Электрический ток в разных средах
Сверхпроводимость
![]() |
0
Так назвали открытое Камерлинг – Оннесом в 1911г. явление полного исчезновения сопротивления ртути, охлажденной сжиженным гелием. Затем сверхпроводимость была обнаружена и у других металлов: и др.
В 1986г. Мюллер и Беднорц обнаружили сверхпроводимость «керамики» (спрессованных порошков окислов металлов) при . Позже были найдены составы керамики, обладающие сверхпроводимостью при охлаждении сжиженным азотом (около 77 К) и при еще более высоких температурах.
Ток в электролитах. Электролиз.
![]() | |||
![]() |
электроды
![]() | ![]() | ||||
![]() | |||||
+
-
Электролиты (кислоты, щелочи. соли) – вещества, которые в водных растворах и в расплавах проводят ток, имея проводимость ионного типа.
Окислительно – восстановительные реакции на электродах, находящихся в электролите, называют электролизом. При этом из электролита выделяются ионы и осаждаются на электродах.
Положительно заряженный электрод (здесь, а также в радио- и электротехнических устройствах) называют анодом (от греческого – восхождение); отрицательно заряженный электрод – катодом (от греческого –спуск).
Формула Фарадея для определения массы осаждающегося на электродах вещества:
,
где - масса моля,
- сила тока,
- время его прохождения,
- постоянная Авогадро,
- заряд электрона,
- валентность,
- постоянная Фарадея (иногда
называют числом Фарадея),
- электрохимический эквивалент.
Ток в газе
Газ может стать проводником или при значительном повышении температуры, или при действии на него ультрафиолетового, рентгеновского или гамма-излучения. Все это – внешние ионизаторы, превращающие часть молекул газа в положительные ионы вследствие отделения от молекул электронов.
Электрический ток в газе называют газовым разрядом.
![]() |
О
Участок ОА вольт - амперной характеристики: при увеличении приложенного напряжения все больше заряженных частиц, образуемом внешним ионизатором, отводится к электродам.
Участок АВ соответствует троку насыщения: все образующиеся в единицу времени электроны и ионы сразу же отводятся к электродам.
При ускоряющем ускорении приобретаемая электронами энергия достаточна для ударной ионизации ими молекул газа; идет лавинообразное увеличение числа электронов и ионов.
Несмотря на большие значения токов в интервале между и
, устранение внешнего ионизатора приводит к исчезновению разряда.
Разряд, происходящий только в присутствии внешнего ионизатора, называют несамостоятельным.
Разряд становится самостоятельным при дальнейшем усилении электрического поля, ускоряющего электроны и ионы. В достаточно сильных полях положительные ионы: а) выбивают электроны из катода; б) ионизируют молекулы газа, сталкиваясь с ними.
Возникновение самостоятельного разряда приводит к спаду напряжения между электродами в газе (из-за существенного уменьшения сопротивления газового промежутка), участок .
В зависимости от давления газа, формы электродов и приложенного напряжения могут происходить самостоятельные разряды различных типов: тлеющий, дуговой, коронный, искровой.
Ток в вакууме
Эмиссия электронов
Вакуум в сосуде – это настолько разряженное 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 с нагреваемыми катодами происходит термоэлектронная эмиссия, а в фотодиоде – фотоэлектронная.
Вакуумные диод и триод
![]() |
катод
анод
накал
А А
а) б)
![]() | ![]() |
К
К Н
В первых конструкциях вакуумных двухэлектродных ламп (диодов) использовались катоды прямого накала (вольфрамовый катод был одновременно и нагревателем, и источником эмиссии (а)).
Затем начали изготавливать диоды с катодами косве6нного нагрева («подогревными»). При этом источники эмиссии – окислы металлов с малой работой выхода из них электронов, но с большим электросопротивлением, поэтому нагреватель в таких диодах отделен от катода (б).
Диоды служат для выпрямления переменного тока: в те полупериоды, когда потенциал электрода, испускающего электроны, становится положительным, ток через диод не идет. Итак, вакуумный диод обладает односторонней проводимостью, что позволяет использовать его как выпрямитель.
катод
![]() |
анод
сетка
![]() |
А
сетка
К
В трехэлектродных вакуумных лампах (триодах) содержится еще один электрод (сетка, управляющий электрод). Измерение разности потенциалов между сеткой и катодом приводит к изменению тока через лампу. Подавая «на вход» лампы (катод – сетка) слабый переменный электрический сигнал, получают «на выходе» (катод – анод) усиленный сигнал такой же формы, как у входного сигнала.
Вакуумный триод благодаря наличию сетки может использоваться в роли усилителя.
Ток в полупроводниках
Полупроводники ( и др.) – вещества, по проводимости находящиеся между проводниками и диэлектриками. В отличие от проводников (металлов), сопротивление полупроводников резко возрастает при понижении температуры.
Чистые (беспримесные) полупроводники обладают не только электронной (как металлы), но и дырочной проводимостью. Проводимости обоих типов слабые. Введение в полупроводниковый кристалл специальных примесей резко усиливает проводимость того или иного типа. Кристалл с усиленной электронной проводимостью - - кристалл, а с усиленной дырочной проводимостью -
- кристалл.
Полупроводниковый диод
а) − + б) − +
изображения полупроводниковых диодов
Если часть кристалла имеет - проводимость, а часть -
-проводимость, то это уже
-
-кристалл. Граница контакта зон с различной проводимостью -
-
- переход. Он обладает односторонней проводимостью.
объединение носителями обогащение носителями
заряда заряда
![]() | |||||||||||
![]() | |||||||||||
![]() | ![]() | ||||||||||
![]() | ![]() | ||||||||||
![]() | |||||||||||
+ − − +
а) б)
|


Слабый (но отличный от нуля) обратный ток создается движением неосновных для каждого из кристаллов носителей заряда (электронов в -кристалле и дырок в
-кристалле).
прямой ток
![]() |
обратный ток
Транзистор
Так называется устройство из трех полупроводниковых кристаллов с примесной проводимостью. В транзисторах различного типа чередование кристаллов различно: или
.
Транзисторы в основном используются для генерирования и усиления радиосигналов. Транзистор ( ) по принципу действия подобен вакуумному триоду. Транзисторы (
) также используются во многих схемах, но объяснение принципа их действия сложнее (приходится говорить об эмиссии дырок, а не электронов).
Достоинства полупроводниковых диода и триода: малые размеры, большие механическая прочность и долговечность, невысокое рабочее напряжение. Недостаток – резкая зависимость электрических характеристик от температуры окружающей среды.
1)
эмиттер база коллектор
- - + -
+ -
- +
- - -
+ -
- -
+ - +
+ -
-
- + + -
![]() | |||
![]() |
2)
катод сетка анод
![]() |
-
![]() | |||||||||||
![]() | |||||||||||
![]() | |||||||||||
![]() | |||||||||||
![]() | |||||||||||
![]() | |||||||||||
1) транзистор 2) триод
Левый - кристалл по своей роли похож на катод вакуумного триода и называется эмиттером; правый
- кристалл подобен аноду и называется коллектором;
- кристалл подобен сетке и называется базой. Меняя разность потенциалов между эмиттером и базой (подавая на них изменяющееся
), можно управлять коллекторным током.
а) б)
![]() | ![]() |
э к э к
![]() | ![]() |
б б
Обозначения
а) - транзистора
б) - транзистора
МАГНЕТИЗМ
Раздел физики, изучающий взаимодействие движущихся электрических зарядов и явления, обусловленные магнитным полем таких зарядов (раздел «Магнетизм», как и раздел «Электрический ток», можно называть «Электродинамика»).
Магнитное поле. Экспериментальные факты
«Подпрыгивание» гвоздей к магниту (напоминающее «подпрыгивание» кусочков бумаги к наэлектризованному телу), т.е. дальнодействие магнитных сил, - основание для введения понятия магнитного поля как вида материи, служащей посредником в магнитном взаимодействии.
Представление о конфигурации магнитного поля получили с помощью железных опилок, выявивших картину линий магнитного поля.
Установлено:
а) эти линии замкнуты;
б) между разноименными полюсами магнита эти линии практически параллельны (т.е. поле почти однородно).
Направление линий поля связали с направлением северного полюса магнитной стрелки, внесенной в поле (рис. а).
![]() |
а)
![]() |
![]() | ![]() | ||||||
![]() | |||||||
![]() | |||||||
S
![]() |
N
NN
![]() | |||
![]() | |||
б)
![]() |
![]() | ![]() | ||||
![]() | |||||
![]() |
![]() |
При помощи маленького заряженного тела (пробного заряда, рис. а, б) установлено:
а) если , то и
(а);
б) если , то и
(б).
Чем больше , тем больше
. Пусть вектор
перпендикулярен линиям магнитного поля.
Тогда . Итак,
.
Индукция магнитного поля. Сила Лоренца
Чем более сильный магнит используется в опытах, тем сильнее действует его поле на один и тот же
. Коэффициент пропорциональности, учитывающий силовые качества данного поля, назвали индукцией В магнитного поля. Тогда:
, или
(последний вариант формулы удобен для записи ).
Эту силу, действующую на движущийся в магнитном поле заряд, часто называют силой Лоренца .
Индукция магнитного поля численно равна силе, действующей в магнитном поле на единичный заряд, влетевший с единичной скоростью в магнитное поле перпендикулярно линиям магнитного поля (линиям индукции):
;
Если вектор не перпендикулярен вектору
, то
, где
- угол между
и
.
Индукция магнитного поля - вектор, направление которого связывают с направлением полюса
магнитной стрелки.
Магнетизм токов в проводниках различной формы
Как в случае постоянных магнитов, так и в случае проводников с током, вблизи них обнаруживается магнитное поле. Результирующее поле магнита создается множеством микромагнитов (атомарных микротоков), а поле проводника или катушки с током – множеством движущихся в них электронов.
а)
![]() |
Линии вектора индукции поля прямолинейного проводника с током (а) – концентрические окружности, охватывающие проводник (здесь линии выявлены железными опилками).
N
б)
![]() |
I
![]() | |||
![]() | |||
S
в) N
I
![]() |
S
Линии вектора поля, созданного током в одиночном круговом проводнике (б) и в их совокупности (в) (катушке или соленоиде), перпендикулярны плоскости витков, проходят внутри них и замыкаются снаружи.
Сила ампера
Поместим проводник с током во внешнее магнитное поле. На каждый из электронов, создающих ток, будет действовать сила Лоренца. Она очень мала, но таких электронов в проводнике множество, и движутся они в одном направлении. Поэтому результирующая всех сил Лоренца (сила Ампера) оказывается способной перемещать весь проводник. Получим формулу для вычисления силы Ампера:
Итак:
Отсюда – еще одна формула индукции:
Направление силы Ампера (и силы Лоренца) удобно определять, пользуясь «правилом левой руки».
Закон взаимодействия прямолинейных
проводников с током (закон Ампера)
![]() | ![]() | ||||||
![]() | ![]() | ||||||
![]() |
![]() | |||
![]() | |||
![]() | |||
![]() | |||
![]() |
Пусть по дум «бесконечно длинным» (таким, длина которых значительно больше диаметра) параллельным проводникам текут токи и
; проводники - в воздухе. Каждый из проводников оказывается в магнитном поле второго проводника.
Так, магнитное поле тока действует на участок длиной
проводника с током
силой Ампера
(в этом случае
).
Учитывая, что модуль вектора прямо пропорционален току
и обратно пропорционален длине окружности линии индукции, запишем:
.
Здесь - магнитная постоянная, равная
,
т.е. или
.
Подставим выражение в формулу силы взаимодействия проводников (учитывая, что
):
- закон Ампера.
Формулировка единицы силы тока
Пусть .
Тогда 1 ампер – это сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум прямолинейным, бесконечно длинным и таким тонким проводникам, сечением которых можно пренебречь, расположенным в вакууме (или воздухе) параллельно на расстоянии 1м друг от друга, вызывает между ними силы взаимодействия, каждая из которых численно равна на каждый метр длины проводников.
Рамка с током в магнитном поле
D
А
C
![]() |
B
![]() |
На стороны АВ и DC магнитное поле будет действовать силами Ампера, силами
и
, образующими пару сил. Момент этой пары оказывает на рамку вращающее действие. Этот момент максимален, когда плоскость рамки перпендикулярна торцевым плоскостям магнита (самое неустойчивое положение рамки), и равен нулю при параллельности этих плоскостей.
.
Произведение называют магнитным моментом рамки
. Иногда его считают вектором, направленным вдоль нормали к плоскости рамки по правилу буравчика.
Вещества в магнитном поле
При внесении различных веществ в магнитное поле индукцией в них происходят различные процессы, приводящие к появлению собственного поля индукцией
.
1) Если направление противоположно направлению
, то результирующее поле в веществе немного слабее внешнего. Такое вещество – диамагнетик.
2) Если ║
, то результирующее поле в веществе лишь немного сильнее внешнего, такое вещество – парамагнетик. В обоих случаях
.
3) Есть вещества, в которых (как и в случае 2) ║
, но
. Такие вещества – ферромагнетики.
Величина, показывающая, во сколько раз численное значение индукции результирующего поля в веществе отличается от значения индукции внешнего поля, называется магнитной проницаемостью вещества:
.
Диамагнетиками ( , например
=0,999987) оказываются вещества, в валентных оболочках атомов которых содержится четное число электронов. При этом магнитные моменты половины этих электронов имеют одно направление, другой половины – противоположное, в результате атом не является микромагнитом. Силы Лоренца внешнего поля ускоряют половину валентных электронов атома и замедляют другую половину, превращая атом в микромагнит, направление индукции микрополя которого противоположно направлению
. Результат:
, где
- модуль индукции собственного поля вещества.
Примеры диамагнетиков: .
Парамагнетики ( , например
=1,000023) - вещества, валентные оболочки атомов которых имеют нечетное число электронов, так что и в отсутствие внешнего поля каждый атом – микромагнит, но различные микромагниты ориентированы в веществе произвольно (а).
а)