визначити, що струм утворювався рухом негативних зарядів.
У кристалі металу вільні електрони рухаються між вузлами решітки безладно, подібно до того, як рухається молекули газу. Хоч молекули мають велику швидкість, вони не проносяться, як кулі, від однієї стінки до іншої. У результаті взаємодії із сусідами вони виписують складні траєкторії. Так само й електрони описують подібні складні траєкторії у результаті “зіткнень” з вузлами решітки і між собою. Зрозуміло, не треба спрощено уявляти собі “зіткнення “ електронів. У дійсності взаємодія полів окремих електронів та іонів змінює напрям і модуль їхніх швидкостей. Під час” зіткнень” електрони розлітаються зовсім не від справжнього їх доторкання. Внаслідок безладного руху вільних електронів у металі і величезної кількості електронів в одиниці об’єму в одному якому-небудь напрямі рухається стільки ж електронів, скільки їх рухається в протилежному напрямі.
Тому, коли немає зовнішнього електричного поля, сумарний заряд, що переноситься в будь-якому напрямі, дорівнює нулю, тобто струму немає. А те, що сума всіх негативних зарядів електронів дорівнює сумі всіх позитивних зарядів іоні, пояснює, чому загальний заряд металу також дорівнює нулю.
Якщо до кінців дроту прикласти електричну напругу, приєднавши їх, наприклад, до полюсів акумулятора, то в провіднику встановиться електричне поле. Воно діятиме на електричні заряди й спричинюватиме їх додатковий рух. В електронному газі виникає “електричний вітер” у напрямі до позитивного полюса, але при цьому електрони збережуть і безладний рух. Внаслідок зіткнень, точніше, впливу атомних полів, середня швидкість “дрейфу“ електронів у провіднику залишається сталою.
Швидкість руху окремих електронів протягом їх вільного пробігу величезна і досягає більше ста кілометрів за секунду, але швидкість упорядкованого руху електронів мала. Швидкість поширення електромагнітного поля дорівнює 300000м/c.
Електрони входять до складу всіх елементів. Але різні речовини мають різну провідність щодо електричного струму.
Електричний струм в речовині виникає під дією електричного поля
Дифузійний струм
У гальванічних елементах
Метали - “розтратники “ електронів . Вивільнені електрони й надають металу доброї електропровідності . Кількість вільних електронів у металах близька до кількості атомів у металі , в усякому разі вона дуже велика .Це пов’язано з тим , що від кожного атома , як уже було сказано, відокремлюється по одному або й більше електронів які й “блукають “ між позитивними іонами решітки. Іони решітки перебувають при цьому в коливальному стані. Під час проходження струму “дрейфуючі “ електрони , стикаючись з іонами, віддають набуту від зовнішнього поля енергію, тому коливання решітки посилюється - металевий провідник нагрівається струмом.
2. Класифікація твердих тіл
Залежно від характеру
В якості провідників електричного струму можуть бути використані як тверді тіла
Електричний опір графіту з збільшенням температури проходить через мінімум з наступним поступовим підвищенням.
За родом застосування провідникові матеріали
провідники з високою провідністю - метали для проводів ліній електропередачі і для виготовлення кабелів, обмотувальних та монтажних проводів для обмоток трансформаторів
Механізм проходження струму в металах зумовлений рухом (дрейфом) вільних електронів під впливом електричного поля; тому метали називають провідниками з електронною електропровідністю або провідниками першого роду.
Напівпровідниками називають речовини, питома провідність яких має проміжне значення між питомими проводимостями металів і діелектриків. Напівпровідники одночасно є поганими провідниками і поганими діелектриками. Кордон між напівпровідниками
Типовими напівпровідниками
При підвищенні температури кристала теплові коливання
Однак, при звільненні електрона в кристалічній решітці утворюється незаповнена міжатомних зв'язків. Такі «порожні» місця з відсутніми електронами зв'язку дістали назву «дірок». Виникнення дірок в кристалі напівпровідника створює додаткову можливість для переносу заряду. Дійсно, дірка може бути заповнена електроном, який перейшов під дією теплових коливань від сусіднього атома. У результаті на цьому місці буде відновлена нормальна зв'язок, але зате в іншому місці з'явиться дірка. У цю нову дірку в свою чергу може перейти будь-якої з інших електронів зв'язку. Послідовне заповнення вільної зв'язку електронами еквівалентно руху дірки в напрямку, протилежному руху електронів. Таким чином, якщо за наявності електричного поля електрони переміщаються проти поля, то дірки будуть рухатися в напрямку поля, тобто так, як рухалися б позитивні заряди. Отже, в напівпровіднику є два типи носіїв струму - електрони і дірки, а загальна провідність напівпровідника є сумою електронної провідності (n-типу, від слова negative) і діркової провідності (p-типу, від слова positive).
Поряд з переходами електронів із зв'язаного стану у вільний існують зворотні переходи, при яких електрон провідності вловлюється на одне з вакантних місць електронів зв'язку. Цей процес
Розглянутий процес
Напівпровідникові матеріали n - і p-типів мають значно вищу провідність, ніж чисті напівпровідники. Ця провідність може бути збільшена або зменшена шляхом зміни кількості домішок.
Електроізоляційними матеріалами або діелектриками називаються речовини, за допомогою яких здійснюється ізоляція елементів або частин електроустаткування, що знаходяться під різними електричними потенціалами. У порівнянні з провідникові матеріали діелектрики володіють значно великим електричним опором. Характерною властивістю діелектриків є можливість створення в них сильних електричних полів і накопичення електричної енергії. Це властивість діелектриків використовується в електричних конденсаторах
Згідно хімічним складом діелектрики діляться на органічні і неорганічні. Основним елементом у молекулах всіх органічних діелектриків є вуглець. У неорганічних діелектриках вуглецю не міститься. За способом отримання діелектрики діляться на природні
Численну групу твердих діелектриків зазвичай ділять на ряд підгруп в залежності від їх складу, структури та технологічних особливостей цих матеріалів. Так, виділяють керамічні діелектрики, воскоподібні, плівкові, мінеральні.
Всі діелектрики, хоча і в незначній мірі, володіють електропровідністю. На відміну від провідників у діелектриків спостерігається зміна струму з часом внаслідок спадання струму абсорбції. З деякого моменту під впливом постійного струму в діелектрику встановлюється тільки струм провідності.
При напруженості електричного поля, яка перевершує межу електричної міцності діелектрика, настає пробій. Пробій являє собою процес руйнування діелектрика, в результаті чого діелектрик втрачає електроізоляційні властивості в місці пробою.
Величину напруги, при якому відбувається пробій діелектрика, називають пробивним напругою U пр, а відповідне значення напруженості електричного поля називається електричною міцністю діелектрика E пр.
Пробій твердих діелектриків являє собою або чисто електричний процес (електрична форма пробою), або теплової процес (теплова форма пробою). Характерними ознаками електричного пробою твердих діелектриків є: незалежність або дуже слабка залежність електричної міцності діелектрика від температури і тривалості прикладеної напруги;
електрична міцність твердого діелектрика в однорідному полі не залежить від товщини діелектрика; електрична міцність твердих діелектриків знаходиться в порівняно вузьких межах: причому вона більше, ніж при тепловій формі пробою; за наявності неоднорідного поля електричний пробій відбувається в місці найбільшої напруженості поля.
Тепловий пробій має місце при підвищеній провідності твердих діелектриків і великих діелектричних втрати, а також при підігріві діелектрика сторонніми джерелами тепла. Внаслідок неоднорідності складу окремі частини обсягу діелектрика володіють підвищеною провідністю. Вони представляють собою тонкі канали, що проходять через всю товщина діелектрика. Внаслідок підвищеної щільності струму в одному з таких каналів будуть виділятись значна кількість тепла. Це спричинить за собою ще більше наростання струму внаслідок різкого зменшення опору цієї ділянки в діелектрику. Процес наростання тепла буде тривати до тих пір, поки не відбудеться теплове руйнування матеріалу (розплавлення, коксування) по всій його товщині - по ослабленому місцем.
При пробої твердих діелектриків часто спостерігаються випадки, коли до певної температури має місце електричний пробій, а потім у зв'язку з додатковим нагріванням діелектрика настає процес теплового пробою діелектрика.
3. Природа струму в металах
струм метал напівпровідник
В металах структура будови речовини така, що частки розташовані в кристалічних решітках, утворених позитивними іонами, тобто ядрами атомів. А негативні іони, тобто електрони, вільно переміщаються між ядрами, не будучи пов’язаними з ними. Заряд всіх електронів в спокійному стані компенсує позитивний заряд ядер. Коли виникає чинне на електрони електричне поле, вони починають рухатися в одному напрямку по всій довжині провідника.
Так утворюється електричний струм у металах. Швидкість руху кожного конкретного електрона невелика - близько декількох міліметрів на секунду. Але швикість поширення електричного поля дорівнює швидкості світла, близько 300 000 км/с. Електричне поле приводить в рух всі електрони на своєму шляху, і струм поширюється в металевих дротах зі швидкістю світла.
З якою б швидкістю не рухалися електрони в металі, ми не можемо побачити це на власні очі - вони занадто малі. Судити про наявність в провіднику струму, ми можемо лише по виробленому їм дії. Дія електричного струму може бути дуже різноманітним. Теплова дія струму проявляється в нагріванні провідника. Ця дія широко використовується в електронагрівальних приладах: чайниках, обігрівачах, фенах.
Ще струм має хімічною дією. У деяких розчинах при впливі електричним струмом виділяються різні речовини. Так добувають чисті речовини з солей і лугів. Ток володіє також і магнітним дією. Причому магнітне дію струму проявляється завжди і в будь-яких провідниках. Полягає магнітна дію струму в тому, що навколо провідника зі струмом утворюється магнітне поле. Це поле можна вловити і виміряти. Для використання магнітної дії струму споруджують спіральні обмотки з ізольованих проводів і пропускають по них струм. Таким чином, концентрують і підсилюють магнітне дію струму і створюють електромагніти.
Електрика і магнетизм взагалі нерозривно пов’язані один з одним. Найпростіший приклад: притягання наелектризованої гребінцем волосся - є не що інше, як магнітне дію електричного заряду. Людина дуже активно використовує магнітні властивості струму. Від виробітку електроенергії, в якій перетворюють механічну енергію в електричну за допомогою магнітів, до конкретних електроприладів, які виробляють зворотне перетворення електрики в механічну роботу - скрізь використовується магнітне дію струму.
За направлення електричного струму в ланцюзі прийнято напрямок руху позитивних зарядів. Це напрям, протилежний руху електронів. Колись не знали, за рахунок чого в реальності передається електричний заряд, але електрику використовували, і треба було створювати правила і закони для розрахунків. І умовно прийняли за напрямок струму напрямок руху позитивних зарядів.
. Залежність опору метала від температури
Електричний опір провідників обумовлено тим, що вільні електрони при дрейфі взаємодіють з позитивними іонами кристалічної решітки металу. При підвищенні температури частішають зіткнення електронів з іонами, тому опір провідників залежить від температури. (Додаток № 2) Опір провідників залежить від матеріалу провідника, тобто будова його кристалічної решітки. Для однорідного циліндричного провідника довжиною l і площею поперечного перерізу S опір визначається за формулою:
= ρ l / S
де ρ = RS / l - питомий опір провідника (опір однорідного циліндричного провідника, що має одиничну довжину і одиничну площа поперечного перерізу).
Питомий опір найбільш поширених провідників
Матеріал ρ, 10 - Ом ∙ м - характеристика матеріалу.
Срібло 1,6 - найкращий провідник.
Мідь 1,7 - застосовується найбільш часто.
Алюміній 2,9 - застосовується часто
Залізо 9,8 - застосовується рідко.
Питомий електричний опір провідника залежить не тільки від роду речовини, але і від його стану. Залежність питомого опору ρ від температури виражається формулою:
ρ = ρ 0 (1 + α t)
де ρ 0 - питомий опір при 0 ° C;
t - температура (за шкалою Цельсія);
α - температурний коефіцієнт опору, що характеризує
α = (ρ-ρ 0) / ρ 0 t.
Залежність опору металів від температури покладена в основу будови термометрів опору. Вони використовуються як при дуже високих, так і при дуже низьких температурах, коли застосування рідинних термометрів неможливо.
З поняття
У 1911 р. голландський фізик Камерлінг-Оннес провів досліди з ртуттю, яку можна отримати у чистому вигляді. Він зіткнувся з новим, зовсім несподіваним явищем. Питомий опір ртуті при температурі 4,2 K (близько -269 ° C) різко впав до такої малої величини, що його практично стало неможливо виміряти. Це явище звернення електричного опору в нуль Камерлінг-Оннес назвав надпровідністю.
В даний час надпровідність
При виникненні в металевому провіднику електрорушійної сили ЕРС з’являється електричний струм - спрямоване переміщення елементарних частинок, що володіють зарядом. Іони, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки металу, не в змозі довго утримувати електрони на своїх зовнішніх орбітах, тому вони вільно переміщаються по всьому об’єму матеріалу від одного вузла до іншого. Це хаотичний рух обумовлено зовнішньої енергією - теплом.
Хоча факт переміщення в наявності, воно не є спрямованим, тому не розглядається в якості струму. При появі електричного поля електрони орієнтуються відповідно до його конфігурації, формуючи спрямований рух. Але так як тепловий вплив нікуди не зник, то хаотично переміщаються частинки стикаються з направленими полем. Залежність опору металів від температури показує величину перешкод проходженню струму. Чим більше температура, тим вище опір провідника.
Очевидний висновок: знижуючи ступінь нагріву, можна зменшити і опір. Явище надпровідності (близько 20 ° K) якраз і характеризується істотним зниженням теплового хаотичного руху частинок в структурі речовини.
Розглянута властивість провідних матеріалів знайшла широке застосування в електротехніці. Наприклад, залежність опору провідника від температури використовується в електронних датчиках. Знаючи її значення для будь-якого матеріалу, можна виготовити терморезистор, підключити його до цифрового або аналогового пристрою, що зчитує, виконати відповідну градуювання шкали і використовувати в якості альтернативи ртутним термометрам. В основі більшості сучасних термодатчиків закладено саме такий принцип, адже надійність вище, а конструкція простіше.
Крім того, залежність опору від температури дає можливість розраховувати нагрів обмоток електродвигунів.
. Використання електричного струму
В наш час електричний струм знайшов застосування у всіх сферах людської діяльності. Привід верстатів і машин, системи автоматичного контролю та управління, численні прилади дослідних лабораторій і побутові прилади неможливі без застосування електричного струму. Сучасний телефон і телеграф, радіо і телебачення, електронні обчислювальні машини від кишенькових калькуляторів до машин, керують польотами космічних кораблів,- це всі пристрої, в основу яких покладені складні ланцюги електричного струму.
Теплова дія струму виявляється у нагріванні провідника, по якому тече струм. Так, коли ми прасуєм, припаюєм деталь електричним паяльником, готуєм на електричній плиті, обігріваєм кімнату електричним нагрівником, то використовуєм побутові прилади, функціонування яких ґрунтується на тепловій дії електричного струму. Теплову дію електричного струму широко використовують не тільки в побуті, але й у промисловості та сільському господарстві, наприклад для зварювання, різання й плавлення металів.
Функціонування різноманітних електричних двигунів, електровимірювальних приладів можливе тільки завдяки магнітній дії струму. Розглядаючи різні дії електричного струму, слід звернути увагу на те, що найчастіше декілька дій виявляються одночасно.
Електроенергетика впливає не тільки на розвиток господарства, а й на територіальну організацію продуктивних сил. Будівництво потужних ліній електропередач дає змогу освоювати паливні ресурси незалежно від віддаленості районів споживання. Розвиток електронного транспорту розширює територіальні межі цієї галузі промисловості. Достатня кількість електроенергії притягує до себе виробництво електросталі. алюмінію та інших кольорових металів, в яких частка паливно-енергетичних витрат у собівартості готової продукції значно більша порівняно з традиційними галузями промисловості. У ряді районів України (Донбас, Придніпров'я) електроенергетика визначає виробничу спеціалізацію їх, є основою формування територіально-виробничих комплексів.
Висновок
Для виникнення електричного струму в тілі треба наявність заряджених частинок, які б могли в ньому переміщуватися та наявність електричного поля, під дією якого вони б рухалися в одному напрямі. Електричний струм у металах являє собою спрямований рух вільних електронів. Будь-який провідник чинить опір електричному струму. Під час зіткнення електрони передають іонам енергію, накопичену в електричному полі, що призводить до нагрівання провідника.
Електричні заряди завжди виникають при тісному контакті різних речовин. Якщо тіла тверді, то їх тісної зіткненню перешкоджають мікроскопічні виступи та нерівності, які є на їх поверхні. Здавлюючи такі тіла і притираючи їх один до одного, ми зближуємо їх поверхні, які без натиску стикалися б тільки в декількох точках. У деяких тілах електричні заряди можуть вільно переміщатися між різними частинами, в інших же це неможливо. Проте потрібно зазначити, що поділ тіл на провідники та діелектрики вельми умовно. Всі речовини більшою чи меншою мірою проводять електрику. Електричні заряди бувають позитивними і негативними. Такого роду ток проіснує недовго, тому що в наелектризованому тілі скінчиться заряд. Для тривалого існування електричного струму в провіднику необхідно підтримувати електричне поле. Для цих цілей використовуються джерела електроструму.
Роблячи висновок, можна відзначити наступне: електричний струм у різних середовищах має свої особливості, які широко використовуються в різних сферах народного господарства, а також у науково-дослідних експериментах.
Список використаних джерел
1 Савельєв І. В. Курс загальної фізики. - навч.пос. Том ІІ. Електрика і магнетизм. - М.: Наука, 1988
Чолпан П. П. Фізика.- К.: Вища школа, 2003.
file:///C:/Users/User/AppData/Local/Temp/Rar$EXa0.792/referat.html