Учебная работа. Реферат: Постоянный электрический ток

Учебная работа. Реферат: Постоянный электрический ток

Условия появления тока.

Электронным током именуют направленное движение заряженных частиц. Количественными чертами тока являются его сила тока (отношение заряда: переносимого через поперечное сечение проводника в единицу времени):

и его плотность, определяемая соотношением:

.

Единицей измерения силы тока является ампер (1А — свойственное значение тока, потребляемого бытовыми электронагревательными устройствами).

Необходимыми критериями существования тока являются наличие вольных носителей зарядов, замкнутой цепи и источника ЭДС (батареи), поддерживающего направленное движение.

Электронный ток может существовать в разных средах: в сплавах, вакууме, газах, в смесях и расплавах электролитов, в плазме, в полупроводниках, в тканях {живых} организмов.

При протекании тока фактически постоянно происходит взаимодействие носителей зарядов с окружающей средой, сопровождающееся передачей энергии крайней в виде тепла. Роль источника ЭДС как раз и состоит в компенсации термических утрат в цепях.

электронный ток в сплавах обоснован движением относительно вольных электронов через кристаллическую сетку. Предпосылки существования вольных электронов в проводящих кристаллах быть может объяснена лишь на языке квантовой механики.

Опыт указывает, что сила электронного тока, протекающего по проводнику, пропорциональна приложенной к его концам разности потенциалов (законОма). Неизменный для избранного проводника коэффициент пропорциональности меж током и напряжением именуют электронным сопротивлением:

(3)

Сопротивление определяют в омах (сопротивление людского тела составляет около 1000 Ом). Величина электронного сопротивления проводников слабо увеличивается при увеличении их температуры. Это соединено с тем, что при нагревании узлы кристаллической сетки усиливают хаотические термо колебания, что препятствует направленному движению электронов. В почти всех задачках конкретный учет колебаний сетки оказывается очень трудозатратным. Для упрощения взаимодействия электронов с колеблющимися узлами оказывается комфортным поменять их столкновениями с частичками газа гипотетичных частиц — фононов, характеристики которых подбираются так, чтоб получить очень приближенное к действительности описание и могут оказываться очень экзотичными. Объекты такового типа очень популярны в физике и именуются квазичастицами. Кроме взаимодействий с колебаниями кристаллической сетки движению электронов в кристалле могут препятствовать дислокации — нарушения регулярности сетки. Взаимодействия с дислокациями играют определяющую роль при низких температурах, когда термо колебания фактически отсутствуют.

Некие материалы при низких температурах на сто процентов утрачивают электронное сопротивление, переходя в сверх проводящее состояние. Ток в таковых средах может существовать без каких-то ЭДС, так как утраты энергии при столкновениях электронов с фононами и дислокациями отсутствуют. Создание материалов, сохраняющих сверхповодящее состояние при относительно больших (комнатных) температурах и маленьких токах является очень принципиальной задачей, решение которой произвело бы реальный переворот в современной энергетике, т.к. позволило бы передавать электроэнергию на огромные расстояния без термических утрат.

В истинное время электронный ток в сплавах употребляется основным образом для перевоплощения электронной энергии в термическую (нагреватели, источники света) либо в механическую (электродвигатели). В крайнем случае электронный ток употребляется в качестве источника магнитных полей, взаимодействие с которыми остальных токов вызывает возникновение сил.

Электронный ток в вакууме строго говоря неосуществим из-за отсутствия в нем вольных электронных зарядов. Но, некие проводящие вещества при нагревании либо облучении светом способны испускать со собственной поверхности электроны (термоэмиссия и фотоэмиссия), которые способны поддерживать электронный ток, двигаясь от катода к другому (положительному) электроду — аноду. При подаче на анод отрицательного напряжения ток в цепи обрывается. Описанное свойство обуславливает обширное применение электровакуумных устройств в электрических устройствах для выпрямления переменного тока. До сравнимо недавнешнего времени электровакуумные устройства обширно использовались в качестве усилителей электронных сигналов. В истинное время они практически на сто процентов вытеснены полупроводниковыми устройствами.

электронный ток в газах на 1-ый взор не может существовать из-за отсутствия вольных заряженных частиц (электроны в атомах и молекулах газов крепко “соединены” с ядрами электростатическими силами). Но, при передаче атому энергии порядка 10эВ (энергия, приобретаемая вольным электроном при прохождении через разность потенциалов в 10 В), крайний перебегает в ионизированное состояние (электрон уходит от ядра на сколь угодно огромное расстояние). В газах при комнатных температурах постоянно находится весьма маленькое количество ионизированных атомов, появившихся под действием галлактического излучения (фотоионизация). При помещении такового газа в электронное поле заряженные частички начинают разгоняться, передавая нейтральным атомам набранную кинетическую энергия и ионизуя их. В итоге развивается лавинообразный процесс нарастания числа вольных электронов и ионов — возникает электронный разряд. Свойственное свечение разряда соединено с выделением энергии при рекомбинации электронов и положительных ионов. Типы электронных разрядов очень многообразны и очень завися от состава газа и наружных критерий.

Плазма.

Вещество, содержащее смесь нейтральных атомов, вольных электронов и положительных ионов, именуют плазмой. Плазма, возникающая в итоге сравнимо слаботочных электронных разрядов (напр. в трубках “дневного света”) характеризуется очень малыми концентрациями заряженных частиц по сопоставлению с нейтральными ( ). Обычно ее именуют низкотемпературной, так как температура атомов и ионов близка к комнатной. Средняя же энергия еще наиболее легких электронов оказывается еще большей. Т.о. низкотемпературная плазма является значительно неравновесной, открытой средой. Как отмечалось, в схожих средах вероятны процессы самоорганизации. Отлично известным примером является генерация в плазме газовых лазеров высоко упорядоченного когерентного излучения.

Плазма может так же быть может термодинамически сбалансированной. Для ее существования нужна весьма высочайшая температура (при которой энергия термического движения сравнима с энергией ионизации). Такие температуры есть на поверхности Солнца, могут возникать при весьма массивных электронных разрядах (молнии), при ядерных взрывах. Такую плазму именуют жаркой.

Атмосферное электричество.

Земля является довольно неплохим проводником электронного тока (по сопоставлению с сухим воздухом). На высоте около 50 км ионизирующее галлактическое излучение обуславливает наличие ионосферы — слоя очень ионизированного газа. Измерения демонстрируют, что меж ионосферой и поверхностью Земли существует большущая разность потенциалов (около 5000000 В), при этом ионосфера имеет положительный по отношению к Замле заряд. наличие разности потенциалов меж Землей и “небом” приводит к возникновению тока весьма малой плотности (A/) даже в таком нехорошем проводнике как воздух. Полный ток, приходящий на поверхность планетки, очень велик (ок. А), а выделяемая им мощность сравнима с мощностью всех построенных электростанций ( Вт). Появляются естественные вопросцы о механизме поддержания обозначенной разности потенциалов и о причинах, по которым ее наличие до сего времени никак не употребляется человеком.

В истинное время установлено, что главным механизмом, заряжающим “небо” относительно Земли являются грозы. Капли воды и кристаллы льда, перемещаясь вниз к основанию грозовой тучи собирают на для себя имеющиеся в атмосфере отрицательные заряды и тем заряжают нижнюю часть грозового облака отрицательным электричеством до потенциалов, во много раз превосходящих потенциал Земли. В итоге меж Землей и тучей возникает весьма огромное электронное поле, направленное в обратную сторону по сопоставлению с полем, существующем в светлую погоду. Поблизости выступающих с поверхности Земли проводящих предметов это поле еще усиливается и оказывается достаточным для ионизации газа, которая наращивается по лавинообразному закону. В итоге возникает весьма мощнейший электронный разряд, именуемый молнией. Вопреки бытующему воззрению, молния начинается на Земле и лупит в тучу, а не напротив.

Свойственное для ясной погоды электронное поле напряженностью 100В/м не удается не только лишь применять, но даже почувствовать, хотя на равной росту человека высоте при его отсутствии оно делает разность потенциалов около 200В. Предпосылкой этого является низкая проводимость воздуха и, как следствие, малые плотности текущих на поверхность Земли токов. Введение в электронную цепь неплохого проводника (человека), шунтирующего двухметровый воздушный столб, фактически не изменяет суммарного сопротивления цепи “небо-Земля”, ток в какой остается постоянным. Вызываемое им падение напряжения на теле человека составляет около U=IR=0.2мкВ, что лежит существенно ниже порога чувствительности нашего организма.

электронный ток в {живых} тканях.

Принципиальная роль электронных импульсов для жизнедеятельности организмов предполагалась еще наиболее 200 лет вспять. На данный момент понятно, что эти импульсы употребляются для обеспечения управления работой органов и передачи инфы меж ними в процессе жизнедеятельности. Роль кабелей для передачи сигналов в сложнейшем “био компе” играют часть нервной системы; покрытая оболочкой структура, состоящая из пучка часть нервной системы; структура, базу которых составляют узко спец клеточки — нейроны. Главные функции этих клеток — прием, обработка и усиление электронных сигналов. Нейроны связываются друг с другом в “сеть” с помощью особых удлиненных выростов — аксонов, выполняющих функции проводников. Исследования распространения электронных сигналов в аксонах производились вместе биологами, химиками и физиками в 30-60 годах нашего века и явились одним из первых успешных примеров плодотворного сотрудничества представителей смежных естественных наук.

Как оказывается, характеристики электронных импульсов, распространяющихся в аксонах значительно различаются от обычных для электротехники: 1) скорость распространения импульсов по аксону оказывается на несколько порядков меньше соответствующих для железных; 2) опосля прохождения электронного импульса существует “мертвое” время, в течение которого распространение последующего импульса нереально; 3) существует пороговое значения импульс по аксону не передается (“аккомодация”).

Перечисленные несвойственные для классической электротехники индивидуальности проводимости аксонов отыскали разъяснения в рамках очень специфичного электро-химического механизма, центральная роль в каком принадлежит полу проницаемой для ионов клеточной мембране, отделяющей содержащий аномально высшую концентрацию ионов K+ и низкую — Na+ внутренний размер клеточки (и ее аксона) от окружающей среды, заполненной физиологическим веществом. В итоге хаотического термического движения частиц через границу меж областями с разными концентрациями положительных ионов появляются диффузионные потоки (K+ — из клеточки, Na+ — вовнутрь ее), скорости которых регулируются проницаемостью клеточной мембраны и электронной разностью потенциалов по обе стороны от нее. Конфигурации проницаемости мембраны для всякого из ионов приводит к изменению количества заряженных частиц, пересекающих границу и, как следует, к изменению электронного потенциала аксона относительно наружной среды. Как проявили опыты, проводимость участка мембраны меняется зависимо от приложенной к нему разности потенциалов. Т.о. подаваемый на участок аксона электронный импульс изменяет на маленькое время (зависящее от параметров аксона) проводимость мембраны, что ведет к перераспределению зарядов, усилению импульса и формированию его заднего фронта. При всем этом аксон сразу играет роль проводника и “усиливающих подстанций — ретрансляторов”, что дозволяет избежать затухания сигналов, передаваемых в организме на довольно огромные расстояния.

Любопытно, что очень схожую делему с той, что была решена природой, незадолго до раскрытия механизма проводимости аксона пришлось решать в радиотехнике при попытке организовать транс Атлантическую кабельную связь. Для того, чтоб избежать затухания и преломления сигнала в длинноватой полосы, кабель пришлось поделить на сравнимо недлинные звенья, меж которыми были помещены усилители. Опыт, скопленный физиками при разработке длинноватых линий кабельной связи значительно облегчил решение препядствия о механизме электропроводности аксона.

]]>