3.3 Постоянный ток.

Постоянный электрический ток. Его характеристики и условия существования.В электродинамике – разделе учения об электричестве в котором рассматриваются явления и процессы, обусловленные движением эл зарядов в макроскопических заряженных тел, - важнейшим понятием яв-ся понятие эл тока. Электрическим током на-ся любое упорядоченное (направленное) движение эл зарядов. В проводнике под действием приложенного эл поля Е свободные эл заряды перемещаются: полож – по полю, отриц-против, т.е. в проводнике возникает эл ток, называемый током проводимости. Если же упорядоченное движение эл зарядов осуществляется перемещением в пространстве макроскопического тела, то возникает так называемыйконвекционный ток. Для возникновения и существования эл тока необходимо с одной стороны –наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться упорядочено. А с другой стороны наличие эл поля, энергия которого каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За направление тока принимают условно направление движения полож зарядов. Количественной мерой эл тока служит сила тока – скалярная, физ величина, определяемая эл зарядом, проходящим ч/з поперечное сечение проводника в единицу времени:I=dq/dtЕсли сила тока и его направление не изменяется со временем, то такой ток наз-сяпостояннымI=q/tФиз величина определяемой силой тока, проходящего ч/з единицу площади поперечного сечения проводника перпендикулярного направлению тока, наз-сяплотностьютока i=dI/dS. Выразим силу и плотность тока ч/з скорость упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей тока равнаnи каждый носитель имеет элементарный заряд е, тоI=ne<v>S i= ne<v> .

Электродвижущая сила, напряжение. Сторонние силы совершают работу по перемещению эл зарядов. Физ величина, определяемая работой, совершаемая сторонними силами при перемещении единичного полож заряда наз-ся ЭДС , действующей в цепи.ξ=A/q₀ Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину ξ можно так же назвать ЭДС источника тока.F_ст=Е_стqгде Е – напряженность поля сторонних сил.А=F_стdl=q₀E_стdl ξ=Е_стdl.Напряжениемназ-ся физ величина определяемая работой, совершаемая суммарным полем электростатических и сторонних сил при перемещении единичного полож заряда на данном участке цепиU₁₂=φ₁-φ₂+ξ₁₂ Понятие напряжения яв-ся обобщением понятия разности потенциалов: напряжения на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, т.е. сторонние силы отсутствуют.

Закон Ома в дифференциальной форме для однородного участка цепи. Немецкий физик Ом экспериментально установил, что сила токаIтекущего по однородному металлическому проводнику (т.е. проводнику, в кото не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению на концах проводника:I=U/R–закон Ома для участка цепи.ПодставивR=ρL/Sв закон Ома, получимI/S=U/ ρL U/L =E I/S=i 1/ρ=γ i=γE–закон Ома в диф форме. Этот закон связывает плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью эл поля в той же точке.

Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока идет на его нагревание и по закону сохранения энергииdQ=dA.Т.о. получимdQ=IUdt=I²Rdt=U²dt/R–з. Дж-Л.Экспериментально установленный независимо друг от друга Джоулем и Ленцем. Выделим в проводнике элементарный цилиндрический объемdV=dSdL(ось цилиндра совпадает с направлением тока), сопротивление которогоR=ρdL/dSПо закону Дж-Л. за времяdtв этом объёме выделится теплотаdQ=I²Rdt=ρdL(idS)²dt/dS=ρi²dVdt. Кол-во теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема называется удельной тепловой мощностью тока. Она равнаw=ρi²=γE² -з. Дж-Л в диф форме.

Закон Ома для неоднородного участка цепи. Рассмотрим неоднородный участок цепи, где действующую ЭДС обозначим через ξ₁₂, а приложенную на концах участка разность потенциала ч/з φ₁-φ₂ если ток проходит по неподвижным проводникам, то работа А₁₂всех сил (сторонних и электростатических), совершаемая над носителями тока, по закону сохранения и превращения энергии равна теплоте, выделяющуюся на участке А₁₂=q₀ξ₁₂+q₀(φ₁-φ₂) . Если ЭДС способствует движению полож зарядов в выбранном направлении, то ξ₁₂>0 в противном случае <0. За времяtв проводнике выделяется теплотаQ=I²Rt=IR(It)=IRq₀IR=(φ₁-φ₂)+ξ₁₂откудаI=((φ₁-φ₂)+ξ₁₂)/R–Закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме. Если на данном участке цепи источник тока отсутствует, тоI=(φ₁-φ₂)/R=U/R. Если же эл цепь замкнута, то точки 1и2 совпадают, т.е.I=ξ/R=ξ/(r+R₁)

Правило Кирхгофа. Ветвь –участок последовательно соединенных элементов.Узелэл цепи- любая точка разветвления цепи, в которой сходится не менее трёх проводников с током. Ток, входящий в узел, считается полож, а выходящий- отрицательным.1 правило К-а–алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле равна 0 (∑I_k=0)2 правило К-ав любом замкнутом контуре произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведения сил токовI_iна сопротивлениеR_iсоответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в этом контуре (∑I_iR_i=∑ξ_k). При расчете сложных цепей с применением правила К-а необходимо:1.выбрать произвольной направление токов на всех участках цепи; действительное направление токов определяется при решении задачи: если искомый ток пол-ся полож,то его направление было выбрано правильно. 2. выбрать направление обхода контура и строго его придерживаться; произведениеIR>0 если ток на данном участке совпадает с направлением обхода и наоборот ЭДС, действующее по выбранному направлению обхода считают полож.3. составить столько уравнений, чтобы их число было равно числу искомых величин; каждый рассматриваемый контур должен содержать хотя бы один элемент, не содержащийся в предыдущих контурах, иначе получатся уравнения, яв-ся простой комбинацией уже составленных.

Работа выхода электрона из металла. Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл, след-но в поверхностном слое металла д/б задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окр атом. Работу, которую нужно затратить для удаления электрона из металла наз-сяработой выхода.Укажем две вероятные причины появления работы выхода:1. если электрон по какой-то причине удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им самим полож заряду. 2. отдельные электроны покидая металл, удаляются от него на расстоянии порядка атомных и создают тем самым над поверхностью металла электронное облако, плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора, толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям. Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла. Т.о. электрон при выходе из металла должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя. Разность потенциалов ∆φ=А/е. Работа выхода выражается в эВ. Зависит от химической природы металла и от чистоты их поверхности.

Термоэлектронная эмиссия. –это испускание электронов нагретыми металлами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергиям) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным. Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы –вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод Ки анодА . В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (вольфрам), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь (рис. 1), то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (о/о катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареиБ_а, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. След-но, катод испускает отриц частицы – электроны. Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного токаI_аот анодного напряжения U_а–вольт-амперную характеристику (рис. 2), то оказывается, что она не яв-ся линейной, т.е. для вакуумного диода з. Ома не выполняется. При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого мах значения, называемого токомнасыщения.Это означает, что почти все электроны, покидающие катод достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряжения поля на может привести к увеличению термоэлектронного тока. Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах и рентгеновских трубках.

Ток в газах. Газы при не слишком высоких температурах при давлениях близких к атмосферному яв-ся хорошим изолятором. Если поместить в сухой атмосферный воздух заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то его заряд долго останется неизменным – это объясняется тем, что газы, при обычных условиях состоят из нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов. Газ становится провидником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизируется, т.е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Для этого газ надо подвергнуть действуют к/н ионизатора. При ионизации газов под действием к/л ионизатора происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводить к образованию свободных электронов и полож ионов. Электроны могут присоединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Происхждение эл тока ч/з газы наз-сягазовым разрядом. Ионизация газов может происходить под действием разл ионизаторов: сильный нагрев, короткое магнитное излучение, корпускулярное излучение. Для того, чтобы выбить из молекулы один электрон необходимо затрать определенную энергию, наз-уюэнергией ионизации.

Понятие о плазме(и всё-всё-всё о ней). Плазмойназывается сильно ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных практически одинаковы. Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверх высоких температурах, и газоразрядную плазму, при газовом разряде. Плазма хар-ся степенью ионизации α – отношением числа ионизированных частиц к полному числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины α говорят о слабо, умеренно и полностью ионизированной плазме.Условием сущ-ия плазмыяв-ся некоторая минимальная плотность заряженных частиц начиная с которой можно говорить о плазме как таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенстваL>>DгдеL–линейный размер системы заряженных частиц.D- дебаевский радиус экранирования, п/с то расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы. Плазма обладает большойэлектропроводностьюпричем ток в плазме создается в основном электронами, как наиболее подвижными частицами;колебаниями электроновс большой частотой10⁸Гц, вызывающими общее вибрационное состояние плазмы.