Закони постійного струму Характеристики електричного струму:

Сила струму – скалярна величина, що чисельно дорівнює електричному заряду, що переноситься через переріз провідника за одиницю часу I=, а для постійного струму I= ; [I] = A (Ампер)

Густина струму – це векторна величина, напрямок якої співпадає з напрямком упорядкованого руху позитивних носіїв струму, а чисельна величина дорівнює силі струму I, що протікає через одиницю площі поперечного перерізу S, який перпендикулярний струму. j = , [j] = Струм і густину струму можна виразити через швидкість упорядкованого руху зарядів _сер, їх концентрацію n так:

j = еn_сер; I = еn_серS.

Закон Ома для ділянки кола: сила струму на даній ділянці кола прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки і обернено пропорційна опору провідника I=, де U – напруга на кінцях провідника, R- його опір, [R]= 1Ом. При постійній температурі R= ρ, де ρ – питомий опір, Омм, - довжина провідника, S- його площа перерізу. При зміні температури питомий опір і опір провідника змінюються за законом

ρ = ρ₀ (1+ t); R = R₀ (1+ t),

де ρ₀ R₀ – є відповідно питомий опір і опір провідника при 0⁰С,  –темпера-турний коефіцієнт опору.

Закон Ома для замкненого кола I = ,

де ε – електрорушійна сила джерела струму, R – опір зовнішнього кола, r –опір джерела струму (внутрішній опір).

Електрорушійна сила джерела – це робота сторонніх сил по переміщен-ню одиничного позитивного заряду вздовж замкненого кола. [ε] =B. При послідовному з’єднанні загальний опір ділянки кола дорівнює сумі опорів окремих провідників: R = R₁ + R₂ +…+R_n

При паралельному з’єднанні обернена величина опору дорівнює сумі обернених опорів окремих провідників:

В джерелі струму за рахунок будь-якого виду енергії створюється електрична енергія, яка в свою чергу може перетворюватись в еквівалентну кількість іншого виду енергії (теплову, механічну, світлову тощо). Мірою перетворення електричної енергії є робота струму: А = IUt = = I²Rt ,

де U – різниця потенціалів на кінцях провідника зі струмом I; t – час проход-ження струму, R – опір провідника.

Потужність електричного струму обчислюється за формулою

P = = IU==I²R

Кількість теплоти, що виділяється у провіднику опором R за час t при протіканні струму силою І, визначаться законом Джоуля-Ленца:

Q = I²Rt = = IUt

Електричний струм у різних середовищах.

Носіями струму в електролітах і розплавах солей є іони різного знаку, тому вони рухаються до електродів: від’ємні іони рухаються до позитивного електрода (анод), а позитивні – до катода.

Перший закон Фарадея: маса речовини m, що виділяється при електролізі на кожному з електродів, прямо пропорційна величині заряду, що проходить через електроліт m = kq, або m = k It ,

де k – електрохімічний еквівалент (кг/Кл), I – сила струму, t – час його проходження через електроліт.

Другий закон Фарадея: електрохімічні еквіваленти речовин прямо пропорційні хімічним еквівалентам k = ,

де F – число Фарадея (F = 9,6510⁷ Кл/кгекв.)

За звичайних умов гази майже повністю складаються із нейтральних атомів чи молекул, тому є діелектриками. Для того, щоб газ почав проводити електричний струм, його потрібно іонізувати. Завдяки іонізації в газі утворюються вільні носії електричного заряду - іони та електрони.

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом. Розряд у газі, який відбувається під дією іонізатора, називають несамостійним. Значення сили струму в газі зростає зі збільшенням прикладеної напруги, згідно із законом Ома для ділянки кола, але при деякому значенні стає незмінним, тобто струм досягає насичення . Це означає, що всі носії, утворені іонізатором, беруть участь у створенні струму. Якщо дію іонізатора припинити, то припиниться і розряд, оскільки інших джерел іонів немає.

Якщо і далі продовжувати підвищувати напругу на електродах, то за деякої граничної напруги сила струму знову почне зростати (рис. 1).

рис. 1

Це означає, що при певному значенні напруги електрони набувають такої кінетичної енергії, що стають спроможними іонізувати молекули газу, тобто зовнішній іонізатор буде вже непотрібним для підтримання розряду. Розряд, який може існувати без зовнішнього іонізатора, називають самостійним розрядом.

Якщо температури досить високі, розпочинається іонізація газу через зіткнення атомів чи молекул, які швидко рухаються. Речовина переходить в новий стан - плазму.

Плазма - це частково чи повністю іонізований газ, в якому густини позитивних і негативних зарядів майже збігаються. Плазма вважається четвертим станом речовини. У повністю іонізованій плазмі електрично нейтральних атомів немає, тому плазма дуже добре проводить струм. У цілому плазма являє собою електрично нейтральну систему.

Провідність плазми підвищується зі зростанням ступеня іонізації. За високої температури повністю іонізована плазма за своєю провідністю наближається до надпровідників.

У електронно-променевих трубках, електронних лампах радіоприймачів і багатьох інших приладах електрони рухаються у вакуумі. Вакуум являється ізолятором. Для отримання носіїв струму у вакуумі використовують явище термоелектронної емісії – явище випускання електронів твердими тілами та рідинами , яке відбувається внаслідок їх нагрівання.

Явище термоелектронної емісії призводить до того, що нагрітий металевий електрод, на відміну від холодного, неперервного випускає електрони, які утворюють навколо електрода електронну хмарку. Електрод при цьому заряджений позитивно, і під впливом електричного поля електрони з хмарки повертаються до катода. Щоб вийти з металевого електрода, електрони виконують роботу проти сил притягання з боку катода і відштовхування з боку інших електронів хмаринки. Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу.

Різниця між гарячим і холодним електродами, впаяними в закриту посудину, із якої відкачують повітря, полягає в односторонній провідності електричного струму між ними. У разі під'єднання електродів до джерела струму між ними виникає електричне поле. Якщо "+" джерела з'єднати з холодним електродом (анодом), а "-" - з нагрітим (катодом), то під дією електричного поля електрони полетять до анода і у вакуумі виникне електричний струм. Якщо прикласти електричне поле навпаки, то в колі струму не буде, оскільки електричне поле буде заганяти електрони, які покинули поверхню катода, назад в метал і коло буде розімкненим.

Односторонню провідність використовують в електронних приладах з двома електродами - вакуумних діодах (рис. 2).

Вакуумні діоди використовують для випрямлення змінного електричного струму поряд з напівпровідниковими діодами.

Питомий опір низки простих елементів (кремнію, германію, селену тощо) та деяких оксидів, сульфідів, телуридів з підвищенням температури не зростає, як у металів, а, навпаки, різко зменшується (рис. 3). Такі речовини назвали напівпровідниками.

Як видно з графіка, при температурах, що наближаються до абсолютного нуля, питомий опір різко зростає, тобто при низьких температурах T напівпровідник веде себе як діелектрик. Зі зростанням температури питомий опір напівпровідників швидко зменшується.

Вільних носіїв у кристалі напівпровідника немає , тому кристал не проводить струму і його опір великий. За цих умов напівпровідник схожий на ізолятор.З підвищенням температури кристала (або під час попадання на нього світла) деякі ковалентні зв'язки руйнуються. На місці кожного розірваного зв'язку відразу утворюється вакантне місце з нестачею електрона. Його називають діркою. Дірка – це нескомпенсований заряд атома напівпровідника. Оскільки дірка переміщується в кристалі, як і вільний носій в електричному полі, то їй приписують позитивний заряд. Якщо діє зовнішнє електричне поле, в кристалі напівпровідника виникає впорядковане переміщення дірок і до електричного струму вільних електронів додається електричний струм, пов'язаний з переміщенням дірок (діркова провідність). Провідність чистих напівпровідників, що не мають ніяких домішок, називають власною провідністю напівпровідників. Власна провідність напівпровідників невелика, оскільки малою є кількість вільних електронів. Особливість напівпровідників полягає в тому, що в них за наявності домішок поряд із власною провідністю виникає додаткова - домішкова провідність. Змінюючи концентрацію домішки, можна суттєво змінити кількість носіїв заряду того або іншого знака, а отже, створити напівпровідники з переважаючою концентрацією чи позитивно, чи негативно заряджених носіїв.

Домішки, що легко віддають електрони, і, отже, збільшують кількість вільних носіїв, називають донорними домішками. Донорні домішки – це атоми з вищою валентністю ніж атоми основного напівпровідника. Напівпровідники з донорною провідністю мають більшу кількість електронів порівняно з кількістю дірок. Їх називають напівпровідниками n-типу. У них електрони є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.

Домішки, які забезпечують збільшення дірок, називають акцепторними (приймальними). Акцепторні домішки – це атоми з нижчою валентністю ніж атоми основного напівпровідника Напівпровідники, в яких переважає діркова провідність над електронною, називають напівпровідниками р-типу. Основними носіями заряду таких напівпровідників є дірки, а неосновними - електрони.

Контакт двох напівпровідників називають р-n-переходом (рис. 4).

На межі контакту електрони частково переходять із напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу, а дірки – навпаки

Створити напівпровідниковий діод можливо в одному кристалі з n-провідністю шляхом вплавлення у його поверхню домішки з p-провідністю. Діод має односторонню провідність - сила прямого струму у разі навіть невеликих напруг значно більша від зворотного струму за такої самої напруги (рис. 5), тому їх використовують для випрямлення струму в радіосхемах

Напівпровідниковий прилад з двома р-n-переходами називають напівпровідниковим тріодом або транзистором.