Электрический ток

.     (22) 

      Второе  правило Кирхгофа является обобщением закона Ома на разветвленные электрические цепи. Оно звучит так: В любом замкнутом контуре разветвленной электрической цепи алгебраическая сумма I_i на сопротивления R_i соответствующих участков этого контура равна сумме приложенных в нем ЭДС e_i 

      .     (23) 

      Для составления уравнения необходимо выбрать направление обхода (по часовой стрелке или против нее). Все токи, совпадающие по направлению с обходом контура, считаются положительными. ЭДС источников тока считаются положительными, если они создают ток, направленный в сторону обхода контура. Так, например, правило Кирхгофа для I, II, III к. 

I – e₁ + e₂ = –I₁r₁ – I₁R₁ + I₂r₂ + I₂R₂.

II – e₂ + e₃ = –I₂r₂ – I₂R₂ – I₃r₃ – I₃R₃.

III – e₁ + e₃ = –I₁r₁ – I₁R₁ – I₃r₃ – I₃R₃. 

      На  основании этих уравнений производится расчет цепей. 
 

6. Контактная разность  потенциалов. Термоэлектрические  явления. 

      Электроны в металле находятся в беспорядочном тепловом движении. Электроны, обладающие наибольшей кинетической энергией, могут вылететь из металла в окружающее пространство. При этом они совершают работу против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникающего в результате вылета электронов, образующих вокруг проводника “электронное облако”. Между электронным газом в металле и “электронным облаком” существует динамическое равновесие.

      Работа  выхода электрона – это работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в безвоздушное пространство.

      Недостаток  электронов в проводнике и избыток  в окружающем его пространстве проявляется  в очень тонком слое по обе стороны  поверхности проводника (несколько  межатомных расстояний в металле). Следовательно, поверхность металла представляет собой двойной электрический слой, подобный очень тонкому конденсатору.

      Разность  потенциалов между обкладками конденсатора зависит от работы выхода электрона. 

      ,     (24) 

где е – заряд электрона;

      Dj – контактная разность потенциалов между металлом и  
          окружающей средой;

      А – работа выхода (электрон-вольт  – Э-В). 

      Работа  выхода зависит от химической природы  металла и состояния его поверхности (загрязнение, влага).

      Возникновение контактной разности потенциалов между  соприкасающимися металлическими проводниками было открыто в конце XVIII в. итальянским  физиком Вольтом. Он экспериментально установил два закона Вольта:

1. При соединении  двух проводников, изготовленных  из различных металлов, между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит только от химического состава и температуры.

2. Разность потенциалов  между концами цепи, состоящей  из последовательно соединенных  металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников. Она равна контактной разности потенциалов, возникающих при непосредственном соединении крайних проводников. 

Термоэлектрические  явления. 

      Рассмотрим  замкнутую цепь, состоящую из двух металлических проводников 1 и 2. ЭДС, приложенная к этой цепи равна алгебраической сумме всех скачков потенциала 

      .    (25) 

Если температуры  слоев равны,

      , то  e=0. 

Если температуры  слоев различны, например,   , тогда 

      ,     (26) 

где a – постоянная, характеризующая свойства контакта двух металлов. 

      В этом случае в замкнутой цепи появляется термоэлектродвижущая сила, прямо пропорциональная разности температур обоих слоев.

      Термоэлектрические  явления в металлах широко используются для измерения температуры. Для  этого используются термоэлементы или термопары, представляющие собой две проволоки, изготовленные из различных металлов и сплавов. Концы этих проволок спаяны. Один спай помещается в среду, температуру Т₁ которой нужно измерить, а второй – в среду с постоянной известной температурой.

      Термопары имеют ряд преимуществ перед  обычными термометрами: позволяют измерять температуры в широком диапазоне от десятков до тысяч градусов абсолютной шкалы. Термопары обладают большой чувствительностью и поэтому дают возможность измерять очень малые разности температур (до 10^-6 град.). Например: железо-константан измеряют температуру до 500 °С и имеют чувствительность 5,3 × 10^-5 в/град; платина-платинородий (90% платины и 10% родия) имеют чувствительность 6 × 10^-6 в/град и применяется для измерения температур от самых низких до тысяч градусов.

      С помощью термопары можно следить  за изменением температуры во времени. Возможность установить гальванометр на значительном расстоянии позволяет применять термопары в автоматических устройствах. Для увеличения чувствительности термопар применяются их последовательные соединения, называемые термобатареями. 
 

7. Электрический ток в различных средах. 

      Электрический ток в газах. 

      Газы  в нормальных условиях являются диэлектриками, состоят их электрически нейтральных атомов и молекул.

      При ионизации газов возникают носители электрического тока (положительные  заряды).

      Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Для осуществления газового разряда к трубке с ионизированным газом должно быть электрическое или магнитное поле.

      Ионизация газа может происходить под влиянием внешних воздействий – сильного нагревания, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, радиоактивных излучений, при бомбардировке атомов (молекул) газов быстрыми электронами или ионами.

      Мерой процесса ионизации является интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположно заряженных частиц, возникающих в единичном объеме газа за единичный промежуток времени.

      Ударной ионизацией называется отрыв от атома (молекулы) одного или нескольких электронов, вызванный соударением с атомами или молекулами газа электронов или ионов, разогнанных электрическим полем в разряде.

1. Несамостоятельный газовый разряд – это электропроводность газов, вызванная внешними ионизаторами.

      Вольтамперная характеристика газового разряда: по мере увеличения U растет число заряженных частиц, достигающих электрода и возрастает ток до I=I_к, при котором все заряженные частицы достигают электродов. При этом U=Uк

      ,      (27)

ток насыщения 

где е – элементарный заряд;

      N₀ – максимальное число пар одновалентных ионов, образующихся  
         в объеме газа за 1 с. 

      Крутое  возрастание тока на участке АВ связано с возникновением ударной ионизации. 

2. Самостоятельный газовый разряд – разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Поддерживается и развивается за счет ударной ионизации.

      Несамостоятельный газовый разряд переходит в самостоятельный  при U_з – напряжении зажигания. Процесс такого перехода называется электрическим пробоем газа.

      В зависимости от давления газа и от напряжения различают:

1) тлеющий разряд;

2) коронный разряд;

3) искровой разряд;

4) дуговой разряд.

      Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, газовых лазерах.

      Коронный  разряд – применяется при обеззараживании семян сельскохозяйственных культур.

      Искровой  разряд – молния (токи до нескольких тысяч Ампер, длина – несколько километров).

      Дуговой разряд (Т=3000 °С – при атмосферном давлении, температура газа равна 5000…6000 °С). Используется как источник света в мощных прожекторах, в проекционной аппаратуре.

      Плазма – особое агрегатное состояние вещества, характеризующееся высокой степенью ионизации его частиц.

      Плазма  подразделяется на

– слабо ионизированную (a – доли процента – верхние слои атмосферы, ионосфера);

– частично ионизированную (несколько %);

– полностью ионизированную (солнце, горячие звезды, некоторые межзвездные облака).

      Искусственно созданная плазма используется в газоразрядных лампах, плазменных источниках электрической энергии, магнитодинамических генераторах. 

      Эмиссионные явления:

1. Фотоэлектронная эмиссия – вырывание под действием света электронов с поверхности металлов в вакууме.

2. Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании.

3. Вторичная электронная эмиссия – встречный поток электронов с поверхности, бомбардируемой электронами в вакууме.

      Приборы, основанные на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами. 

      Диод, триод рассмотреть самостоятельно. 

Электрический ток в твердых  телах. 

      Металл  представляет собой кристаллическую решетку. Положительно заряженные ионы-узлы создают внутри металла электрическое поле. Узлы решетки расположены в строгом порядке, поэтому создаваемое ими поле является периодической функцией координат. Поэтому электроны могут находиться только в определенных состояниях, соответствующих дискретным значениям их энергии.

      Так как в твердых телах электрон взаимодействует не только со своим  атомом, но и с другими атомами  кристаллической решетки, происходит расщепление энергетических уровней  атомов с образованием энергетической полосы.

      На  рис. показано расщепление уровней энергии изолированных атомов при их сближении и образовании энергетических полос. 

      Энергия этих электронов может находиться в  пределах заштрихованных областей, называемых разрешенными энергетическими зонами. Дискретные уровни разделены областями недозволенных значений энергии – запрещенными зонами (ширина их соизмерима с шириной запретных зон).

      Различия  в электрических свойствах различных  типов твердых тел объясняется:

1) шириной запрещенных  энергетических зон;

2) различным  заполнением электронами разрешенных энергетических зон  
    (пров. диэлектр.). 
 

8. Ток в жидкостях.  Электролиз. Законы  Фарадея. 

      Наблюдения  показали, что многие жидкости очень  плохо проводят электрический ток (дистиллированная вода, глицерин, керосин  и т. д.). Водные растворы солей, кислот и щелочей хорошо проводят электрический ток.