Что создает электрический ток. Электрический ток и его использование

Владимирский промышленно-коммерческий лицей

Реферат

Электрический ток в проводниках и полупроводниках

Выполнил:

Сазанов Сергей

11 “Б” класс

г. Владимир, 2000 г.

I. Введение

Слово «ток» означает движение или течение чего-то. Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создается и может длительное время поддерживаться источниками электрического тока. В настоящее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводниковый, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно.

II. Электрическая проводимость различных веществ

Наряду с металлами хорошими проводниками, т.е. веществами с большим количеством свободных заряженных частиц, являются водные растворы или расплавы электролитов и ионизированный газ – плазма. Эти проводники также широко используются в технике.

Кроме проводников и диэлектриков, имеется группа веществ, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества не настолько хорошо проводят электричество, чтобы их назвать проводниками, и не настолько плохо, чтобы их отнести к диэлектрикам. Поэтому они получили название полупроводников.

До недавнего времени полупроводники не играли заметной практической роли. В электротехнике и радиотехнике применяли исключительно различные проводники и диэлектрики. Положение существенно изменилось, можно даже сказать, что в радиотехнике произошла революция, когда сначала теоретически, а затем экспериментально была открыта и изучена легко осуществимая возможность управления электрической проводимостью полупроводников.

Полупроводники применяют в качестве элементов, преобразующих ток в радиоприемниках, вычислительных машинах и т.д.

III. Электронная проводимость металлов

Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика – порядка 10 28 1/м 3 . Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 10 -4 м/с.

Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах.

На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр. Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается.

Направление тока говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т.е. . Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным Кл/кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе , найденным ранее из других опытов.

Движение электронов в металле.

Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения. Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, т.к. со стороны ионов кристаллической решетки на электроны действует некоторая тормозящая сила. Эта сила подобна силе сопротивления, действующей на камень, когда он тонет в воде.

Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Дело в том, что условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения.

Если экспериментально определить среднюю кинетическую энергию теплового движения электронов в металле при комнатной температуре и найти существующую этой энергии температуру по формуле , то получим температуру порядка . Такая температура существует внутри звезд. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.

Экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Под действием электрического поля электроны движутся с постоянной средней скоростью из-за торможения со стороны кристаллической решетки. Скорость упорядоченного движения прямо пропорциональна напряженности поля в проводнике.

IV. Зависимость сопротивления проводника от температуры

Если пропустить ток от аккумулятора через стальную спираль, а затем начать нагревать ее в пламени горелки, то амперметр покажет уменьшение силы тока. Это означает, что с изменением температуры сопротивление проводника меняется.

Если при температуре, равной , сопротивление проводника равно , а при температуре оно равно , то относительное изменение сопротивления, как показывает опыт, прямо пропорционально изменению температуры: .

Коэффициент пропорциональности называют температурным коэффициентом сопротивления. Он характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры. Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1 К. Для всех металлических проводников и незначительно меняется с изменением температуры. Если интервал изменения температуры невелик, то температурный коэффициент можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур. У чистых металлов .

При нагревании проводника его геометрические размеры меняются незначительно. Сопротивление проводника меняется в основном за счет изменения его удельного сопротивления. Можно найти зависимость этого удельного сопротивления от температуры: .

Так как мало меняется при изменении температуры проводника, то можно считать, что удельное сопротивление проводника линейно зависит от температуры (рис. 1).

Рис. 1

Хотя коэффициент довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов просто необходим. Так, сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания увеличивается при прохождении по ней тока более чем в 10 раз.

У некоторых сплавов, например у сплава меди с никелем, температурный коэффициент сопротивления очень мал:

; удельное сопротивление константана велико: . Такие сплавы используют для изготовления эталонных сопротивлений и добавочных сопротивлений к измерительным приборам, т.е. в тех случаях, когда требуется, чтобы сопротивление заметно не менялось при колебаниях температуры.

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в термометрах сопротивления. Обычно в качестве основного рабочего элемента такого термометра берут платиновую проволоку, зависимость сопротивления которой от температуры хорошо известна. Об изменениях температуры судят по изменению сопротивления проволоки, которое можно измерить. Такие термометры позволяют измерять очень низкие и очень высокие температуры, когда обычные жидкостные термометры непригодны.

Удельное сопротивление металлов растет линейно с увеличением температуры. У растворов электролитов оно уменьшается при увеличении температуры.

V. Сверхпроводимость

Рис. 2

В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес открыл замечательное явление – сверхпроводимость. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре очень резко падает до нуля (рис. 2). Это явление было названо сверхпроводимостью. Позже было открыто много других сверхпроводников. Сверхпроводимость наблюдается при очень низких температурах – около .

Если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а затем устранить источник электрического тока, то сила этого тока не меняется сколь угодно долго. В обычном же не сверхпроводящем проводнике электрический ток прекращается.

Сверхпроводники находят широкое применение. Так, сооружают мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, которые создают магнитное поле на протяжении длительных интервалов времени без затрат энергии. Ведь выделения теплоты в сверхпроводящей обмотке не происходит.

Однако получить сколь угодно сильное магнитное поле с помощью сверхпроводящего магнита нельзя. Очень сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Такое поле может быть создано током в самом сверхпроводнике. Поэтому для каждого проводника в сверхпроводящем состоянии существует критическое значение силы тока, превзойти которое, не нарушая этого состояния, нельзя.

Если бы удалось создать сверхпроводящие материалы при температурах, близких к комнатным, то была бы решена проблема передачи энергии по проводам без потерь. В настоящее время физики работают над ее решением.

Многие металлы и сплавы при температурах ниже полностью теряют сопротивление, т.е. становятся сверхпроводниками. Недавно была открыта высокотемпературная сверхпроводимость.

VI. Электрический ток в полупроводниках

Рис. 3

Наиболее отчетливо полупроводники отличаются от проводников характеров зависимости электропроводимости от температуры. Измерения показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений (PbS, CdS и др.) удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов, а, наоборот, чрезвычайно резко уменьшается (рис. 3). Такие вещества и называют полупроводниками.

Строение полупроводников.

Для того чтобы включить транзисторный приемник, знать ничего не надо. Но чтобы его создать, надо было знать очень много и обладать незаурядным талантом. Понять же в общих чертах, как работает транзистор, не так уж и трудно. Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого придется вникнуть в природу связей, удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.

Кремний – четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Плоская схема структуры кристалла кремния изображена на рисунке 4.

Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляют от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга.

Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к электрической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметное влияние на их движение. Аналогичное строение имеет кристалл германия.

Электронная проводимость.

При нагревании кремния кинетическая энергия валентных электронов повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток (рис. 5).

Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. При нагревании от 300 до 700К число свободных электронов увеличивается от 10 17 до 10 24 1/м 3 . Это приводит к уменьшению сопротивления.

Дырочная проводимость.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеются избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями.

Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью.

Мы рассмотрели механизм проводимости идеальных полупроводников. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников.

Проводимость чистых полупроводников (собственная проводимость) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места парноэлектронных связей (дырочная проводимость).

Список литературы

1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев: «Физика 10 кл.», Просвещение, М. 1990 г.

После опытов Гальвани над мышцей лягушки в 1791 г. начинается изучение гальванизации и применение постоянного тока для лечения заболеваний.

Электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц: электронов в металлических проводниках и ионов в электролитах (растворы кислот, солей, оснований).

Электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц: электронов в металлических проводниках и ионов в электролитах (растворы кислот, солей, оснований).

Способность веществ проводить электрический ток называется электропроводностью.

Существуют проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники делятся на:

1) проводники I рода: в них происходит однонаправленное движение электронов от « + » к «-» (это металлы);

2) проводники II рода: в них происходит разнонаправленное движение электронов, ионов (противоположно направленное). Биоткани - это проводники II рода.

При наличии разницы электрического напряжения на двух токах металлического проводника электрический ток пойдет в нем от точки, имеющей большой потенциал, к точке с меньшим потенциалом (ток течет). Если эта разница напряжения между точками будет поддерживаться некоторое время, то ток получит одно направление в течение всего этого времени, т.е. по проводнику установится течение постоянного тока. Он будет иметь и постоянную силу в случае, когда разница потенциалов, т.е. электродвижущая сила (напряжение), не будет изменяться.

Ток, который не меняет своего направления и силы, получил название гальванического тока, или постоянного тока, и графически изображается в виде прямой линии (рис. 2.1). При прохождении постоянного тока через тело человека возникает постоянное электрическое иоле, т.е. человеческий организм становится сложным электрическим проводником. Организм в целом, а также его различные ткани представляют собой сложный электролитический раствор. Величина электропроводности зависит от содержания в тканях жидкости.

Жидкие среды организма: кровь, лимфа, моча, спинномозговая жидкость - обладают наибольшей электропроводностью.

К хорошим проводникам также относятся внутренние органы и мышечная ткань, а к плохим - кость, жировая ткань. Большим сопротивлением проводимости обладает кожа, особенно ее роговой слой. В коже ток проходит в основном через протоки потовых и сальных желез, межклеточные пространства эпидермиса.

Рис. 2.1. Графическое изображение постоянного и импульсного токов

Прохождение электрического тока через ткани организма связано с переносом вещества. Ионы тканей человека, когда соприкасаются с проводниками I рода (металлические пластины аппарата - электроды), превращаются в нейтральные атомы, так как теряют свой заряд. Происходит процесс электролиза: молекулы, потеряв свой заряд, распались на атомы, и эти атомы вступают в реакцию с другими атомами, в других сочетаниях, образуя совершенно другие вещества - продукты электролиза.

Электрический ток характеризуется, прежде всего, количеством зарядов, протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Для обозначения этого количества зарядов пользуются понятием силы тока. За единицу силы тока принят ампер. В электролечении чаще приходится иметь дело с тысячными долями ампера - миллиамперами.

Для того чтобы электрические заряды перемещались между двумя точками проводника, необходимо, чтобы между ними существовала разница потенциалов - напряжение. За единицу разницы потенциалов принят вольт.

Но каждый проводник еще и обладает сопротивлением. За единицу сопротивления принят Ом. 1 Ом - сопротивление проводника, по которому при разнице потенциалов в 1 Вольт течет ток силой 1 Ампер. Согласно Закону Ома сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПРОВОДНИКАХ Проводники делят на два вида в зависимости от типа носителей электрического заряда, образующих электрический ток. В проводниках первого вида (металлы) ток образуется свободными электронами, поэтому электропроводность их называется электронной. В проводниках второго вида (расплавленные соли, растворы солей, кислот, щелочей) носителями электрического заряда являются ионы- заряженные атомы и молекулы. Электронная теория строения металлов Представление об электронной структуре атомов послужило основанием для классической теории строения металлов. В этой теории учитывается, что валентные электроны наружного слоя уединенного атома слабо связаны с ядром. При образовании кристаллов на электроны каждого атома действуют ядра других атомов. В этих условиях некоторые валентные "электроны утрачивают постоянную связь с одним ядром и переходят от одного атома к другому. Такие электроны называют свободными. Атомы, потерявшие электроны из валентного слоя, становятся положительными ионами и располагаются в узлах кристаллической решетки, совершая тепловые колебания около положения равновесия. Общий заряд свободных электронов в кристалле равен положительному заряду ионов, поэтому кристалл остается электрически нейтральным. Свободные электроны тоже участвуют в хаотическом тепловом движении, но перемещаются по всему кристаллу, образуя своеобразный электронный газ. Предполагается, что свободные электроны обладают свойствами молекул идеального газа: они не взаимодействуют на расстоянии между собой и с другими частицами металла, но при своем движении могут сталкиваться с ионами кристаллической решетки. Электронная теория строения металлов была разработана в связи с общей проблемой электропроводности веществ. Электропроводность, теплопроводность, электрическое сопротивление легко объяснить при введении понятия о свободных электронах. ряда веществ отсутствием свободных электронов, i акис „ешества называют диэлектриками. Однако не все электрические свойства твердых тел, в том числе и металлов, можно объяснить с помощью электронной теории. Применение ее в ряде случаев противоречит опытным данным. Явление электрического тока проводимости На заряженные частицы в электрическом поле действуют электрические силы F3. Если электрическое поле поддерживается в проводнике, то свободные заряженные частицы, участвующие в тепловом беспорядочном движении, приобретают составляющие скорости вдоль линий напряженности поля. При этом условии частицы движутся преимущественно в одном направлении: положительные - по направлению поля, а отрицательные- в обратную сторону. Явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или в вакууме называется электрическим током проводимости. Частицы, образующие ток в веществе проводников, являются структурными элементами самих проводников. Поэтому электрический ток в проводниках второго вида сопрождается химическими изменениями и переносом вещества (например, явление электролиза). Так как все электроны одинаковы, то в проводниках первого вида электрический ток не сопровождается изменением химического состава проводника. Не обнаруживается и перенос вещества, так как масса электронов очень мала по сравнению с массой ядра. Величина электрического тока проводимости Интенсивность электрического тока оценивается физической величиной, называемой силой электрического тока. В практике эту величину называют электрическим током или просто током. Величина тока проводимости определяется электрическим зарядом всех частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Предположим, что через поперечное сечение проводника S за время t равномерно проходит п электронов. Заряд каждого электрона е, поэтому общий заряд частиц, прошедших через сечение за это время, Q = en. Отношение Q/t = en/t = I (2.1) выражает заряд, перенесенный электронами через сечение проводника за 1 с, т. е. ток /. Единица измерения электрического тока ампер (А) в Международной системе единиц является одной из основных. производные от ампера: 1 ки-лоампер (кА)=103А-для измерения больших токов; 1 миллиампер (мА)=10~3 А и 1 микроампер (мк А) = 10 ~ 6 А-для измерения малых токов. Положительным направлением электрического тока условно принято считать направление, в котором движутся положительно заряженные частицы. В металлах положительное направление тока противоположно направлению движения электронов. Электрический ток, длительно не изменяющийся по величине и направлению, называется постоянным (7 на рис. 2.1). Таким образом, для постоянного тока характерно изменение заряда в одном направлении с одинаковой интенсивностью. Если ток с течением времени изменяется, то он называется переменным (2,5 на рис. 2.1). В этом случае по оси ординат на графиках откладываются мгновенные значения тока, которые определяются изменением заряда q за бесконечно малый промежуток времени: Рис. 2.1 (2.2) dq d t" 1 = На кривой 3 (рис. 2.1) показан мгновенный ток /(fj в момент времени tt. В практических расчетах пользуются понятием плотности электрического тока проводимости J. При токе в проводнике / и поперечном сечении проводника S численно плотность тока определяется отношением J-I/S. (2.3) Единица плотности тока [У] = ампер/метр2 (А/м2). В практике площадь поперечного сечения проводов чаще выражают в мм2 и соответственно плотность тока - в А/мм2. При постоянном токе, несмотря на движение заряженных частиц в проводнике, распределение заряда в нем стационарно, так как в любом элементе объема за некоторый промежуток времени заряд уходящих и входящих частиц одинаков. Электрическое поле, связанное с движущимися заряженными частицами в проводнике, называется стационарным в отЭлектрический ток в проводнике и соответствующее ему цИОнарное электрическое поле нужно поддерживать, непрерывно пополняя энергию поля, которая расходуется в связи f! движением заряженных частиц, превращаясь в теплоту. 3 Задачи Задача 2.1. Линия до розетки выполнена проводом, площадь поперечного чения которого S, =4 мм2. Гибкий шнур, соединяющий настольную лампу ^розеткой, имеет сечение S2 = 2,5 мм2, а) На каком участке плотность тока больше? б) Сравнить заряды, проходящие через поперечное сечение провода, на обоих участках. Задача 2.2. В целях пожарной безопасности для проводов устанавливаются допустимые величины тока /до„ и плотности тока Удоп. Для проводов, указанных в приложении 3, сравнить величины: а) допустимого тока; 6) допустимой плотности тока. Задача 2.3. Начертить зависимость заряда от времени q(t), соответствующую постоянному току (прямая 1 на рис. 2.1). Задача 2.4. Уравнение тока (кривая 3 на рис. 2.1) /=20 sin -314/. Определить величину тока в момент времени г, =5/3 10 ~3 с. Задача 2.5. Уравнение тока (кривая 2 на рис. 2.1) i = 40e""\ где т = 0,5 с. Определить мгновенную величину тока в моменты времени fi=0; t2 = 0,5 с. § 2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. ЗАКОН ОМА Опытами установлено, что интенсивность электрического тока пропорциональна напряженности электрического поля и зависит от свойств проводящего вещества. Для практических целей представляет интерес определение величины тока в проводнике, если известны его форма и размеры. Электрическая проводимость Плотность электрического тока в проводнике выражается произведением напряженности электрического поля Е и удельной электрической проводимости у: J=yE. (2.4) Удельная электрическая проводимость характеризует электропроводность вещества, т. е. способность к образованию внутри вещества электрического тока под действием электрического поля. Рассмотрим отрезок проводника длиной / и поперечным сечением 5 (рис. 2.2). Наличие электрического поля в проводнике означает, что потенциал его изменяется при переходе от точки к точке, т. е. проводник не концами можно выразить по формуле (1.5): U-EI. Считая электрический ток равномерно распределенным по сечению (У=const) и учитывая формулу (2.4), получим 1 _ и s_YT" отсюда /=у С/. Отношение - = y- = G (2.5) и I v " называется электрической проводимостью проводника и обозначается G. Электрическая проводимость показывает, какой величины ток образуется в проводнике данных размеров при напряжении на его концах в 1 В. Единица электрической проводимости: = = ампер/вольт = сименс (См). Электрическое сопротивление Зависимость (2.5) можно записать в таком виде: Ujl-R, тогда I=U/R, (2.6) где R-1/G-величина, обратная проводимости, называемая электрическим сопротивлением проводника. Электрическое сопротивление - это противодействие, которое атомы и молекулы проводника оказывают направленному движению зарядов в проводнике. Свойства токопроводящего материала характеризуются также величиной, обратной удельной проводимости у, называемой удельным сопротивлением р-1/у. (2.7) Учитывая формулы (2.5) и (2.7), можно записать выражение для сопротивления проводника через его размеры R = U/I=l/yS=pl/S. (2.8) Единицей электрического сопротивления является сопротивление такого проводника, в котором при разности потенциалов на концах в 1 В устанавливается ток в 1 А: [Л ] = = вольт/ампер = ом (Ом). По формулам (2.5) и (2.8) можно определить величины удельной проводимости у, удельного сопротивления р и единицы их измерения. В СИ [у]=1/(Омм) и [р] = Омм. часто дается в м/(Ом мм), а удельное сопротивление--в ОМ мм2/м. Для полупроводников и диэлектриков величина р обычно „сражается в Ом см. Выражение (2.6), т. е. 1= U/R закона Ома для пассивного участка электрической цепи. А выражения: U-IR и R= U/I\ являются производными закона Ома для пассивного участка электрической цепи. Ток в проводнике равен отношению напряжения на участке проводника к электрическому сопротивлению этого участка. Зависимость электрического сопротивления от температуры Электронная теория электропроводности так объясняет сущность электрического сопротивления металлов. Свободный пробег электронов ограничен соударением их с ионами, образующими кристаллическую решетку. При столкновении кинетическая энергия электронов передается кристаллической решетке металла. После каждого столкновения электроны под действием сил электрического поля снова набирают скорость и отдают энергию при столкновении. При этом проводник нагревается за счет работы сил электрического поля. Электроны выполняют роль посредника при преобразовании электрической энергии в теплоту, а величина сопротивления при данном токе определяется количеством энергии, преобразуемой в единицу времени (см. § 3.3). При увеличении температуры проводника усиливается тепловое хаотическое движение частиц, что увеличивает число столкновений и затрудняет упорядоченное движение электронов. Этим объясняется увеличение удельного электрического сопротивления металлов с ростом температуры. Почти у всех металлов при рабочих температурах удельное сопротивление с ростом температуры увеличивается по линейному закону pa = p,, (2.9) где рь р2 - удельные сопротивления при начальной и конечной температуре; а - постоянный для данного металла коэффициент, называемый температурным коэффициентом сопротивления; tx и 1г - начальная и конечная температура. Для проводников второго рода величина а отрицательна, следовательно, с увеличением температуры их сопротивление уменьшается за счет усиления (увеличения) ионизации. Сопротивление проводников (коэффициент а дан в приложении 2) определяется выражением: R2 = Rt . личину удельного сопротивления (проводимости), не зависящую от тока и напряжения. Малая величина коэффициента а обусловливает постоянство удельного сопротивления в рабочем интервале температур (от 0 до 100° С), поэтому изменение тока в рабочих пределах не вызывает изменения сопротивления (Л = const). Зависимость между током и напряжением I(U) (вольт-амперная характеристика), выраженная графически, имеет вид прямой линии, проходящей через начала координат (рис. 2.3). Чем больше проводимость, тем больший ток образуется в проводнике при том же напряжении, поэтому вольт-амперная характеристика проводника идет круче при большей величине проводимости. Задачи Задача 2.6. Определить сопротивление медного провода двухпроводной линии передачи при /,=20° С и 12-30° С, если сечение провода 5=120 мм2, а длина линии /=100 км. Решение. Из приложения 2 находим удельное сопротивление р меди при t, =20° С и температурный коэффициент сопротивления а: р = 0,0175, Омхмм2/м; а = 0,004 град"1. Определим Сопротивление провода при t: =20" С по формуле (2.8), учитывая длину прямого и обратного проводов линии: 100000-2 Л, =0,0175----=29,16 Ом. Сопротивление провода при Г2 = 30° С Л2 = 29,16 (1 + 0,004 ? (30 - 20)) = 30,32 Ом. Задача 2.7. Определить температуру обмотки якоря генератора постоянного тока при работе, если сопротивление ее составляет 0,12 Ом. До начала работы при 20° С сопротивление обмотки было 0,1 Ом. Обмотка выполнена медным проводом. Задача 2.8. Катушка из медной проволоки имеет N=2000 витков, средний диаметр витка D= 127 мм, диаметр проволоки d= 2 мм. Определить сопротивление катушки при 0, 20, 60° С. Задача 2.9. Двухпроводная линия длиной 2 км имеет при 40° С сопротивление 2,5 Ом. Из какого материала (медь, алюминий, сталь) изготовлены провода этой линии, если их сечение 50 мм2?

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПРОВОДНИКАХ

Характеристики электрического тока. Классическая теория электропроводности металлов. Законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. Законы постоянного тока в интегральной форме. Характеристики электрической цепи, э.д.с. Соединения сопротивлений и э.д.с. Правила Кирхгофа.

Электродинамика

электрических зарядов

Электрический ток

ток проводимости

Механическое движение

конвекционный ток

направление движения положительных зарядов

Условия

свободных носителей тока

существование

электрического поля

Силой электрического тока

Для постоянного тока

вектором плотности тока

В общем виде вектор плотности тока определяется из соотношения

Для постоянного тока

закон Ома в дифференциальной форме

Где γ – удельная проводимость среды (удельная электропроводность ); ρ – удельное эектрическое сопротивление среды .

Закон Ома основан на двух предположениях:

а) концентрация электронов проводимости не зависит от напряженности электрического поля в проводнике; б) средняя скорость упорядоченного движения электронов во много раз меньше средней скорости их теплового движения