Электрический ток в металлах
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.
Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла.
|
|
Ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой.
При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток.
Сила тока в металлах изменяется прямо пропорционально напряжению в соответствие с законом Ома, поэтому вольт-амперная характеристика представляет собой прямую линию: чем больше напряжение, тем большая сила тока протекает через металлический проводник.
При увеличении температуры, ионы в узлах кристаллической решетки начинают колебаться сильнее, следовательно, электронам остается меньшее пространство для движения. Поэтому с увеличением температуры сопротивление металлов повышается.
Особенности прохождения электрического тока в металлах нашли широкое применение металлических проводников в быту и технике. Металлические проводники применяются при передаче электрического тока от источника к потребителю, при получении электрического тока в генераторах, в нагревательных элементах.
Электрический ток в вакууме
Откачивая газ из сосуда, можно довести его до такой концентрации, при которой все молекулы успевают пролететь от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом. Такое состояние газа называют вакуумом. Проводимость межэлектронного промежутка в вакууме можно обеспечить только с помощью введения в трубку источника заряженных частиц.
|
|
Чаще всего действие такого источника заряженных частиц основано на свойстве тел, нагретых до высокой температуры, испускать электроны. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов с поверхности металла.
Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод в отличие от холодного непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод при этом заряжается положительно, и под влиянием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод. Различие между горячим и холодным электродами, впаянными в сосуд, из которого откачан воздух, приводит к односторонней проводимости электрического тока между ними.
При подключении электродов к источнику тока между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединить с холодным электродом (анодом), а отрицательный – с нагретым (катодом), то напряженность электрического поля направлена к нагретому электроду. Под действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и движутся к холодному электроду.
Вольт-амперная характеристика тока в вакууме является нелинейной, т.к. свободные электроны, образующие ток в пространстве, испускаются одним из электродов в ограниченном количестве. Кроме того, на движение электронов существенное влияние оказывает поле пространственного заряда электронного облака у катода.
Чем выше напряжение между анодом и катодом, тем меньше пространственный заряд электронного облака и тем большее количество электронов достигает анода, следовательно, тем больше и сила тока в лампе. Если катод не покрыт оксидным слоем, то при достаточно большом напряжении все электроны, покинувшие катод, попадают на анод и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не меняется: ток достигает насыщения. Если повысить температуру, то катод будет покидать большее число электронов. Электронное облако вокруг катода станет более плотным. Ток насыщения наступит при большем напряжении между анодом и катодом, и сила тока насыщения возрастает.
С повышением температуры внутри трубки сопротивление будет уменьшаться.
Односторонняя проводимость, т.е. возможность проводить ток только в одном направлении, используется в электронных приборах: диодах (с двумя электродами), триодах (с тремя электродами), многоэлектродных лампах (четыре и более электродов). Такие приборы предназначены для преобразования энергии постоянного тока в энергию электрических колебаний и применяются в радиотехнике, радиосвязи.
В электронно-лучевых трубках формируются узкие электронные пучки, управляемые электрическими и магнитными полями. Эти пучки используются для формирования визуального изображения сигнала и применяются в осциллографах, телевизорах, дисплеях.
Электрический ток в газах
При обычных условиях газы почти полностью состоят из нейтральных молекул и, следовательно, являются диэлектриками. Изолирующие свойства газов объясняются отсутствием в них свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.
Вследствие нагревания или воздействия излучением часть атомов ионизируется – распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам.Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагревания молекулы движутся быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы.
|
|
Отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами. В газах сочетается электронная проводимость с ионной.
После прекращения действия ионизатора газ перестает быть проводником. Ток прекращается после того, как все ионы и электроны достигнут электродов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряженного иона они могут вновь образовать нейтральный атом. Такой процесс называется рекомбинацией заряженных частиц.
Процесс протекания электрического тока через газ называется газовым разрядом.
Различают несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.
При нулевом напряжении сила тока равна нулю: заряженные частицы совершают лишь тепловое движение.При небольшом напряжении сила тока также мала: часть положительных ионов и электронов в процессесвоего движения находят друг друга и рекомбинируют.С повышением напряжения свободные заряды развивают всё большую скорость. Поэтому всёбольшая часть заряженных частиц достигает электродов, и сила тока возрастает (участок OA).При определённой величине напряжения (точка A) скорость движения зарядов становитсянастолько большой, что рекомбинация вообще не успевает происходить. С этого момента всезаряженные частицы, образованные под действием ионизатора, достигают электродов, и токдостигает насыщения — сила тока перестаёт меняться с увеличением напряжения.Так будет происходить вплоть до некоторой точки B.После прохождения точки B сила тока при увеличении напряжения резко возрастает — начинается самостоятельный разряд. Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках между столкновениями они разгоняются электрическим полем, увеличивая свою кинетическуюэнергию. И вот, когда напряжение становится достаточно большим (точка B), электроны за время свободного пробега достигают таких энергий, что при соударении с нейтральными атомами ионизируют их.
|
|
Самостоятельный газовый разряд может быть тлеющим (при низких давлениях), коронным и искровым (при атмосферном давлении), дуговым.
Тлеющий разряд используют в трубках для реклам. Красное свечение происходит при наполнении трубки неоном. Положительный столб в аргоне имеет синевато-зеленоватый цвет. В лампах дневного света используют разряд в парах ртути. Важнейшее применение тлеющий разряд получил в газовых лазерах.
С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии.
Примером искрового разряда является молния. Искровой разряд возникает, когда мощность источника тока недостаточна для поддержания дугового или тлеющего разряда.
Дуговой разряд – мощный источник света, его используют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах. В металлургии широко применяют электропечи, в которых источником теплоты служит дуговой разряд. Дуговой разряд используют также для сварки металлов.