Электрический ток в металлах

Носители свободных зарядов в металлах - свободные электроны, которые упорядоченно перемещаются вдоль проводника под действием эл.поля с постоянной средней скоростью (из-за тормозного действия положительно заряженных ионов кристаллической решетки). Металлы обладают электронной проводимостью.

Зависимость сопротивления проводника R от температуры:

При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление. Удельное сопротивление проводника зависит от температуры: где ро - удельное сопротивление при 0 градусов, t - температура,  - температурный коэффициент сопротивления ( т.е. относительное изменение удельного сопротивления проводника при нагревании его на один градус)

Для металлов и сплавов  Обычно для чистых металлов принимается  Таким образом, для металлических проводников с ростом температуры увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника  и уменьшается эл.ток в цепи.

Сопротивление проводника при изменении температуры можно рассчитать по формуле:

R = Ro ( 1 +  t )

где Ro - сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия t - температура проводника  - температурный коэффициент сопротивления

Явление сверхпроводимости

Открытие низкотемпературной сверхпроводимости:  1911г. - голландский ученый Камерлинг - Оннес наблюдается при сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах; при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится исчезающе малым.

В 1957 г. дано теоретическое объяснение явления сверхпроводимости: Купер (США), Боголюбов (СССР)

1957г. опыт Коллинза: ток в замкнутой цепи без источника тока не прекращался в течение 2,5 лет.

В 1986 г. открыта (для металлокерамики) высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

Трудность достижения сверхпроводимости: - необходимость сильного охлаждения вещества

Область применения: - получение сильных магнитных полей; - мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.

В настоящий момент в энергетике существует большая проблема - большие потери электроэнергии при передаче ее по проводам.

Возможное решение проблемы: при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0 и потери энергии резко уменьшаются.

___

Вещество с самой высокой температурой сверхпроводимости В 1988 г. США, при температуре –148°С было получено явление сверхпроводимости. Проводником служила смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди – Тl2Са2Ва2Сu3Оx.

Билет 21:

Гармоническое колебание — явление периодического изменения какой-либо величины, при котором зависимость от аргумента имеет характер функции синуса или косинуса. Например, гармонически колеблется величина, изменяющаяся во времени следующим образом:

или

,

где х — значение изменяющейся величины, t — время, остальные параметры — постоянные: А — амплитуда колебаний, ω — циклическая частота колебаний,   — полная фаза колебаний,   — начальная фаза колебаний.

Обобщенное гармоническое колебание в дифференциальном виде

(Любое нетривиальное^[1] решение этого дифференциального уравнения — есть гармоническое колебание с циклической частотой  )

Виды колебаний. Рассмотрим причины, по которым колебания рассматриваются в курсе "Механика" и выделяются в самостоятельный раздел. Они заключаются в следующем:

	колебания являются одним из видов движения тел;
	законы колебательного движения имеют фундаментальное значение, поскольку в окружающем нас мире существуют колебания различной физической природы (например, механические и электромагнитные), описываемые с единой точки зрения с помощью однотипного математического аппарата;
	уравнения колебаний служат основой для описания волновых (механических и электромагнитных) процессов.

Среди всех колебаний особая роль отводится гармоническим ввиду следующих причин:

	распространенность данного вида движения;
	возможность обобщения полученных результатов на другие процессы (например, любое периодическое колебание можно представить в виде суммы гармонических колебаний).

Колебание – повторяющийся процесс изменения некоторой физической величины около ее среднего значения. В механических колебаниях речь идет об описании изменения во времени отклонения тела от положения равновесия.

Форма колебаний может быть разной. Выделяют непериодические, периодические и гармонические колебания

Определение гармонических колебаний. Гармоническими называются колебания, при которых описываемая физическая величина изменяется по закону синуса или косинуса. Уравнение кинематики гармонических колебаний имеет следующий вид:

x = A·cos(2·t/T +₀),     (9.1) где х - колеблющаяся величина, t - время; А, Т,  - константы для данного колебания, называемые параметрами. 

Гармонические колебания являются частным случаем периодических колебаний.

Параметры гармонических колебаний. Постоянные величины А, Т, , входящие в уравнение (9.1), называются параметрами колебания. Рассмотрим их физический смысл.

Из (9.1) следует, что в случае, если соs(2·t/Т + ) = ± 1, то  значение модуляx максимально, т.е. |x| = x_max = A. Величину А, равную наибольшему значению колеблющейся физической величины, назовем амплитудой колебания. 

В случае изменения времени на величину, кратную T, аргумент функции косинус изменится на величину, кратную 2, а х и ее производная примут первоначальные значения:

x(t) = x(t + n·T),   (t) = (t + n·T) где Т - период, минимальное время, по истечение которого процесс колебаний  полностью повторяется$ n - целое число.

Период колебаний - наименьшее время по истечении которого движение полностью повторяется, т.е. сама колеблющаяся величина и ее скорость принимают прежние значения.

Величина, обратная периоду колебаний Т, называется частотой  = 1/Т. Частота - есть число колебаний, совершаемое системой, за 1 секунду. Циклическая или круговая частота - есть число колебаний за 2секунд w = 2/Т = 2·.

Мгновенное значение физической величины х определяется значением аргумента функции косинус, который называется фазой колебаний: 

Билет 22: Опыты и примеры показали нам, какие свойства имеют твердые, жидкие и газообразные тела.

Знания о строении вещества помогут объяснить эти свойства.

Лед, вода и водяной пар - три агрегатных состояния одного и того же вещества - воды. Значит, молекулы льда, воды и водяного пара не отличаются друг от друга. А раз так, тоэти три состояния различаются не молекулами, а тем, как эти молекулы расположены и как движутся.

Как же расположены и как движутся молекулы газа, жидкости и твердого тела?

Газ можно сжать так, что его объем уменьшится в несколько раз. Значит, в газах расстояние между молекулами много больше размеров самих молекул.

В среднем расстояния между молекулами газов в десятки раз больше размеров самих молекул. На таких расстояниях молекулы очень слабо притягиваются друг к другу. По этой причине газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Нельзя заполнить газом, например, половину бутылки или стакана, так как, двигаясь во всех направлениях и почти не притягиваясь друг к другу, молекулы газа быстро заполнят весь сосуд.

Свойства жидкостей объясняются тем, что промежутки между их молекулами малы: молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул. На таких расстояниях притяжение молекул друг к другу уже значительно. Поэтому молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем. Однако притяжение молекул жидкости еще не настолько велико, чтобы жидкость сохраняла свою форму. Этим объясняется то, что жидкости в условиях действия силы тяжести принимают форму сосуда, в котором находятся, и то, что их легко разбрызгать и перелить в другой сосуд.

Сжимая жидкость, мы сближаем ее молекулы настолько, что они начинают отталкиваться друг от друга. Вот почему жидкость так трудно сжать.

Твердые тела в обычных условиях сохраняют и объем, и форму. Это объясняется тем, что притяжение между их частицами еще больше, чем у жидкостей.

Частицы (молекулы или атомы) большинства твердых тел, таких, как лед, соль, алмаз, металлы, расположены в определенном порядке.

Такие твердые тела называют кристаллическими. Хотя частицы этих тел и находятся в движении, но движение это представляет собой колебания около определенных точек (положений равновесия). Частицы не могут уйти далеко от этих точек, поэтому твердое тело сохраняет свою форму и объем.

На рисунке 80 показано расположение молекул одного и того же вещества - воды в трех разных состояниях: твердом (а), жидком (б) и газообразном (в). Различие в расположении и движении молекул в этих состояниях объясняет различие в свойствах льда, воды и водяного

Пара. Подведем итоги. Изучение строения вещества показывает, что: 1)    все вещества состоят из мельчайших частиц - молекул и атомов; 2)    частицы вещества непрерывно и беспорядочно движутся; 3)    частицы вещества взаимодействуют друг с другом.

Эти три положения называют основными положениями молекулярно-кинематической¹ теории строения вещества.

Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственнонематические и холестерические жидкие кристаллы.

Полимеры (греч. πολύ- — много; μέρος — часть) — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются.^[1] Как правило, полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.^[2]

Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей — реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвленным, например,амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами.

В строении полимера можно выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (—СН₂—CHCl—)_n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки,нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-:полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Билет 23:

Переме́нный ток, AC (англ. alternating current — переменный ток) — электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению.

Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае мгновенные значения тока и напряжения изменяются погармоническому закону.

В устройствах-потребителях постоянного тока переменный ток часто преобразуется выпрямителями для получения постоянного тока.

ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ НА РАССТОЯНИЕ

Перед электриками всего мира в полный рост вставала проблема передачи энергии на расстояние. Здесь уместно напомнить, что с увеличением длины проводов растет их сопротивление, а следовательно, увеличиваются и потери мощности на нагревание самой линии передачи. И к потребителю в конце линии приходит значительно меньшая мощность. Единственный способ уменьшить потери инженеры видели в увеличении толщины проводов. Но это упиралось в экономическую нецелесообразность таких линий. В 1874 году после серии опытов изобретатель, артиллерийский офицер Федор Аполлонович Пироцкий сформулировал новые условия для дальней передачи. Он писал: «При малом же внутреннем сопротивлении в машинах они могут действовать лишь при малом только внешнем сопротивлении, т.е. при недлинной проволоке». Получалось, что для обеспечения дальних передач нужно было уменьшить ток во внешней цепи. Но как? Пироцкий найти решения не сумел и стал заниматься опытами по передаче электроэнергии по рельсам железных дорог. Тогда за разработку этой важнейшей проблемы времени взялся Лачинов. В сравнительно небольшой статье, напечатанной в журнале «Электричество», он изложил свои выводы. Это была серьезная, основополагающая работа, выполненная на высоком научном уровне. Дмитрий Александрович рассмотрел практически все основные вопросы, касающиеся современной ему теории электрогенераторов, двигателей и линий передач. Согласно выводам Лачинова, при увеличении сопротивления проводов, то есть с ростом длины линий передачи, для сохранения коэффициента полезного действия следовало увеличивать скорость вращения машин как на передающем, так и на приемном концах линии. Увеличивать скорость пропорционально корню квадратному из сопротивления. Он писал: «Если, например, увеличим (сопротивление проводов — А.Т.) в 100 раз, то при передаче того же числа лошадиных сил скорость будет десятерная». И тут же в примечании добавлял: «…а сила тока одна десятая первоначальной». При увеличении скорости вращения якорей генераторов, понятно, росла их электродвижущая сила. Так был сформулирован основной принцип передачи электроэнергии на большие расстояния — линии должны быть высоковольтными. К сожалению, должной оценки его труды не получили. Идеи линий передачи электроэнергии на большие расстояния были злободневны. Эту задачу решали в разных странах, В Америке ею занимался Эдисон, в Германии — служащий фирмы «Сименс — Гальске» некто Оскар Фрелих, во Франции — Марсель Депре… На Мюнхенской электротехнической выставке в 1882 году Депре построил и демонстрировал первую в Европе силовую электропередачу Мисбах — Мюнхен, передававшую энергию на расстояние 57 километров по обыкновенной телеграфной проволоке. Это достижение произвело впечатление. Теперь можно было сказать, что электричество шло не только на смену громоздкой и неэкономичной паровой машине, оно давало возможность в будущем использовать огромные запасы низкосортного топлива, до того понапрасну пропадавшего вдалеке от промышленных центров. Скрытая энергия могла по проводам доставляться куда нужно. Мало того, электрические машины-генераторы вкупе с линиями передачи позволяли приступить к использованию энергии горных рек и водопадов. Перспективы открывались головокружительные, если бы… Ах, это «если»! Как оно мешает всегда непрерывному движению прогресса в любой отрасли…

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — электрическая машина, состоящая из набора индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока без изменения частоты систем(системы) переменного тока^[1].

Электрическая машина — это электромеханический преобразователь энергии^[1], основанный на явлениях электромагнитной индукции и силы Лоренца, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле.

Возможность создания электрической машины как электромеханического преобразователя базируется на электромагнитном взаимодействии, которое осуществляется посредством электрического тока и магнитного поля. Электрическая машина, в которой электромагнитное взаимодействие осуществляется при помощи магнитного поля называется индуктивной, а в которой при помощи электрического — ёмкостной. Ёмкостные машины практически не используются, так как при конечной проводимости воздушной среды (при наличии влаги) заряды будут исчезать из активной зоны электрической машины в землю (то есть огромные потери энергии).