Электрический ток в средах

Там где могут находится свободные носители электрических зарядов, там возможен электрический ток. Элементарная частица — электрон, имеет отрицательный заряд по знаку, эта частица настолько мала, что способна проникать куда угодно. Кроме нее есть и другие частицы, например фотон. Можно смело утверждать, что существование электрического тока возможно везде. Мы живем в мире электрических токов и магнитных явлений.

В физике различают вещество и вакуум, то есть такая часть пространства, в которой отсутствует вещество, но могут присутствовать элементарные частицы, например, электроны или фотоны, которые могут реагировать на электромагнитные поля.

Какие вещества бывают? Прежде всего нас интересуют их электрические свойства, то есть наличие свободных носителей зарядов.

Металлы и их сплавы. Твердый графит

Прежде всего следует отметить металлы и их сплавы, в которых с избытком присутствуют свободные носители зарядов — электроны. Также сюда можно отнести такое вещество как графит, углерод в твердом кристаллизованном виде. Такие вещества называются проводниками и их используют для создания электрических цепей, а также в качестве нагревательных элементов. Обычная лампа накаливания, которая применяется для освещения, является отличным примером тока в металле. Существуют очень миниатюрные проводники, например, в сотовых телефонах. В них также существует ток в металлах. В проводниках электрический ток называют током проводимости.

Электролиты и расплавы. Жидкая фаза

Следующий класс веществ, в которых возможно существование электрического тока — это растворы и расплавы. Сюда относятся все электролиты, например водный раствор поваренной соли (NaCl), соляная и серная кислоты, щелочи и т.п. Под расплавами понимается жидкая фаза вещества, например, ту же самую поваренную соль можно расплавить и пропустить через нее электрический ток. Если медный провод, который является хорошим проводником, расплавить, то в нем уже будет не ток проводимости, а ток в расплаве. Такой ток так и именуют — электрический ток в растворах и расплавах.

Газообразная фаза вещества. Ток в плазме

Кроме твердого и жидкого фазовых состояний вещества есть еще и два его состояния. Это газообразная фаза, и состояние плазмы. Атмосферный воздух является плохим проводником электрического тока, а попросту именуется изолятором. В обычном состоянии газы почти всегда являются диэлектриками, так как не имеют свободных носителей зарядов. Однако, в газовой среде возможно протекание тока и такой ток называется — электрическим током в газах. Обычно такой ток сопровождается ионизацией, что может привести газ в состояние плазмы.

Следует помнить, что пламя огня — это частично ионизированный газ, и потому в нем возможно протекание электрического тока. Пламя огня проводит ток и об этом нужно помнить при работе с электрооборудованием. Также следует различать виды плазмы. Один вид — высокотемпературная (дуга, огонь), другой вид — низкотемпературная (токи Тесла, небольшие искры при разрядах).

Ток в полупроводниках

Еще один класс веществ — это полупроводники. Это вещества имеющие кристаллическую структуру, в которые вносятся примеси, атомы других веществ. В результате основное кристаллическое вещество, например кремний, будучи изолятором из-за примесей меняет свои электрические свойства. В зависимости от того, какая примесь внесена и сколько, новое композитное вещество будет по разному реагировать на электрическое поле. Такие вещества называются полупроводниками, потому как из-за примесей в них образуется либо избыток свободных зарядов, либо их недостаток. Целый класс устройств базируется на полупроводниках — это электроника и микроэлектроника. Ток в таких веществах называется — электрическим током в полупроводниках. Полупроводники занимают промежуточное положение по характеристикам проводимости и сопротивления между проводниками и изоляторами.

Вакуум проводит электрический ток

Есть еще один класс не-вещества, в котором может существовать электрический ток. Это ток переноса, или ток в вакууме. По большому счету 100% вакуума не существует в реальности, потому как обязательно найдутся какие-то частицы в виде протонов и нейтронов, которые залетят в этот вакуум. Даже один протон — это уже «недоделанный» атом водорода.

В космическом пространстве, между Солнцем и Землей всегда существует электрический ток переноса. Прежде всего — это поток частиц имеющих электрический заряд. Источником таких зарядов является Солнце. В то же самое время Земля имеет электрический заряд и движется по эклиптике, а значит имеет место изменение заряда в точке пространства за единицу времени.

Такой ток называется — током переноса, или иначе конвенционным током. Доступным примером такого тока является электронная лампа, в которой из нагретого катода вылетают свободные электроны и практически в вакууме движутся к аноду. Такое явление называется термоэлектронной эмиссией.

Дата: 13.05.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

электрический ток в различных средах

 на главную   

Официальный сайт АНО ДО Центра «Логос», г.Глазов

http://logos-glz.ucoz.net/

 

 

ГОТОВИМСЯ К УРОКУ

Кинематика

Динамика

МКТ

Термодинамика 

Электростатика

Электрический ток

Электрический ток в средах

Магнитное поле Электромагнитная индукция

Оптика

Методы познания

Электрический ток в различных средах                                                      немного о физике:   

Электрическим током называют всякое  упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может проходить через различные вещества при определенных условиях. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.

Поэтому в этом разделе мы попытаемся  установить, какие частицы, переносят  электрический заряд в различных средах.

 

Электрический ток в металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как

электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах — это упорядоченное движение электронов.

 

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

где I — сила тока в проводнике, e — модуль заряда электрона,  n₀ — концентрация электронов проводимости,  — средняя скорость упорядоченного движения электронов,  S — площадь поперечного сечения проводника.

 

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

где j — плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости  одновалентного металла равна

где N_a — постоянная Авогадро,  A — атомная масса металла, ρ — плотность металла,

то получаем что концентрация определяется в пределах 10²⁸ — 10²⁹ м^-3.

 

Закон Ома для однородного участка цепи:

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

 

Для однородного участка цепи:

где  ρ_У— удельное сопротивление проводника, l — длина проводника,  S — площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и  эта зависимость выражается соотношением:

ρ_у = ρ_оу ( 1 + α ∆Т )

где

ρ_оу  — удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α — термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т — Т_о  — изменение температуры.

 

 

 

Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в  проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением ( для резисторов).

Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где  G — проводимость.

 

Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.

 

 

 

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.

 

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы — к аноду.

Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов — это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

Сопротивление электролитов так же определяется по формуле:

где  ρ_У— удельное сопротивление электролита, l — длина жидкого проводника,  S — площадь поперечного сечения жидкого проводника.

При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.

 

Законы Фарадея.

1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.

где m — масса вещества, выделяющегося на электроде,  k — электрохимический эквивалент, q — заряд, прошедший через электролит.

 

2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.

          

где М— молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z — валентность иона.

постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.

 

Объединенный закон Фарадея.

 

                    

 

 

 

Электрический ток в газах.

При нормальных условиях   газы  состоят  из  нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для  получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию — энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна — для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной  энергии  возрастает скорость  движения  молекул, нарастает интенсивность их теплового движения  и  при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.

Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся  в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы  к катоду, отрицательные ионы и электроны — к аноду. Т.е. электрический ток в газах — это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВС.

На  участке графика  ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к.  ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения  между электродами скорость направленного движения электронов  и ионов возрастает, поэтому  большая часть заряженных частиц достигает  электродов, а, следовательно возрастает сила тока.

При определенном значении напряжения U₁ все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U₂. Такой ток называют током насыщения, и ему соответствует участок графика АВ.

При напряжении U₂ в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда  кинетическая энергия  достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация  приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом. Такая зависимость выражена участком графика АС.

 

 

 

Электрический ток в вакууме.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е.  необходимо создать определенные  условия, которые помогут  получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре  они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или  равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.

 

При нагревании металла  количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов  при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией. Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная  к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности  вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит  в основе принципа действия электронных ламп:  вакуумного диода, вакуумного триода.

 

                  Вакуумный диод                                            Вакуумный триод

 

                                   

                 

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВСD.

При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны.  При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у  катода электронное облако.

По мере увеличения напряжения между анодом и катодом большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость  силы тока от напряжения, т.е. в  интервале напряжений U₁ — U₂ выполняется закон Ома.

 

 

Нелинейная зависимость на участке ВСD объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.

При достаточно большом  значении напряжения U₃все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический  ток достигает насыщения.

 

Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать радиоактивный препарат, испускающий α-частицы.Под действием сил электрического поля α-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.

Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным  движением любых заряженных частиц (электронов, ионов).

 

 

 

Электрический ток в полупроводниках.

 

Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и  изменения освещенности. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10^-3 до 10⁷ Ом ·м.  Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния.

В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает  возникновение свободных электронов и «дырок»- вакантных положительных мест с недостающим электроном.

 

 

При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя «дырку»  в соседнем атоме. Таким образом не только  электроны, но и «дырки» могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение — возникнет электрический ток.

 

Собственная проводимость.

В чистом кристалле электрический  ток создается равным количеством электронов и «дырок». Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества «дырок» в полупроводниковом кристалле  без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника.

При повышении  температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и «дырок».

 

 

Примесная  проводимость.

Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый  станет электроном проводимости.

 

 

При нагревании  нарушается ковалентная связь,  возникают  дополнительные   электроны проводимости  и «дырки». Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством «дырок». Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является полупроводником n-типа.  Электроны являются основными носителями заряда, «дырки» — неосновными.

 

Акцепторная  примесь — примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой  незавершенной ковалентной связи образуется «дырка». 

 

 

При нагревании  нарушается ковалентная связь,  возникают  дополнительные   электроны проводимости  и «дырки». Поэтому в кристалле количество «дырок» преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p-типа.  «Дырки» являются основными носителями заряда, электроны — неосновными.

 

p-n переход.

 При контакте полупроводников p-типа и  n-типа через границу происходит диффузия электронов из n-области в p-область и «дырок» из p-области в n-область. Это приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего дальнейшей диффузии.  p-n переход обладает односторонней проводимостью.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с положительным полюсом , а  n-область — с отрицательным полюсом, появляется  движение основных носителей зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.

 

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с отрицательным  полюсом , а  n-область — с положительным полюсом, толщина запирающего слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов через контактный слой прекращается, но может иметь место движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в обратном направлении.

 

 

Принцип действия полупроводникового диода  основан на свойстве односторонней проводимости  p-n перехода. Основное применение полупроводникового диода — выпрямитель тока.

 

 

 

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой АОВ.

 

Ветвь ОВ соответствует пропускному направлению тока, когда ток создается основными носителями зарядов, и  при увеличении напряжения сила тока возрастает. Ветвь АО соответствует току, созданному неосновными носителями зарядов, и значения силы тока невелики.

Электрический ток в различных средах

Сообщение на тему: Электрический ток в различных средах

Электрический ток в жидкостях

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.

В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.

Второй закон Фарадея:

Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

Электрический ток в металлах

При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например, манганин и константан.

Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-273⁰C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.

Применение электрического тока в металлах

Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».

Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.

Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.

Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Электрический ток в вакууме

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum — пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии — испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) — приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток — катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны — анод.

Электрический ток в различных средах: таблица

Одним из основных свойств электрического тока, является его способность к проводимости в разных условиях. Степень проводимости для каждого случая отличается между собой. Поэтому, когда изучается электрический ток в различных средах, таблица помогает наглядно представить, какими качествами он обладает в том или ином случае. Все вещества, в соответствии с их электрической проводимостью, разделяются на несколько основных категорий.

Металлы, как проводники электрического тока

При прохождении электрического тока в металлах, существенных изменений не наблюдается, за исключением обязательного нагрева. Металлы отличаются высокой концентрацией электронов, влияющих на уровень проводимости. Происходит их постоянное движение с высокой скоростью.

В узлах кристаллических решеток металлов располагаются положительные ионы, производящие тепловые колебания. В промежутках между ними происходит движение свободных электронов, которым придается ускорение с помощью электрического поля.

Движение электрического тока в полупроводниках

Полупроводники обладают собственными свойствами, влияющими на проводимость. Основой их проводимости является р-п переход. Повышение температуры вызывает увеличение удельного сопротивления вещества. При этом, возрастает количество свободных электронов, на месте которых остаются виртуальные заряды, называемые дырками.

Поэтому, основной особенностью электрического тока в полупроводниках, является движение не только свободных электронов, но и дырок. При росте температуры, проводимость увеличивается из-за резкого снижения сопротивления.

Жидкость и газ – эффективные проводники

Всем известно, что дистиллированная вода не является проводником. Однако, если опустить в нее хотя-бы один кристалл обычной соли, произойдет замыкание цепи. Это вызвано появлением в воде свободных носителей зарядов. Происходит явление электролитической диссоциации, когда молекулы распадаются на ионы под воздействием растворителя. Такие жидкие проводники, где содержатся подвижные носители зарядов, называются электролитами.

Газы в обычном состоянии, как и дистиллированная вода, также являются диэлектриками, поскольку содержат нейтральные молекулы и атомы. Все эти частицы не имеют зарядов и придают газам высокие изолирующие свойства. Для того, чтобы газ стал проводником, в нем необходимо присутствие заряженных частиц в виде свободных носителей зарядов.

Как правило, проводниками являются ионизированные газы с положительными и отрицательными ионами. Проводимость в газах может быть создана самостоятельно, или путем искусственного внесения в них заряженных частиц.

Электрический ток в различных средах. Электрический ток в газах

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Тип занятия: Комбинированный урок.

Вид занятия: урок-лекция, с элементами видеоурока.

Цели занятия:

• образовательная: изучить особенности протекания электрического тока в газах, использование разрядов в газе в технике и промышленности;
• воспитательная: развитие коммуникативной культуры, исследовательской культуры;
• развивающая: развивать умение анализировать, выделять главное, сравнивать, строить аналогии, обобщать и систематизировать полученные знания.

Обеспечение занятия

• Наглядные пособия:
• презентация “Ток в газах”;
• Технические средства обучения:
• ноутбук, мультимедийный проектор.

Ход занятия

Слайд 1. Слайд 2. Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. Мы сегодня поговорим об электрическом токе в газах.

Обычно вещество в газообразном состоянии является изолятором, так как атомы или молекулы, из которых оно состоит, содержат одинаковое число отрицательных и положительных электрических зарядов и в целом нейтральны.

Слайд 3. (Демонстрация опыта) Опыт показывает, что две разноименно заряженные пластины, разделенные слоем воздуха, не разряжаются. Но если внести в пространство между пластинами пламя спички или спиртовки электрометр начнет быстро разряжаться. Следовательно, воздух под действием пламени стал проводником. При вынесении пламени из пространства между пластинами разряд электрометра прекращается. Такой же результат можно получить, облучая пластины светом электрической дуги. Эти опыты доказывают, что газ может стать проводником электрического тока.

Явление прохождения электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия, называется несамостоятельным электрическим разрядом.

Слайд 4. Нагревание газа делает его проводником электрического тока, потому что часть атомов или молекул газа превращается в заряженные ионы. Для отрыва электрона от атома необходимо совершить работу против сил кулоновского притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательным электроном. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома или молекулы, называется энергией связи. Электрон может быть оторван от атома при соударении двух атомов, если их кинетическая энергия превышает энергию связи электрона. Кинетическая энергия теплового движения атомов или молекул прямо пропорциональна абсолютной температуре, поэтому с повышением температуры газа увеличивается число соударений атомов или молекул, сопровождающихся ионизацией.

Процесс возникновения свободных электронов и положительных ионов в результате столкновений атомов и молекул газа при высокой температуре называется термической ионизацией.

Слайд 5. Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизована, называется плазмой. Степень термической ионизации плазмы зависит от температуры. Например, при температуре 10 000 К ионизовано меньше 10 % общего числа атомов водорода, при температуре выше 20 000 К водород практически полностью ионизован.

Электроны и ионы плазмы могут перемещаться под действием электрического поля. Таким образом, при низких температурах газ является изолятором, при высоких температурах превращается в плазму и становится проводником электрического тока.

У нас имеется плазменный шар.  Прибор — состоящий из стеклянной сферы с установленным внутри электродом. На электрод подаётся переменное высокое напряжение с частотой около 30 кГц. Внутри сферы находится разреженный газ (для уменьшения напряжения пробоя). В качестве наполнения могут выбираться разные смеси газов для придания “молниям” определённого цвета. Давайте посмотрим, как он работает. Кто поможет преподавателю?

Слайд 6. Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома или молекулы, может быть передана светом. Ионизация атомов или молекул под действием света называется фотоионизацией.

Слайд 7. При увеличении напряженности электрического поля до некоторого определенного значения, зависящего от природы газа и его давления, в газе возникает электрический ток и без воздействия внешних ионизаторов. Явление прохождения через газ электрического тока, не зависящего от действия внешних ионизаторов, называется самостоятельным электрическим разрядом.

В воздухе при атмосферном давлении самостоятельный электрический разряд возникает при напряженности электрического поля, равной примерно

Основной механизм ионизации газа при самостоятельном электрическом разряде — ионизация атомов и молекул вследствие ударов электрона.

Слайд 8. Ионизация электронным ударом становится возможной тогда, когда электрон при свободном пробеге приобретет кинетическую энергию, превышающую энергию связи W электрона с атомом. Кинетическая энергия Wк электрона, приобретаемая под действием электрического поля напряженностью, равна работе сил электрического поля:

Wк = Fl = eEl,

где l — длина свободного пробега.

Отсюда приближенное условие начала ионизации электронным ударом имеет вид

eEl > W.

Энергия связи электронов в атомах и молекулах обычно выражается в электронволътах (эВ). 1 эВ равен работе, которую совершает электрическое поле при перемещении электрона (или другой частицы, обладающей элементарным зарядом) между точками поля, напряжение между которыми равно 1 В. Энергия ионизации атома водорода, например, равна 13,6 эВ.

Развитие самостоятельного электрического разряда в газе протекает следующим образом. Свободный электрон под действием электрического поля приобретает ускорение. Если напряженность электрического поля достаточно велика, электрон при свободном пробеге настолько увеличивает кинетическую энергию, что при соударении с молекулой ионизует ее.

Первый электрон, вызвавший ионизацию молекулы, и второй электрон, освобожденный в результате ионизации, под действием электрического поля приобретают ускорение в направлении от катода к аноду. Каждый из них при следующих соударениях освобождает еще по одному электрону и общее число свободных электронов становится равным четырем. Затем таким же образом оно увеличивается до 8, 16, 32, 64 и т. д. Число свободных электронов, движущихся от катода к аноду, нарастает лавинообразно до тех пор, пока они не достигнут анода.

Положительные ионы, возникшие в газе, движутся под действием электрического поля от анода к катоду. При ударах положительных ионов о катод и под действием света, излучаемого в процессе разряда, с катода могут освобождаться новые электроны. Эти электроны в свою очередь разгоняются электрическим полем и создают новые электронно-ионные лавины, поэтому процесс может продолжаться непрерывно.

Концентрация ионов в плазме по мере развития самостоятельного разряда увеличивается, а электрическое сопротивление разрядного промежутка уменьшается. Сила тока в цепи самостоятельного разряда обычно определяется лишь внутренним сопротивлением источника тока и электрическим сопротивлением других элементов цепи.

Слайд 9. Теперь рассмотрим виды самостоятельных разрядов. Если источник тока не способен поддерживать самостоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то происходящий самостоятельный разряд называется искровым разрядом. Искровой разряд прекращается через короткий промежуток времени после начала разряда в результате значительного уменьшения напряжения. Примеры искрового разряда — искры, возникающие при расчесывании волос, разделении листов бумаги, разряде конденсатора.

Самостоятельный электрический разряд представляют собой и молнии, наблюдаемые во время грозы. Сила тока в канале молнии достигает 10 000—20 000 А, длительность импульса тока составляет несколько десятков микросекунд. Самостоятельный электрический разряд между грозовым облаком и Землей после нескольких ударов молнии сам собою прекращается, так как большая часть избыточных электрических зарядов в грозовом облаке нейтрализуется электрическим током, протекающим по плазменному каналу молнии.При увеличении силы тока в канале молнии происходит нагревание плазмы до температуры свыше 10 000 К. Изменения давления в плазменном канале молнии при увеличении силы тока и прекращении разряда вызывают звуковые явления, называемые громом.

Слайд 10. Давайте посмотрим, как именно образуется искровой разряд в атмосфере.

(Видеоотрывок)

Слайд 11. При понижении давления газа в разрядном промежутке разрядный канал становится более широким, а затем светящейся плазмой оказывается равномерно заполнена вся разрядная трубка. Этот вид самостоятельного электрического разряда в газах называется тлеющим разрядом.(Демонстрация опыта)

Слайд 12. Если сила тока в самостоятельном газовом разряде очень велика, то удары положительных ионов и электронов могут вызвать разогревание катода и анода. С поверхности катода при высокой температуре происходит эмиссия электронов, обеспечивающая поддержание самостоятельного разряда в газе. Длительный самостоятельный электрический разряд в газах, поддерживающийся за счет термоэлектронной эмиссии с катода, называется дуговым разрядом.

Слайд 13. В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом и плоскостью (линия электропередачи), возникает самостоятельный разряд особого вида, называемый коронным разрядом. При коронном разряде ионизация электронным ударом происходит лишь вблизи одного из электродов, в области с высокой напряженностью электрического поля.

Слайд 14. Обучающиеся делают доклады о применении различных типов разрядов в газах (темы докладов выдаются предварительно).

Удары электронов, разгоняемых электрическим полем, приводят не только к ионизации атомов и молекул газа, но и к возбуждению атомов и молекул, сопровождающемуся излучением света. Световое излучение плазмы самостоятельного электрического разряда широко используется в народном хозяйстве и в быту. Это лампы дневного света и газоразрядные лампы уличного, освещения, электрическая дуга в кинопроекционном аппарате и ртутно-кварцевые лампы, применяемые в больницах и поликлиниках.

Высокая температура плазмы дугового разряда позволяет применять его для резки и сварки металлических конструкций, для плавки металлов. С помощью искрового разряда ведется обработка деталей из самых твердых материалов.

Электрический разряд в газах бывает и нежелательным явлением, с которым в технике необходимо бороться. Так, например, коронный электрический разряд с проводов высоковольтных линий электропередач приводит к бесполезным потерям электроэнергии. Возрастание этих потерь с увеличением напряжения ставит предел на пути дальнейшего увеличения напряжения в линии электропередач, тогда как для уменьшения потерь энергии на нагревание проводов такое повышение весьма желательно.

Список использованной литературы.

1. Дмитриева В.Ф. – учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования – 13-е изд., стер. – М.: Издательский центр “Академия”, 2011. – 464 с.

Опорный конспект по физике. Электрический ток в различных средах. (10 класс)

Опорный конспект к уроку физики в 10 классе.

Электрический ток в различных средах.

Электрический ток в металлах.

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов.

На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к изолированным друг от друга дискам. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр и приводят катушку в быстрое движение, а затем резко останавливают. После остановки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, в катушке возникает ток. Ток существует незначительное время, т.к. движению частиц препятствует сопротивление проводника.

Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц к их массе.

Различные вещества имеют различное удельное сопротивление. С изменением температуры сопротивление проводника меняется.

Сопротивление увеличивается, температура увеличивается, Сила тока уменьшается.

Сопротивление проводника с учетом его температуры:

Подчиняется закону Ома для участка цепи.

Электрический ток в полупроводниках.

Полупроводник – это вещество, у которого удельное сопротивление с увеличением температуры резко уменьшается.

При температурах близких к нулю, удельное сопротивление очень велико. С повышением температуры удельное сопротивление уменьшается и ведет себя как диэлектрик

При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны освобождаются и образуются «дырки».

Примесная проводимость в полупроводниках.

Проводимость проводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

Если примесь имеет валентность большую чем чистый проводник, то появляются свободные электроны.

Проводимость электронная, примесь в этом случае донорная, полупроводник является полупроводником n- типа.

Если примесь имеет валентность меньшую чем чистый полупроводник, то появляются разрывы связей – дырки.

Проводимость дырочная, примесь акцепторная, полупроводник является полупроводником р- типа.

В большинстве полупроводниковых приборов используются полупроводники р- и n- типов.

Свойство р и n – перехода используют для выпрямления переменного электрического тока в полупроводниковых диодах.

Электрический ток в электролитах.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролита на ионы.

Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться в положительному электроду – аноду, а положительные ионы к отрицательному катоду.

Электрический ток в электролитах – это упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов, которые образуются в результате электролитической диссоциации.

Электролиз – процесс выделения чистого вещества на электроде в результате окислительной реакции.

Масса выделившегося вещества определяется по закону Фарадея:

Электрический ток в вакууме.

Ток в вакууме не может существовать самостоятельно, т.к. вакуум является диэлектриком. В этом случае ток можно создать с помощью термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия – явление при котором, электроны выходят из металлов при нагревании. Такие электроны называют термоэлектронами.

Электрический ток в газах.

Электрический ток в газах – это упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов и электронов, которые образуются в результате действия ионизатора.

Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Электрический ток в различных средах

Одно из важнейших определений физики гласит, что электрический ток — это любое упорядоченное движение частиц, имеющих какой-либо заряд. Из этого можно сделать вывод, что для того, чтобы электрический ток появился, необходимо наличие в металле, жидкости или каком-либо другом материале свободных электронов или ионов, которые и будут двигаться под воздействием электромагнитного поля. В то же время электрический ток в различных средах будет обладать определенными особенностями, из-за чего его протекание в каждой из них будет отличаться.

Если рассматривать особенности формирования и протекания электрического тока в металлах, то прежде всего стоит обратить внимание на само строение металлов, которое представляет собой кристаллическую решетку. При этом в узлах этой решетки располагаются ионы с положительным зарядом, а в пространстве между этими узлами в хаотическом порядке двигаются электроны с отрицательным зарядом. Если создать вокруг металла электрическое поле, то движение электронов примет более упорядоченный характер. Можно сделать вывод, что по отношению к металлам электрический ток — это направленное движение именно электронов.

Основной характеристикой протекания электротока в металлах является вольт-амперное выражение, известное как закон Ома. Согласно этому закону, сила тока находится в прямой зависимости от напряжения и в обратной зависимости от сопротивления. Анализируя электрический ток в различных средах, стоит особое внимание уделить его формированию и протеканию в жидкой среде.

Электрический ток в электролитах возникает вследствие реакции, получившей название электролитической диссоциации. Суть ее состоит в распаде молекул щелочей, солей или кислот на положительные и отрицательные заряженные ионы, которые и становятся носителями электрического заряда в жидкостях. Все дело в том, что, когда на раствор начинает действовать электромагнитное поле, хаотическое движение ионов превращается в упорядоченное. При этом положительные ионы начинают двигаться к электроду, имеющему отрицательный заряд, а отрицательные – к имеющему положительный заряд. Таким образом, в отличие от тех же металлов, электрический ток в электролитах является упорядоченным движением ионов. Кроме того, стоит отметить, что во время прохождения этих ионов через раствор на электродах всегда происходит образование веществ, которые являются структурными компонентами этого раствора, будь то щелочь, кислота или соль. Это явление, называемое электролизом, активно используется на промышленных предприятиях для получения чистых металлов, а также для покрытия и полировки тех или иных изделий.

Рассматривая электрический ток в различных средах, в частности, в металлах и в жидкостях, мы указывали на то, что в этих веществах уже имеются свободные ионы или электроны. А что происходит с газом, который, как известно, состоит из нейтральных молекул? Электрический ток без свободных частиц с отрицательным или положительным зарядом невозможен, поэтому для начала газ необходимо ионизировать, то есть создать в нем заряженные частицы. Затраченная для этого энергия будет являться энергией ионизации, которая достигает максимальных значений у инертных газов, а минимальных – у атомов щелочных металлов. Ионизация газа приводит к тому, что в нем образуется три различных вида заряженных частиц – имеющие отрицательный заряд электроны, а также положительные и отрицательные ионы. Все эти частицы под воздействием внешнего поля начинают упорядоченно двигаться, соблюдая тот же принцип, что и при движении ионов в жидкостях. Таким образом, электроток в газах представляет собой направленное движение как ионов (положительных и отрицательных), так и электронов.

Делая вывод, можно отметить следующее: электрический ток в различных средах имеет свои особенности, которые широко используются в различных сферах народного хозяйства, а также в научно-исследовательских экспериментах.