Как это ни странно, все знают, что такое электрический ток, и даже наизусть могут повторить цитату из школьного учебника по физике, однако многие открыто признаются в том, что совершенно не понимают, что такое электричество.
Одних, например, удивляет тот факт, что вилку в розетку можно втыкать по-разному, при этом результат всегда один и тот же, хотя у электричества есть фаза и ноль. Других удивляет то, что электричество идет от минуса к плюсу, хотя значительно легче представить, что оно течет в обратном направлении.
Примеров можно было бы привести бесконечное множество, так как знание всегда одно, а незнания – разные. Отсюда и предвзятое отношение к электричеству, наподобие: «Это совершенно необъяснимая вещь, надо вызвать электрика, чтобы он поменял нам розетку, а то как бы чего не случилось...»
В этом и кроется причина неправильного обращения с током – непрофессионализм, который приводит к травмам, авариям, пожарам. Многим не раз встречались явления, связанные с электричеством, кажущиеся совершенно необъяснимыми, а если и объяснимыми, то имеющие какое-то неестественное, фантастическое с точки зрения незнающего человека обоснование.
Объяснять природу электричества приходится с молекулярной физики, а потому на первый взгляд все выглядит чрезвычайно сложно и запутанно, хотя на самом деле нет ничего проще. Мы не будем вдаваться в подробности относительно электронной теории строения вещества, а попытаемся объяснить просто, как говорится, «по-народному».
Все вещества состоят из молекул, содержащих в себе атомы, которые в свою очередь состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. При различных химических реакциях электроны переходят от одних атомов к другим, а потому возможно, что атомы какого-то вещества испытывают недостаток в электронах, а атомы другого имеют их избыток.
Это вещества, имеющие разноименные заряды. В случае их контакта электроны будут стремиться перейти из одного вещества в другое, перемещение электронов и будет представлять собой электрический ток.
Как вы уже догадались, электроны движутся туда, где их не хватает. Чтобы разобраться раз и навсегда с тем, как именовать заряды, запомните: ток движется от минуса к плюсу, т. е. вещество, у которого не хватает электронов, имеет положительный заряд, а вещество, у которого избыток электронов, – отрицательный. Также принято называть контакт, имеющий положительный заряд, нулем, имеющий отрицательный заряд – фазой.
Величина электрического тока (количество переносимого заряда) измеряется в амперах. Напряжение, т. е. разность потенциалов, которая заставляет течь ток (ЭДС – электродвижущая сила), измеряется в вольтах.
Атомы любого вещества располагаются на некотором расстоянии друг от друга. В металлах расстояния между атомами настолько малы, что электронные оболочки практически соприкасаются. Это дает возможность электронам свободно блуждать от ядра к ядру, создавая при этом электрический ток, поэтому металлы, а также некоторые другие вещества являются проводниками электричества. Другие вещества – наоборот, имеют далеко расставленные атомы, электроны, прочно связанные с ядром, которые не могут свободно перемещаться. Такие вещества не являются проводниками и их принято называть диэлектриками, самым известным из которых является резина. Это и есть ответ на вопрос, почему электрические провода делают из металла.
Естественно, что при отделении электронов от ядер освобождается некоторое количество энергии, которое нагревает проводник. «Нагревательную» способность тока принято называть мощностью и измерять в ваттах. Так же принято измерять и механическую энергию, преобразованную из электрической.
Чтобы электрический ток протекал непрерывно, на разных концах проводника, которым являются высоковольтные линии, подстанции, электропроводка в квартирах, на разных концах электрической цепи должна быть разность потенциалов, которая и создается ГЭС и АЭС.
Электрическая энергия создается преобразованием других видов энергии: на гидроэлектростанциях используется энергия падающей воды, на атомных станциях – энергия радиоактивного распада. Наибольшее распространение имеют электромеханические индукционные генераторы, превращающие механическую энергию в электрическую.
Мы не будем рассматривать устройство генератора, так как это не относится к теме нашей книги, однако все же следует сказать, что вырабатываемый генераторами ток является переменным. В быту применяется и постоянный ток, который преобразовывается из переменного с помощью индукционных катушек (дросселей).
Электрический ток имеет и другие параметры, но мы также не будем их касаться, так как в быту с измерением таких величин, как частота тока, индуктивность и др., сталкиваться практически не приходится.
| |
Сила тока – это физическая величина, характеризующая скорость движения заряда в проводнике. Процесс в проводнике сопровождается выделением некоторого количества энергии по закону Джоуля-Ленца. Ток был открыт Алессандро Вольтом на основе опытов Гальвани, а теория под опытные явления подведена в 1794 году.
Как образуется электрический ток
Ещё за 2,5 тысячи лет до нашей эры в Древнем Египте знали об электрических рыбах и считали их защитниками всех водных обитателей. Имели какое-то представление на этот счёт греки и римляне, в некоторых случаях эту особенность даже пытались использовать для лечения головной боли или подагры. Было замечено, что заряд отлично передаётся металлическими предметами. Первым пытался изучать статическое электричество за 600 лет до н. э. Фалес Милетский. В то время уже было замечено свойство янтаря, потёртого шерстью, притягивать разнородные диэлектрические материалы. Но учёный муж быстро зашёл в тупик.
Понятие электричество начало развиваться в 1600-х годах Вильямом Гилбертом, который экспериментировал с рудой магнитного железняка и натёртым янтарём. Сам термин происходит из греческого языка. В переводе электричество означает «подобный янтарю», то есть проявляющий аналогичные свойства. По-видимому, первым печатным изданием, затрагивающим тематику, является Pseudodoxia Epidemica Томаса Брауна, изданная в 1646 году.
Дальнейшие исследования идут вразнобой. Так, например, в 1752 году Бенджамин Франклин привязал металлический ключ к воздушному змею и пустил в грозовое небо. Лицезрел соскакивающие на руку искры и высказал предположение об электрической природе молний. На арабском языке, кстати, это природное явление издавна называется тем же словом, что и электрические скаты. Бенджамин Франклин полагал, что любая материя содержит флюид, недостаток которого проявляется в отрицательном заряде, а избыток – в положительном. По непонятным причинам к первому типу материалов отнесли стекло, а ко второму – резину. Движение же флюида и образует электрический ток.
В результате описанного выше допущения получилось так, что направление течения флюида как раз противоположно тому, куда движутся электроны. Таким образом, и сегодня в физике ток указывается стрелкой, направленной в другую сторону. Следует знать, что движение это не очень быстрое и образуется не только одними лишь электронами. Скорость хода элементарных частиц составляет единицы сантиметров в секунду. А вот электрическая волна движется намного быстрее. Поэтому ток возникает в среде и распространяется приблизительно со скоростью света и так же быстро исчезает.
Но возвратимся к опытам с резиной и стеклом. Было замечено, что потёртые они притягиваются, но отталкивают кусок из того же материала. Так возникло представление о двух типах флюида. Все тела, способные демонстрировать аналогичные резине или стеклу свойства, стали называть электрически заряженными. Было замечено, что некоторые материалы содержат положительный, а другие отрицательный флюид. Поэтому отталкиваются стеклом, но притягиваются резиной, и наоборот.
Ток также может переноситься электронами (отрицательными частицами) или протонами (положительными частицами). Очень часто в теории полупроводников используется термин «дырка». Это место, где в данный момент наблюдается недостаток электронов. Заряд такого носителя положительный. Во многих случаях нет разницы, частицами какого знака образован ток.
Единица измерения электрического тока
Таким образом, электрический ток можно представить, как объем заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади сечения материала. Единицей измерения является Ампер, а в качестве обозначения применяется латинская буква I, происходящая от французского словосочетания intensité de courant. Этот же символ использовался и Ампером, именем которого названа единица, хотя до 1896 года некоторые журналы продолжали использовать С. В физике широко бытует и другое определение ампера: «Это сила тока, которая между двумя параллельными проводниками, расположенными на удалении одного метра друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия на участке длиной 1 метр величиной 0,2 мкН».
Такое толкование обусловлено тем, что протекающий ток создаёт вокруг проводника магнитное поле, которое успешно взаимодействует со всеми прочими. Этот процесс нормируется законом Ампера, выведенным в 1820 году. Изначально в формулу входила и магнитная индукция, но потом было показано, что это не обязательная величина, поскольку в свою очередь зависит от величины тока, расстояния до исследуемой точки и магнитной постоянной (физическая константа).
Переменный ток
До сих пор мы не акцентировали на этом внимание, но в быту гораздо удобнее использовать переменный ток. Его проще передавать по цепям, благодаря возможности использования трансформаторов, осуществляющих развязку отдельных сегментов и преобразование параметров. Другой вопрос, почему частоты промышленной сети обычно укладываются в диапазон от 50 до 60 Гц. Это вопрос, на который тщетно пытаются найти ответ на многих форумах. Так, например, Никола Тесла в своё время показал, что ток частотой свыше 700 Гц практически не наносит вреда человеческому телу, потому что продвигается по поверхности (кожа).
Это кажется странным, но данный эффект широко известен в электротехнике. Он так и называется – поверхностным (на английском skin – кожный). Явление сводится к тому, что ток с повышением частоты проникает все меньше в толщу материалов. Для медных проводников на частоте 60 Гц глубина достигает примерно 8,57 мм. По этой причине жилы на большие токи делают часто полыми. Ввиду большого их диаметра ток все равно никогда не проник бы в сердцевину. Полые проводники позволяют экономить на материалах и снижать массу проводов.
Где-то здесь и кроется причина, по которой промышленность ещё не перешла на новый уровень. Ведь использование тока частотой 700 Гц существенно обезопасит сети для рядовых граждан. В то же время такой шаг потребует коренным образом пересмотреть не только конструкцию многофазных двигателей, но и значительно повысить их КПД (для снижения объёма передаваемой мощности). Что во многих случаях невозможно. На данном этапе развития техники.
Переменный ток образуется обычно в проводнике за счёт смены направления внешнего магнитного поля. Именно это имеет место быть на электростанции. Массивный вал турбины совершает от силы пару оборотов в секунду, а высокая частота образуется за счёт коммутации обмотки статора. Таким образом, с этой стороны изменение промышленных стандартов выполняется относительно просто. В то же время ходят слухи, что с повышением частоты растут потери в ферромагнитных материалах на вихревые токи. Причём зависимость квадратичная. В это охотно верится, потому что мощность индукционных плит часто повышается путём роста частоты импульсов в питающем инверторе.
В литературе говорится, что сам Никола Тесла предложил напряжение переменного тока 220 В частотой 60 Гц, как оптимальное для работы собственных двухфазных двигателей (изобрёл асинхронные машины, доказал, что именно на частоте 60 Гц будет достигаться максимальный экономический эффект от применения своих наработок). Однако из-за ряда неувязок в согласовании и лоббирования частных интересов параметры иные как в США, так и в Европе.
На сегодняшний день именно Николу Тесла считают отцом переменного тока и асинхронных двигателей, поэтому самое время дать читателям представление, чем этот род движения носителей заряда отличается от постоянного: «Переменным током называется течение носителей заряда, совершаемое попеременно в обоих направлениях вдоль проводника».
Мы уже говорили выше про флюиды, так вот можно это определение отнести именно к ним. Переменный ток такой, который образуется то за счёт одного заряда, то за счёт другого. На практике это принято представлять как поток электронов, дважды за период меняющий своё направление. А частота процесса измеряется в Гц, график (плотности потока частиц) близок к синусоиде. В промышленных сетях, кроме того, существует три фазы (родоначальник – М. О. Доливо-Добровольский, первым обнаружил ошибки в теоретических ограничениях КПД двигателей многофазного тока). Можно представить это как независимые синусоиды, сдвинутые равномерно друг относительно друга на 120 градусов. То есть, пока один график только-только переходит через нуль, второй уже переходит треть своего периода, а оставшийся – две трети.
Три фазы в промышленных агрегатах позволяют создать вращающееся магнитное поле (также детище Николы Тесла), двигающее роторы электрических моторов. В этом случае значительно удаётся сэкономить на меди нулевого провода (нейтрали), потому что большая часть тока уходит из установки по фазным проводам, где в это время цикла потенциал ниже. Можно сказать, что схемотехника сетей 380 В значительно отличается от 220.
Явления, связанные с электрическим током
Уже было замечено, что протекающий по проводнику электрический ток создаёт вокруг него магнитное поле. На этом принципе основано действие многих приборов, среди которых самыми простыми можно считать электрические замки. Создавая катушки из проволоки, можно сложить эффект образовавшегося поля от каждого витка. Чем активно и пользуются на практике, образуя малым током силу притяжения якоря замка в несколько центнеров. И это при смехотворной номинальной мощности едва ли в десяток Вт. Так работает большинство систем типа Домофон.
Аналогичным образом эффект возникновения магнитного поля применяется для:
- Погрузки и разгрузки чёрного металла в пунктах приёма и переработки.
- Разнообразных реле.
- Электрических двигателях всех модификаций.
Тепловой эффект
Ток при протекании по проводнику вызывает эффект нагревания, который также активно используется. Явление описывается законом Джоуля-Ленца, где говорится, что термический эффект прямо пропорционален квадрату электрического тока и сопротивлению проводника. На этом базируется главное непонимание техники новичками. Вот в чем это проявляется. При пониженном напряжении большинство приборов для поддержания прежней мощности потребляют больший ток. Ярким примером являются лампочки накала, где на вольтаж 27 В прежняя интенсивность может быть достигнута только десятикратным увеличением тока.
Это вызывает ударный перегрев питающего провода. Потому что по эффекту Джоуля-Ленца выходит так, что мощность зависит от квадрата тока. И при увеличении последнего в 10 раз тепловой эффект повышается на два порядка (100 раз). Этим объясняется столь высокий разогрев места сварочной дуги, хотя провод питания при этом остаётся холодным. Передаваемая мощность остаётся прежней, но напряжение на электроде намного ниже входных 220 В. Отсюда и эффект повышения температуры.
Тепловой эффект также применяется во многих нагревателях, где является явлением побочным, но полезным. Что касается лампочек с нитями накала, то здесь большая часть энергии пропадает впустую. Нить греется при протекании электрического тока, но далеко не вся энергия преобразуется в световую. Очень много передаётся излучением в инфракрасном, невидимом спектре. Эта проблема решена в энергосберегающих лампочках, где ток образует дугу в газовой среде или испускает фотоны, проходя через p-n-переход особой конструкции.
В электрических обогревателях КПД пытаются также повысить за счёт создания свойств направленности при помощи зеркал и других рефлекторов.
Передача информации
Было замечено, что ток высокой частоты распространяется преимущественно по поверхности проводника, а не в его толще. В результате металлический стержень активно излучает энергию в пространство. В обычных проводах для блокировки этого эффекта применяется экран, но если его намеренно убрать, то получается антенна. Это и используется во всех передающих информацию через эфир устройствах. А Никола Тесла даже планировал таким методом транслировать на расстояние энергию. Но исследования были засекречены ФБР, а во всеуслышание объявили, что последние работы учёного никоим образом поставленную задачу решить не могут.
Впрочем, мы уверены, кто-то из наших читателей попробует решить такую простую на вид задачу.
Почему так популярно электричество?
Сейчас мы не представляем себе ни нормального дня без электричества, этот вид энергии так хорошо прижился у нас в быту,
что мы попросту ничего без него не сможем сделать. Только представьте на минуту этот ужас без электричества, когда весь наш мир поглотит кромешная темнота…
Невозможно будет без электричества приготовить пищу, не смогут работать телевизор и интернет.
Зайдите к себе на кухню и посчитайте количество электрических приборов, наверняка насчитаете, как минимум, десять штук.
А если вернуться в прошлое, когда электрическая энергия не была так распространена? Мы ведь как-то обходились без неё.
Да, но с её появлением наша жизнь стала намного проще, у нас появилось больше времени и мы стали больше успевать сделать дел.
Мы уже и не говорим о промышленности, какой скачок произошел в ее развитии с появлением этого вида энергии, открылись новые возможности и технологии,
человечество просто взлетело вверх в своем развитии.
Вы спросите, почему , почему этот вид энергии, ведь есть много альтернативных источников энергии?
Например, для работы можно использовать тепловую энергию, механическую, энергию солнца, приливов и так далее.
Но почему именно этот вид энергии? Да потому, что ее использование экономически выгодно и эффективно, ее легко получить и передать и что немаловажно
- преобразовать в другие нужные нам виды энергии. Еще немаловажным плюсом всех электрических машин является компактность.
Если сравнить двигатель внутреннего сгорания и простой электродвигатель одинаковой мощности, то второй как минимум в два раза будит меньше.
Не говоря уже о стоимости обслуживания, потерях и количества энергии затраченного на выполнение одинаковой работы.
Каким бывает ток?
Ну, мы думаем, хватит распевать все преимущества электрической энергии, настало время поговорить о ней самой, что же она из себя представляет, и с чем ее едят.
Во-первых, хотим уяснить, что все представление об электрической энергии делится на два вида: постоянный ток и переменный.
У нас в быту в основном применяется переменный ток, и только в некоторых случаях – постоянный. Например, для зарядки мобильных телефонов,
да и компьютеры тоже работают на постоянном токе, батарейки и различного типа аккумуляторы тоже являются источниками постоянного тока.
Этим двум видам энергии есть научные определения.
Переменный ток
Начнем с переменного тока. Переменным электрическим током называется направленное упорядоченное движение электрически заряженных частиц,
которое изменяется по величине и направлению в течении времени.
Существуют несколько электрических величин характеризующих электрическую энергию.
Все наверное знают такой термин как .
Обозначается оно буквой U латинского алфавита и измеряется в вольтах (В).
Вторая величина, называемая силой тока, обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). Именно ток потребляется из сети, когда мы что-то подключаем к ней.
Также существует такое понятие, как частота. Она присуща только переменному току, так как переменный ток изменяется в течении времени по закону синуса.
Количество этого изменения в течение одной секунды и является частотой в нашей сети. Частота составляет 50 герц, то есть ток и напряжение в течении секунды
изменяются по величине и направлению 50 раз. Замеры различных физических величин можно произвести при помощи
Постоянный ток
А вот постоянным током называют упорядоченное направленное движение электрически заряженных частиц, но, в отличие от переменного тока, не изменяющееся с
течением времени. Этот род тока также характеризуется напряжением и силой тока.
Но эти два рода тока в одних и тех же условиях ведут себя по разному, но есть закон, которому подчиняются и переменный и постоянный токи.
Это всем давно известный закон Ома. Он заключается в том, что сила тока, протекающая в цепи прямо пропорциональна напряжению этой цепи и обратно пропорциональна
сопротивлению этой цепи I=U/R.
Появляется новая характеристика - сопротивление R, измеряется в омах (ОМ), оно указывают на сопротивление, которое оказывает цепь, то есть проводник протеканию
по нему тока.
Первые упоминания об электричестве указываются в физике. Есть отдельная наука, которая занимается изучением этого вида энергии, также есть много ответвлений
от этой науки, которые изучают поведение электричества в различных условиях.
Мы уверены, что этот вид энергии за малое количество времени так глубоко внедрился в нашу жизнь, что мы еще очень долгое время будем зависимы от неё.
Самыми надежными марками считаются отечественные
ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
1. Причины электрического тока
2. Плотность тока
3. Уравнение непрерывности
4. Сторонние силы и ЭДС.
5.
6.
7. Работа и мощность. Закон Джоуля-Ленца
8. КПД источника тока
9. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей
Причины электрического тока
Для возникновения электрического тока требуется наличие свободных заряженных частиц, которые в электростатическом поле неподвижных зарядов приходят в состояние упорядоченного движения вдоль силовых линий поля .
Это движение и есть электрический ток .
^ СИЛА ТОКА. ПЛОТНОСТЬ ТОКА
Количественной мерой тока служит сила тока I, т.е. заряд, перенесенный сквозь рассматриваемую поверхность S (или через поперечное сечение проводника) в единицу времени, т.е.
Ток, не изменяющийся по величине со временем , называется постоянным током
^ СИЛА ТОКА. ПЛОТНОСТЬ ТОКА
В отличие от силы тока, которая есть величина скалярная и направления не имеет, плотность тока – это вектор .
Связь между этими двумя физическими величинами такова:
^ СИЛА ТОКА. ПЛОТНОСТЬ ТОКА
Плотность тока есть более подробная характеристика тока, чем сила тока I .
Плотность тока характеризует ток локально, в каждой точке пространства, а I – это интегральная характеристика, привязанная не к точке, а к области пространства, в которой протекает ток.
^ СИЛА ТОКА. ПЛОТНОСТЬ ТОКА
Плотность тока связана с плотностью свободных зарядов ρ и с дрейфовой скоростью их движения:
За направление вектора принимают направление вектора положительных носителей зарядов
^ СИЛА ТОКА. ПЛОТНОСТЬ ТОКА
Если носителями являются как положительные, так и отрицательные заряды, то плотность тока определяется формулой:
Сторонние силы и ЭДС
Для того, чтобы поддерживать ток достаточно длительное время, необходимо от конца проводника с меньшим потенциалом непрерывно отводить, а к другому концу – с большим потенциалом – подводить электрические заряды. Т.е. необходим круговорот зарядов.
^ Сторонние силы и ЭДС
Поэтому в замкнутой цепи, наряду с нормальным движением зарядов, должны быть участки, на которых движение (положительных) зарядов происходит в направлении возрастания потенциала, т.е. против сил электрического поля.
Перемещение заряда на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектрического происхождения (сторонних сил): химические процессы, диффузия носителей заряда, вихревые электрические поля.
Сторонние силы и ЭДС
Сторонние силы можно характеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по замкнутой цепи или ее участку зарядами.
Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС ), действующей в цепи :
Сторонние силы и ЭДС
Стороннюю силу, действующую на заряд, можно представить в виде:
Работа сторонних сил на участке 1 – 2:
Для замкнутой цепи:
Сторонние силы и ЭДС
Циркуляция вектора напряженности сторонних сил равна ЭДС, действующей в замкнутой цепи (алгебраической сумме ЭДС ).
При этом необходимо помнить, что поле сторонних сил не является потенциальным, и к нему нельзя применять термин разность потенциалов или напряжение.
Закон Ома для неоднородного участка цепи
Сила тока в проводнике пропорциональна разности потенциалов:
Рассмотрим неоднородный участок цепи, участок, содержащий источник ЭДС (т.е. участок, где действуют неэлектрические силы).
Напряженность поля в любой точке цепи равна векторной сумме поля кулоновских сил и поля сторонних сил, т.е.
Закон Ома для неоднородного участка цепи
Величина, численно равная работе по переносу единичного положительного заряда суммарным полем кулоновских и сторонних сил на участке цепи (1 – 2), называется напряжением на этом участке U12
Закон Ома для неоднородного участка цепи
Т.е.
Напряжение на концах участка цепи совпадает с разностью потенциалов только в случае, если на этом участке нет ЭДС, т.е. на однородном участке цепи. Запишем обобщенный закон Ома для участка цепи содержащей источник ЭДС. :
Закон Ома для неоднородного участка цепи
Закон Ома для замкнутого участка цепи, содержащего источник ЭДС запишется в виде:
Закон Ома, записанный таким образом называют законом Ома в интегральной форме.
Закон Ома в дифференциальной форме
Закон Ома в интегральной форме для однородного участка цепи (не содержащего ЭДС)
Для однородного линейного проводника выразим R через ρ:
Закон Ома в дифференциальной форме
Работа и мощность тока. Закон Джоуля - Ленца
Рассмотрим произвольный участок цепи, к концам которого приложено напряжение U . За время dt через каждое сечение проводника проходит заряд
При этом силы электрического поля, действующего на данном участке, совершают работу:
Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОРМЕ
Разделив работу на время, получим выражение для мощности:
Независимо друг от друга Джоуль и Ленц показали, что при протекании тока, в проводнике выделяется количество теплоты:
Если ток изменяется со временем, то
^ ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ФОРМЕ
Тепловая мощность тока в элементе проводника
Удельная мощность тока
КПД источника тока
Коэффициент полезного действия есть отношение полезной работы к затраченной:
КПД источника тока
Найдем условия, при которых полезная мощность будет максимальна. Для этого нужно, чтобы
Имеем r = R .
При этом КПД равен 50 %
Правила Кирхгофа для разветвленных цепей
Первое правило Кирхгофа утверждает, что алгебраическая сумма токов, сходящихся в любом узле цепи равна нулю :
Второе правило Кирхгофа утверждает, что в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма произведения тока на сопротивление равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом же контуре.
Контрольные вопросы
1. Условия возникновения электрического поля.
2. Закон Ома в интегральной форме для участка однородной цепи, для участка неоднородной цепи, для замкнутой неоднородной цепи, закон Ома в дифференциальной форме.
3. Закон Джоуля – Ленца в интегральной и дифференциальной формах.
4. Электродвижущая сила, напряжение, напряжение на клеммах источника.
5. Правила Кирхгофа.
6. КПД источника и максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку.
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ
1.
2.
3.
4. Типы разрядов
5. Применение газового разряда
6. Понятие о плазме
7. МГД – генератор. Плазменная панель.
Явление ионизации и рекомбинации в газах
В нормальном состоянии газы состоят из электрически нейтральных молекул и атомов, и, следовательно, не могут проводить электрический ток.
Поэтому газы являются хорошими электрическими изоляторами.
Если к газовому промежутку поднести какой-либо ионизатор, то газ становится проводником.
Явление ионизации и рекомбинации в газах
Процесс ионизации заключается в том, что под действием высокой температуры или некоторых лучей молекулы газа теряют электроны, и тем самым превращаются в положительные ионы.
Ионизация газа может происходить под действием коротковолнового излучения – ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, а также альфа-, бета- и космических лучей.
Электрический ток, возникающий в процессе ионизации газа – ток в газах – это встречный поток ионов и свободных электронов.
Явление ионизации и рекомбинации в газах
Одновременно с процессом ионизации идёт обратный процесс рекомбинации (иначе – молизации ).
Рекомбинация – это нейтрализация при встрече разноименных ионов или воссоединение иона и электрона в нейтральную молекулу (атом).
Факторы, под действием которых возникает ионизация в газе, называют внешними ионизаторами, а возникающая при этом проводимость называется несамостоятельной проводимостью.
^ Газовый разряд
Явление прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом . Газовые разряды можно разделить на два вида: несамостоятельный и самостоятельный .
^ Несамостоятельный газовый разряд
Несамостоятельным газовым разрядом называется такой разряд, который, возникнув при наличии электрического поля, может существовать только под действием внешнего ионизатора.
Несамостоятельный газовый разряд
Плотность тока по величине пропорциональна концентрации носителей n , заряду q , переносимому каждым носителем и скорости направленного движения положительных и отрицательных ионов
Несамостоятельный газовый разряд
Скорость направленного движения ионов выражается через подвижность μ и напряженность электрического поля :
Несамостоятельный газовый разряд
Подвижность – физическая величина, численно равная скорости направленного движения ионов в газе под действием поля с напряженностью 1 В/м.
Несамостоятельный газовый разряд
Подставив в выражение для плотности тока формулы для скорости упорядоченного движения имеем:
В слабом поле равновесная концентрация равна:
Несамостоятельный газовый разряд
Поэтому выражение для плотности тока при слабых электрических полях можно переписать:
Видно, что коэффициент перед напряженностью не зависит от напряженности.
Приняв этот коэффициент за удельную проводимость можно записать закон Ома в дифференциальной форме:
Несамостоятельный газовый разряд
Вывод : в случае слабых электрических полей ток при несамостоятельном разряде подчиняется закону Ома.
Рассмотрим сильное поле. В этом случае
Все генерируемые ионы уходят из газоразрядного промежутка под действием электрического поля.
Максимальное значение тока, при котором все образующиеся ионы уходят к электродам, носит название тока насыщения.
Несамостоятельный газовый разряд
Дальнейшее увеличение напряженности поля ведет к образованию лавины электронов, когда возникшие под действием ионизатора электроны приобретают на длине свободного пробега (от столкновения до столкновения) энергию, достаточную для ионизации молекул газа (ударная ионизация).
Возникшие при этом вторичные электроны, разогнавшись, в свою очередь, производят ионизацию и т. д. – происходит лавинообразное размножение первичных ионов и электронов , созданных внешним ионизатором и усиление разрядного тока .
^ Несамостоятельный газовый разряд
Вывод : для несамостоятельного разряда при малых плотностях тока, т.е. когда основную роль в исчезновении зарядов из газоразрядного промежутка играет процесс рекомбинации, имеет место закон Ома; при больших полях закон Ома не выполняется – наступает явление насыщения, а при полях превышающих некоторое значение – возникает лавина зарядов, обуславливающая значительное увеличение плотности тока.
Несамостоятельный газовый разряд
Самостоятельный газовый разряд
Рассмотренный выше процесс возникновения и образования лавин за счет ударной ионизации не утрачивает характера несамостоятельного разряда, т.к. в случае прекращения действия внешнего ионизатора разряд быстро исчезает.
Самостоятельный газовый разряд
Однако возникновение и образование лавины зарядов не ограничивается процессом ударной ионизации.
При дальнейшем, сравнительно небольшом увеличении напряжения, на электродах газоразрядного промежутка, положительные ионы приобретают большую энергию и, ударяясь о катод, выбивают из него электроны, происходит вторичная электронная эмиссия .
Возникшие свободные электроны на пути к аноду производят ударную ионизацию молекул газа.
Положительные ионы на пути к катоду при электрических полях сами ионизируют молекулы газа.
Самостоятельный газовый разряд
Если каждый выбитый с катода электрон способен ускоряться и производить ударную ионизацию молекул газа, то разряд будет поддерживаться и после прекращения воздействия внешнего ионизатора.
Напряжение, при котором развивается самостоятельный разряд, называется напряжением зажигания.
Самостоятельный газовый разряд
На основании сказанного, самостоятельным разрядом будем называть такой газовый разряд, в котором носители тока возникают в результате тех процессов в газе, которые обусловлены приложенным к газу напряжением. Т.е. данный разряд продолжается и после прекращения действия ионизатора.
Самостоятельный газовый разряд Типы разрядов
В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов:
Тлеющий разряд;
Искровой разряд;
Дуговой разряд;
Коронный разряд.
^ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
Тлеющий разряд возникает при низких давлениях.
Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами
^ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.
Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство 1. Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространством 3.
^ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4,
с тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5.
Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда.
Вся остальная часть трубки заполнена святящимся газом.
Эту часть называют положительным столбом 6.
^ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
Измерения показали, что почти все падения потенциала приходится на первые три участка разряда (астоново темное пространство, катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно).
Эту часть напряжения приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала .
В области тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь напряженность поля равна нулю.
Наконец в фарадеевом тёмном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растёт.
^ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.
Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны.
^ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
В астоновом темном пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают.
^ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
Т.е., интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов.
Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.
^ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов (плазма).
Поэтому напряженность поля здесь очень мала.
В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии.
Таким образом, тлеющее свечение есть в основном свечение рекомбинации.
^ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии.
Вероятность рекомбинации здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика.
Поэтому в фарадеевом тёмном пространстве имеется поле.
Увлекаемые этим полем электроны накапливают энергию и часто в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы.
Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму.
Свечение положительного столба вызвано, в основном, переходами возбужденных молекул в основное состояние.
Искровой разряд
2. Искровой разряд возникает в газе, обычно, при давлениях порядка атмосферного.
Он характеризуется прерывистой формой.
По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга. Эти полоски называют искровыми каналами
Искровой разряд
Искровой разряд
После того, как разрядный промежуток «пробит» искровым каналом, сопротивление его становится малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение.
Если мощность источника не очень велика, то после этого импульса тока разряд прекращается.
Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.
Искровой разряд
В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии.
Дуговой разряд
3. Дуговой разряд . Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом .
Дуговой разряд
При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт.
Дуговой разряд поддерживается главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.
На практике это сварка, мощные дуговые печи.
Коронный разряд
4. Коронный разряд возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного).
Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие)
Коронный разряд
Коронный разряд
Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙106 В/м, вокруг него электрода возникает свечение, имеющего вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда.
Понятие о плазме
В газовом разряде возникает большое количество положительных ионов вследствие высокой эффективности ударной ионизации, причем концентрация ионов и электронов одинакова.
Такая система из электронов и положительных ионов, распределенных с одинаковой концентрацией, называется плазмой .
Термин «плазма» был введен американскими физиками И. Ленгмюром и Л. Тонксом в 1929 г.
Понятие о плазме
Плазма, возникающая в газовом разряде, носит название газоразрядной.
К ней относятся положительный столб тлеющего разряда, канал искрового и дугового разряда.
Можно утверждать, что температуры компонентов плазмы различны.
Так, электронная температура в тлеющем разряде в неоне при давлении 3 мм. рт. ст. порядка 4∙104 К, а температура ионов и атомов 400 К, причем температура ионов несколько выше атомной температуры.
Понятие о плазме
Плазма, в которой выполняется равенство: Тэ,= Ти,= Та (где индексы «э », «и », «а » относятся к электронам, ионам, атомам) называется изотермической .
Такая плазма имеет место при ионизации с помощью высокой температуры (дуга, горящая при атмосферном и выше давлении, искровой канал).
Например, в дуге сверхвысокого давления (до 1000 атм.) температура плазмы достигает 10000 К.
Температура плазмы при термоядерном взрыве – порядка нескольких десятков миллионов градусов.
В установке «ТОКАМАК» для исследования термоядерных реакций – порядка 7∙106 K.
Понятие о плазме
Кулоновское дальнодействующее взаимодействие заряженных частиц в плазме приводит к качественному своеобразию плазмы, позволяющему считать ее особым, четвертым агрегатным состоянием вещества .
Важнейшие свойства плазмы:
Сильное взаимодействие с внешними магнитными и электрическими полями, связанное с ее высокой электропроводностью;
Понятие о плазме
Специфическое коллективное взаимодействие частиц плазмы, осуществляющееся через усредненные электрические и магнитные поля, которые создают сами эти частицы;
Благодаря коллективным взаимодействиям плазма ведет себя как своеобразная упругая среда, в которой легко возбуждаются и распространяются различного рода колебания и волны (например, ленгмюровские колебания плазмы);
Понятие о плазме
Во внешнем магнитном поле плазма ведет себя как диамагнитная среда;
Удельная электрическая проводимость σ полностью ионизованной плазмы не зависит от плотности плазмы и увеличивается с ростом термодинамической температуры Т , пропорционально Т3/2
При Т ≥ 107 К, σ столь велика, что плазму можно приближенно считать идеальным проводником.
