Постоянный электрический ток

Основные понятия и физические характеристики этого раздела рассматриваются в 8 классе.

Электродвижущая сила

Силы, которые в источнике тока отделяют (вопреки электростатическим силам) разноименные заряды, имеют название сторонних сил. Примеры различных по природе сторонних сил: электрохимические, термоэлектрические, фотоэлектрические и др.
Энергетическая характеристика источника тока называется електрорушійною силой (ЭДС) и обозначается : ; (вольт).
ЭДС численно равна работе сторонних сил при переносе единичного заряда в кругу.

Закон Ома для полной цепи

По закону Ома сила тока в замкнутом круге , где r - сопротивление источника тока (внутреннее сопротивление), R - сопротивление потребителей электрической энергии и соединительных проводников.

Соединение проводников

Проводники можно соединять последовательно или параллельно.
1) При последовательном соединении проводников все электроны проводимости (весь ток) проходят через каждый из проводников, вследствие чего увеличивается число столкновений электронов с ионами, т.е. увеличивается сопротивление участка:
; ;
.

2) При параллельном соединении проводников ток растекается: часть идет через , часть - через и т. д., что приводит к увеличению электропроводности и уменьшение сопротивления:
;
; .

Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость

При повышении температуры увеличивается амплитуда и негармонічність колебаний ионов решетки, поэтому возрастает сопротивление металла. Удельное сопротивление металла зависит от температуры почти линейно: , где - термический коэффициент сопротивления. Для металлов .
При снижении температуры уменьшается. При очень низких температурах линейность зависимости нарушается, а у некоторых металлов при определенной температуре сопротивление скачкообразно исчезает (например, у ртути, что было обнаружено в 1911 г.). В 1986 г. была открыта сверхпроводимость спрессованных порошков («керамики») оксидов металлов при температуре 35 К. Через несколько лет были найдены рецепты керамики, которая становилась надпровідною при охлаждении сжиженным азотом (), а затем - и при менее низких температур.

Ток в электролитах. Законы электролиза

Электролиты (кислоты, щелочи, соли) - это вещества, которые в водных растворах и в расплавах проводят ток, имея проводимость ионного типа, то есть ток создается срямованим движением не электронов (как в металлах), а ионов обоих знаков.
Окислительно-восстановительные реакции на электродах и в электролите называют электролизом (на электродах осаждаются ионы, выделяющиеся из электролита).
Законы электролиза (законы Фарадея):
1) , где m - масса вещества, выделяющегося при прохождении тока через электролит, q - заряд, который переносится ионами, k - электрохимический эквивалент вещества.
2) Электрохимический эквивалент k прямо пропорционален химическому эквиваленту , где M - масса моля вещества, n - его валентность: , .
Величина - стала Фарадея.
Объединенный закон электролиза:
.

Ток в вакууме. Электронная эмиссия. Диод

Вакуум в сосуде - это настолько разреженное состояние газа, что его молекулы сталкиваются друг с другом реже, чем со стенками сосуда.
Вакуум - изолятор, ток в нем может возникнуть только за счет искусственного введения заряженных частиц. Для этого используют эмиссию (испускание) электронов. В вакуумных лампах может происходить или термоелектронна эмиссия, или фотоэлектронная (в фотодіоді).
В первых конструкциях вакуумных двохелектродних ламп (диодов) использовались катоды прямого накала (а); затем начали изготавливать диоды с катодами косвенного нагрева (б).

Диод имеет одностороннюю проводимость, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

Ток в полупроводниках. Электропроводность полупроводников

Полупроводники - вещества, по проводимостью стоят между проводниками и диэлектриками. Примеры: германий, кремний и др. В этих кристаллах очень мало свободных электронов, повышение температуры увеличивает их число, уменьшая сопротивление кристалла.
В полупроводниках, помимо направленного движения электронов, рассматривается также движение положительно заряженных «частиц» - «дырок». Дырка - это вакансия в связях между атомами Германия или Кремния. Она не может существовать в ваку-уме. И электронная и дырочная проводимости чистых кристаллов (собственная проводимость) слабые.
Внесение в кристалл, состоящий из атомов чотиривалентних элементов (Германий, Кремний), примесей различной валентности резко усиливает проводимость одного типа. Кристалл с усиленной электронной проводимостью - n-кристалл, а с усиленной дырочной проводимостью - p-кристалл. В первом случае используются примеси-доноры с валентностью, большей 4 (п'ятивалентні Стибій и Фосфор). Во втором случае используются примеси-акцепторы с валентностью 3 (Арсен, Алюминий).

Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод. Транзистор

Если одна часть полупроводникового кристалла имеет n-проводимость, а другая - p-проводимость, то это уже n-p-кристалл. Граница контакта зон с различной проводимостью - n-p-переход. Он имеет одностороннюю проводимость.

Схеме (а) подключение n-p-кристалла к источнику тока соответствует очень слабый ток через кристалл, а схеме (б) - сильный. Иначе говоря, в схеме (б) соответствует включение двойного кристалла в пропускном направлении, а схеме (а) - в запираючому.
Односторонняя проводимость n-p-перехода позволяет использовать двойной кристалл в роли выпрямителя переменного тока (подобно вакуумного диода).

Полупроводниковый триод (транзистор)

Транзистор состоит из трех полупроводниковых кристаллов с примесной проводимостью. Созданы транзисторы с разным чередованием кристаллов: n-p-n или p-n-p.


Транзисторы используют для генерирования или усиления радиосигналов.
Изменяя разность потенциалов между эмиттером и базой (подавая на них переменную ), можно управлять коллекторным током.

Ток в диэлектриках

Поляризация диэлектриков в переменных электрических полях рассматривается как своеобразный ток (ток смещения связанных зарядов диэлектриков). В электрической цепи переменного тока, содержащей конденсатор, токи проводимости в проводниках замыкается током смещения в конденсаторе.

Ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды. Понятие о плазме

Газ может стать проводником при значительном нагревании или при воздействии на него ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Внешние ионизаторы превращают часть молекул газа на положительные ионы, відщеплюючи от молекул электроны. В результате присоединения электронов к нейтральным атомам в некоторых газах могут образовываться и отрицательные ионы.
Электрический ток в газе называют газовым разрядом.
Разряд, который возникает только в присутствии внешнего ионизатора, - несамостоятельный. Ток в газе, который не исчезает при устранении внешнего ионизатора, - самостоятельныйразряд. Таком разряда соответствует участок CD вольт-амперной характеристики газового разряда. Самостоятельный разряд поддерживается положительными ионами газа, которые в достаточно сильных полях: а) выбивают электроны с катода; б) вызывают ударную ионизацию молекул газа. Спад напряжения на участке CD - следствие существенного уменьшения сопротивления газового промежутка между электродами в разрядной трубке.

Плазмой называется газ со значительной степенью ионизации молекул. Различают плазму низко- (плазму газового разряда) и высокотемпературную (в недрах Солнца и других звезд).