Постійний електричний струм доповідь

Умови виникнення струму. Електричним струмом називають спрямований рух заряджених частинок. Кількісними характеристиками струму є його сила струму (відношення заряду: переноситься через поперечний переріз провідника за одиницю часу):

і його щільність, яка визначається співвідношенням:

Одиницею вимірювання сили струму є ампер (1А - характерне значення струму, споживаного побутовими електронагрівальними приладами).

Необхідними умовами існування струму є наявність вільних носіїв зарядів, замкненого кола і джерела ЕРС (батареї), що підтримує спрямований рух.

Електричний струм може існувати в різних середовищах: в металах, вакуумі, газах, в розчинах і розплавах електролітів, в плазмі, в напівпровідниках, в тканинах живих організмів.

При протіканні струму практично завжди відбувається взаємодія носіїв зарядів з навколишнім середовищем, що супроводжується передачею енергії останньої у вигляді тепла. Роль джерела ЕРС як раз і полягає в компенсації теплових втрат в ланцюгах.

Електричний струм в металах зумовлений рухом щодо вільних електронів через кристалічну решітку. Причини існування вільних електронів в провідних кристалах може бути пояснена тільки на мові квантової механіки.

Досвід показує, що сила електричного струму, що протікає по провіднику, пропорційна яка додається до його кінців різниці потенціалів (закон Ома). Постійний для обраного провідника коефіцієнт пропорційності між струмом і напругою називають електричним опором:

Опір вимірюють в Омасі (опір людського тіла становить близько 1000 Ом). Величина електричного опору провідників слабо зростає при збільшенні їх температури. Це пов'язано з тим, що при нагріванні вузли кристалічної решітки підсилюють хаотичні теплові коливання, що перешкоджає направленого руху електронів. У багатьох задачах безпосередній облік коливань решітки виявляється досить трудомістким. Для спрощення взаємодії електронів з хитаються вузлами виявляється зручним замінити їх зіткненнями з частинками газу гіпотетичних частинок - фононів, властивості яких підбираються так, щоб отримати максимально наближене до реальності опис і можуть надаватися досить екзотичними. Об'єкти такого типу дуже популярні у фізиці і називаються квазічастинками. Крім взаємодій з коливаннями кристалічної решітки руху електронів в кристалі можуть перешкоджати дислокації - порушення регулярності решітки. Взаємодії з дислокаціями відіграють визначальну роль при низьких температурах, коли теплові коливання практично відсутні.

Деякі матеріали при низьких температурах повністю втрачають електричний опір, переходячи в понад провідний стан. Струм в таких середовищах може існувати без будь-яких ЕРС, оскільки втрати енергії при зіткненнях електронів з фононами і дислокаціями відсутні. Створення матеріалів, що зберігають сверхповодящее стан при відносно високих (кімнатних) температурах і невеликих токах є вельми важливим завданням, рішення якої справило б справжній переворот в сучасній енергетиці, тому що дозволило б передавати електроенергію на великі відстані без теплових втрат.

В даний час електричний струм в металах використовується головним чином для перетворення електричної енергії в теплову (нагрівачі, джерела світла) або в механічну (електродвигуни). В останньому випадку електричний струм використовується в якості джерела магнітних полів, взаємодія з якими інших струмів викликає поява сил.

Електричний струм у вакуумі строго кажучи неможливий через відсутність в ньому вільних електричних зарядів. Однак, деякі провідні речовини при нагріванні або опроміненні світлом здатні випускати зі своєї поверхні електрони (термоеміссія і фотоемісія), які здатні підтримувати електричний струм, рухаючись від катода до іншого (позитивному) електрода - анода. При подачі на анод негативного напруги струм в ланцюзі обривається. Описане властивість обумовлює широке застосування електровакуумних приладів в електронних пристроях для випрямлення змінного струму. До порівняно недавнього часу електровакуумні пристрої широко використовувалися в якості підсилювачів електричних сигналів. В даний час вони майже повністю витіснені напівпровідниковими приладами.

Електричний струм в газах на перший погляд не може існувати через відсутність вільних заряджених частинок (електрони в атомах і молекулах газів міцно "пов'язані" з ядрами електростатичними силами). Однак, при передачі атому енергії порядку 10еВ (енергія, що купується вільним електроном при проходженні через різницю потенціалів в 10 В), останній переходить в іонізоване стан (електрон йде від ядра на як завгодно велику відстань). У газах при кімнатних температурах завжди присутня дуже невелика кількість іонізованих атомів, що виникли під дією космічного випромінювання (фотоіонізації). При приміщенні такого газу в електричне поле заряджені частинки починають розганятися, передаючи нейтральних атомів набрану кінетичну енергія і іонізуя їх. В результаті розвивається лавиноподібний процес наростання числа вільних електронів та іонів - виникає електричний розряд. Характерне світіння розряду пов'язано з виділенням енергії при рекомбінації електронів і позитивних іонів. Типи електричних розрядів досить різноманітні і сильно залежачи від складу газу і зовнішніх умов.

Плазма. Речовина, що містить суміш нейтральних атомів, вільних електронів і позитивних іонів, називають плазмою. Плазма, що виникає в результаті порівняно слабкострумових електричних розрядів (напр. В трубках "денного світла") характеризується досить малими концентраціями заряджених частинок в порівнянні з нейтральними (). Зазвичай її називають низькотемпературної, оскільки температура атомів і іонів близька до кімнатної. Середня ж енергія набагато більш легких електронів виявляється набагато більшою. Т.ч. низькотемпературна плазма є істотно нерівноважної, відкритим середовищем. Як зазначалося, в подібних середовищах можливі процеси самоорганізації. Добре відомим прикладом є генерація в плазмі газових лазерів високо упорядкованого когерентного випромінювання.

Плазма може так само може бути термодинамічно рівноважної. Для її існування необхідна дуже висока температура (при якій енергія теплового руху можна порівняти з енергією іонізації). Такі температури існують на поверхні Сонця, можуть виникати при дуже потужних електричних розрядах (блискавки), при ядерних вибухах. Таку плазму називають гарячою.

Атмосферний електрику. Земля є досить хорошим провідником електричного струму (в порівнянні з сухим повітрям). На висоті близько 50 км іонізуюче космічне випромінювання зумовлює наявність іоносфери - шару сильно іонізованого газу. Вимірювання показують, що між іоносферою і поверхнею Землі існує величезна різниця потенціалів (близько 5000000 В), причому іоносфера має позитивний по відношенню до Замле заряд. Наявність різниці потенціалів між Землею і "небом" призводить до появи струму дуже малої щільності (A /) навіть в такому поганому провіднику як повітря. Повний струм, що приходить на поверхню планети, досить великий (ок. А), а виділяється їм потужність можна порівняти з потужністю всіх побудованих електростанцій (Вт). Виникають природні запитання про механізм підтримки зазначеної різниці потенціалів і про причини, за якими її наявність до сих пір ніяк не використовується людиною.

В даний час встановлено, що основним механізмом, що заряджає "небо" щодо Землі є грози. Краплі води і кристали льоду, переміщаючись вниз до основи грозової хмари збирають на собі наявні в атмосфері негативні заряди і тим самим заряджають нижню частину грозової хмари негативним електрикою до потенціалів, у багато разів перевершують потенціал Землі. В результаті між Землею і хмарою виникає дуже велике електричне поле, спрямоване в протилежну сторону в порівнянні з полем, що існує в безхмарну погоду. Поблизу виступаючих з поверхні Землі проводять предметів це поле ще посилюється і виявляється достатнім для іонізації газу, яка наростає по лавиноподібного закону. В результаті виникає дуже потужний електричний розряд, званий блискавкою. Всупереч існуючій думці, блискавка починається на Землі і б'є в хмару, а не навпаки.