Физика

Лекция 6

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

1.1.Понятие электрического тока и условия его существования.

Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц. Условия существования электрического тока:

1.Наличие свободных заряженных частиц в проводнике.

2.Электрическое поле, под действием которого заряженные частицы будут двигаться упорядоченно.

За положительное направление электрического тока принимается направление движения положительно заряженных частиц.

Проводники делятся на проводники первого и второго рода.

К проводникам первого рода относятся все металлы и их сплавы, носителем электрического заряда в проводнике первого рода являются свободные электроны.

К проводникам второго рода относятся электролиты. Растворы и расплавы веществ, которые проводят электрический ток (щелочи, кислоты, соли, воду). Носителями зарядов в проводниках второго рода являются ионы.

1.2.Параметры электрического тока.

Сила тока. Силой тока называется количество заряженных частиц, проходящих через поперечное сечение проводника за единицу времени.

[I] = А

I = dq dt

Напряжение – разность потенциалов на концах проводника.

U= ϕ 1- ϕ 2 [U]=B.

Электрическое сопротивление - способность проводника препятствовать

Рисунок 40.

Сопротивление зависит от длины проводника, от площади поперечного сечения проводника (рис.40), и от рода проводника.

51

Удельное сопротивление указывает на род проводника.

R = ρ l ρ = RS

Также сопротивление проводника зависит от температуры проводника. В проводниках первого рода с увеличением температуры сопротивление увеличивается, так как увеличивается число столкновений электронов, движущихся в потоке с узлами кристаллической решетки. А в проводниках второго рода наоборот: с увеличением температуры сопротивление уменьшается, так как увеличивается количество заряженных частиц и уменьшается вязкость жидкости.

R=R0 (1+at)

a- температурный коэффициент

R0- сопротивление данного проводника при 00С

Плотность тока.

j = I

S

[ j] = A

м2

Отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника.

1.3.Основные законы

Закон Ома для участка цепи.

Сила тока на участке цепи пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка цепи.

I=U/R.

Закон Ома в дифференциальной форме.

R = ρ l S

I = U => R = U R I

U = ρ l I S

US = ρlI |: S

U = ρlI = ρlj

S

U = jρl

е.

j = U = 1 U = γE

ρl ρ l j = γE

52

Закон Ома для замкнутой цепи. ЭДС источника тока.

ЭДС источника тока - это работа по перемещению электрического заряда между полюсами источника тока.

ЭДС совершает работу внутри источника тока против сил электрического поля, имеет неэлектрическое

происхождения.

ξ = A q

Рисунок 41.

ЭДС источника тока - это разность потенциалов между полюсами разомкнутого источника токов.

Закон Ома для замкнутой цепи.

Зависимость между э.д.с. источника тока и силой тока в замкнутой электрической цепи, можно найти следующим образом.

R – внешнее сопротивление цепи

r – внутреннее сопротивление источника

Рисунок 42. А1 – работа по перемещению заряда внутри источника

Сила тока в замкнутой электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Для расчета сложных электрических цепей применяются правила Кирхгоффа.

В сложных разветвленных электрических цепях различают узлы и замкнутые контуры.

Узлом - называется точка, в которой сходится больше двух ветвей, причем токи, входящие в узел берутся со знаком плюс, а выходящие из него - со знаком минус.

Первое правило Кирхгоффа.

Сумма токов в узле разветвленной электрической цепи

n

равна нулю. ∑ik = 0

k =1

Рисунок 43.

53

Второе правило Кирхгоффа.

Взамкнутом контуре разветвленной электрической цепи выбирают направление обхода контура.

Взамкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма электродвижущих сил источников тока равна алгебраической сумме произведения сил тока на сопротивление соответствующих участков этого контура.

Закон Джоуля - Ленца.

При прохождении электрического тока через проводник выделяется количество теплоты, равное работе электрического тока.

Q = I 2 Rt = cm T

с - удельная теплоемкость металла. ∆Т- разность температур.

1.4. Электрический ток в электролитах

Электролиты относятся к проводникам второго рода. Электролиты вещества – растворы и расплавы которых в воде и других жидкостях проводят электрический ток. К ним относятся соли, кислоты, щелочи. Носителями заряда в электролитах являются ионы.

Молекулы электролита и растворители являются дипольными. Дипольную молекулу электролита окружают молекулы растворителя.

Молекулы растворителя разрывают молекулу электролита, в результате чего, образуется два иона, этот процесс называется электролитической диссоциацией.

В отсутствии электрического поля ионы движутся хаотично. Под действием электрического поля, катионы будут двигаться в направлении, совпадающем с направлением электрического поля (от + до -), а анионы будут двигаться противоположную сторону. Таким образом, электрический ток, в электролитах представляет собой встречное движение разноименно заряженных ионов.

Заряд иона можно выразить через его валентность.

q=ez

z- валентность иона q- заряд иона общий

e- электрон= 1.6 * 10-19 Кл.

Так как концентрация и заряд положительных и отрицательных ионов одинаковы можно записать

q+ n+ = q- n- = qn = lzn

j= lzn (V+ + V-)

Ионы, движутся, упорядочено под действием электрической силы F.

Fэ = Eq

E = F F = Eq q

54

А препятствует движению ионов сила сопротивления со стороны жидкости, определяемая по закону Стокса.

Fc = 6πηVr

При равномерном движении иона:

Eq = 6πηVr

где, η - вязкость жидкости; r - радиус иона V - скорость иона

V = Eq = m

6πηr V+ = Em+

V− = Em−

j = ezn(m+ + m− )E - удельная проводимость электролита (j) j = γ × E - закон Ома для электролитов

Зависимость сопротивления электролитов от температуры.

С увеличением температуры сопротивление электролитов уменьшается, т.к. уменьшается вязкость жидкости, увеличивается подвижность ионов и концентрация ионов.

Явление оседания на электродах продуктов распада раствора электролита при прохождении через него электрического тока называется электролизом.

1.5..Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы.

К полупроводникам относятся материалы проводимость, которых больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у проводников. К полупроводникам относят кремний (Si), фосфор(P), германий (Ge), индий (In), мышьяк (As).

Полупроводники имеют ряд особенностей:

1.Электрический ток в полупроводниках обусловлен как движением свободных электронов, так и движением связанных электронов, так называемых дырок. Поэтому различают электронную и дырочную проводимости. Место, покинутое электронами условно положительно заряжено – дырка. Полупроводники, имеющие преимущественно электронную проводимость, называются полупроводниками n-типа. Полупроводники, имеющие преимущественно дырочную проводимость , называются полупроводниками р-типа.

2.Проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры, эта зависимость в десятки раз больше, чем у металлов. С увеличением температуры проводимость полупроводников увеличивается, а сопротивление уменьшается, т.к. увеличивается количество пар носителей зарядов ē и дыр.

3.Проводимость полупроводников сильно зависит от примесей и называется примесной проводимостью. Проводимость чистых полупроводников совсем невелика, чтобы увеличить проводимость к чистому полупроводнику добавляют примесь.

55

Рисунок 44.

Примесь может увеличить во много раз либо число свободных электронов, либо дырок. В первом случае (рис.44(а)) примесь выполняет роль донора (отдает электроны)

– проводимость n – типа, а во втором (рис.44(б)) – роль акцептора (отбирает электроны)

– проводимость р – типа.

Полупроводниковый диод p-n переход.

Полупроводниковый прибор, имеющий одностороннюю проводимость, основанный на работе p-n перехода (рис.45). Ток через диод может проходить только в одном направлении.

Рисунок 45.

На границе раздела двух полупроводников с разной проводимостью, вследствие разной концентрации электронов и дырок, возникает диффузия, в результате которой образуется разность потенциалов (в области n – типа возникает (+) заряд, а в области р

– типа (-) заряд). Имеет место напряженность поля Евн

Если приложить к р – n – переходу внешнее поле Е0, то в зависимости от его направления, будет следующее:

1.Е0 совпадает по направлению с Евн; Е = Е0 + Евн, размеры ℓ увеличатся и тока не будет

2.Если Е0 противоположно Евн, то Е = Евн – Е0; Евн = Е0; Е = 0 через переход будет протекать электрический ток.

56

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Рисунок 46.

Полупроводниковый триод

Рисунок 47.

Полупроводниковый триод состоит из двух полупроводников одного типа проводимости разделенных тонким слоем полупроводника другого типа проводимости

(p-n-p) или (n-p-n).

Ток в этой системе регулируется засчет напряжения между базой и эмиттером, изменение тока в цепи эмиттера будет вызывать изменение тока в цепи коллектора, причем изменение напряжения будет значительным (усиление напряжения). П/n триоды (транзисторы) так же как и электронные лампы – триоды применяются для усиления и генерирования электрических колебаний. Транзисторы имеют ряд преимуществ перед электронными лампами - не требуют питания для накала катода, виброустойчивы, малогабаритны и др., однако их характеристики зависят от температуры.

57

1.6.Электрический ток в газах.

В отличие от растворов электролита, газ при нормальных условиях состоит из нейтральных молекул (или атомов) и поэтому является диэлектриком. Проводником электрического тока газ становится только в том случае, когда хотя бы часть его молекул ионизируется (превращается в ионы) под влиянием ионизатора. Наряду с ионизацией в газе идет процесс рекомбинации ионов. При наличии внешнего электрического поля в ионизированном газе возникает ток, обусловленный движением разноименных ионов во взаимно противоположных направлениях и движением электронов. Благодаря малой вязкости газа, подвижность газовых ионов в тысячи раз больше, чем ионов электролитов. При прекращении действия ионизатора, концентрация иона в газе быстро падает до 0 (в связи с рекомбинацией) и ток прекращается.

Ток, для существования которого необходим внешний ионизатор, называется несамостоятельным газовым разрядом. При достаточно сильном электрическом поле в газе начинаются процессы самоионизации, благодаря которым ток может существовать и при отсутствии внешнего ионизатора. Такого рода ток называется

самостоятельным газовым разрядом.

Вольт-амперная характеристика газового разряда.

Рисунок 48.

На участке кривой Оа сила тока возрастает пропорционально напряженности поля (по закону Ома). Возрастание тока прекращается когда все созданные внешним ионизатором заряженные частицы достигают электродов (участок вс). Сила тока насыщения зависит от мощности ионизатора. При достаточно большой напряженности начинается самоионизация газа, а при дальнейшем увеличении Е возникает самостоятельный газовый разряд (справа от точки d).

Существует четыре вида самостоятельного газового разряда – тлеющий, коронный, искровой и дуговой.

1.7. Термоэлектронная эмиссия. Электровакуумные приборы.

Термоэлектронная эмиссия – это явление покидания электролитами поверхности металлов под действием температуры. Это явление лежит в основе работы

58

электровакуумных приборов. Одно из таких устройств, электрическая схема которого представлена на рисунке 49, называется полупроводниковым диодом. Рассмотрим устройство этого прибора.

Рисунок 49.

Диод состоит их двух электродов – анода и катода, помещенных в вакуум. При нагревании катода, вокруг него создается электронное облако и наступает динамическое равновесие.

Если между анодом и катодом действует электрическое поле [на аноде (+), на катоде (-)], то электроны устремятся к аноду. По мере увеличения приложенного напряжения будет увеличиваться и ток до тех пор, пока все вылетевшие с катода электроны не попадут на анод. Этот ток называется током насыщения при данной температуре катода.

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода.

Рисунок 50.

При увеличении температуры катода увеличивается ток насыщения, а при уменьшении уменьшается. Если изменить направление электрического поля, то ток проходить через диод не будет. Это свойство односторонней проводимости диода применяется для выпрямления переменного электрического тока.

Полупроводниковый триод.

59

Лампа триод содержит три электрода – анод, катод и сетку(рис.51). Анодным током триода можно управлять напряжением на сетке, причем небольшим изменениям этого напряжения будут соответствовать значительные изменения анодного тока.

Рисунок 51.

Это объясняется тем, что сетка расположена вблизи от катода, поэтому влияние сеточного напряжения на анодный ток преобладает над влиянием анодного напряжения. Если на сетке положительное напряжение, то ее поле ускоряет электроны и анодный ток увеличивается, а при некотором значении –U с электроны не могут преодолеть этот барьер и анодный ток вообще прекращается (лампа «замирается»).

Триод имеет семейства анодных и сеточных характеристик:

Рассмотрим вольт-амперную характеристику полупроводникового триода.

Рисунок 52.

По этим характеристикам определяются внутреннее сопротивление лампы триода Ri и крутизна анодно-сеточной зависимости (S).