Spkb-optics.ru

СПКБ Оптик
5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Протекание тока через диэлектрик

Почему на электрических схемах ток течет от + к -, а в реальном проводнике электроны движутся к аноду?

На предыдущих уроках мы изучили практически все понятия, связанные с возникновением электрического тока: электрические заряды, электрическое поле, источники тока, простейшие электрические цепи и электрические схемы. Теперь нам предстоит выяснить, как течёт электрический ток в металлах, какие действия оказывает электрический ток, а также направление тока.

Металлы, как мы выяснили из экспериментов на предыдущих уроках, хорошо проводят электрический ток. Для того чтобы пояснить этот факт, зададимся вопросом: а что же такое металлы?

Металлы, как правило, – это поликристаллические вещества (состоящие из множества кристаллов) (Рис. 1, 2).


)

Рис. 2. Структура железа ()

Проводимость жидкостей

Для того, чтобы вещество могло проводить электрический ток, оно должно содержать некоторую концентрацию заряженных частиц, способных двигаться под действием электрического поля. Как и в твердых телах, такие частицы имеются не во всех жидкостях, поэтому жидкости также, как и твердые тела, могут быть проводниками и диэлектриками. Например, химически чистая вода практически не содержит носителей заряда, и является диэлектриком.

Однако, проводимость жидкостей, содержащих свободные заряженные частицы, существенно отличается от проводимости твердых тел. Если в твердых телах атомы выстраиваются в плотную кристаллическую решетку, и электроны могут достаточно свободно перемещаться между атомами, обеспечивая металлическую проводимость, то в жидкостях свободных электронов нет. Молекулы жидкости располагаются на достаточно больших расстояниях, и электроны не могут свободно покидать ядра.

Рис. 1. Молекулы жидкости.

Поэтому проводимость жидкостей обеспечивается исключительно за счет наличия в ней заряженных ионов.

Электрический ток и поток электронов

Разобравшись в том, что в большинстве случаев носителями электрических зарядов являются электроны, необходимо понять, почему они движутся. Для этого необходимо заглянуть в микромир частиц – атомов и понять их строение, физические процессы, происходящие с ними.

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него множества электронов, количество которых зависит от суммарного заряда ядра. Электроны передвигаются по определенным траекториям – орбиталям (уровням). При этом те из них, которые располагаются ближе всего к ядру, удерживаются им очень сильно и не участвуют в химических реакциях и физических процессах. Те частицы, которые находятся на внешних уровнях, являются активными и определяющими способность того или иного атома к химическому взаимодействию и образованию свободных зарядов. Их называют валентными.

Активность и способность атомов к отщеплению свободных электронов зависят от количества частиц на внешних уровнях. Так, у одних веществ многочисленные электроны удалены от ядра, поэтому срываются со своих орбиталей и начинают устремляться к другим атомам, в результате чего наблюдается перемещение свободных зарядов. При подаче электрических потенциалов (напряжения) движение электронов становится направленным, появляется электрический ток. Поэтому твердые тела (например, металлы) с большим количеством свободных электронов являются проводниками.

У диалектиков частицы, способные переносить электрический заряд, отсутствуют – у них мало электронов на внешних уровнях, поэтому они не могут срываться, переходя сначала в хаотичное, потом и в направленное движение.

Промежуточное положение между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники, электропроводность которых зависит от внешних факторов (температуры, освещенности и т.д.).

Эксперимент первый. Выбор поглотителя

Через сутки после загрузки воды в кювету темновой ток (ток в цепи при отключенном источнике света) становится практически постоянным. Почему это происходит, пока неясно.

Сколь бы маломощна ни была лампа, играющая роль источника света, но нагрев жидкости в кювете все-таки возможен. А значит, нужен термометр, позволяющий контролировать и этот процесс. Конструкция кюветы позволяет установить небольшой градусник, а лучше термопару, без особых проблем.

К фототоку можно относиться двояким образом. Прежде всего, это процесс изменения тока в цепи, обусловленный оптическим облучением. Количественная характеристика этого процесса может тоже именоваться фототоком: можно договориться, что это ток в цепи в определенный момент времени минус ток в цепи в момент включения источника света.

Первое измерение проводим без поглотителя; в рабочем журнале набор чисел отмечаем перечеркнутой букой П. В глаза бросаются две особенности: возрастание тока в цепи начинается почти сразу же после включения источника света и прекращается сразу же после выключения лампы (рис. 3). При этом, что важно, температура жидкости еще сравнительно долго продолжает расти (рис. 4). Появляется убежденность, что такое изменение фототока невозможно объяснить ни нагревом жидкости, ни влиянием света на протекание химических реакций. То и другое в подавляющем большинстве случаев — сравнительно медленные процессы.

Читать еще:  Розетка условные обозначения план

Дальше начинается самое интересное и не противоречащее ни здравому смыслу, ни известным и устоявшимся представлениям. Использование в качестве поглотителя стеклотекстолита толщиной 2 мм с нанесенным сверху слоем меди толщиной 0,1 мм (П = Cu+) подавляет эффект лишь наполовину (см. рис. 3). Гораздо сильнее действует гофрированный картон толщиной 3 мм с наклеенной сверху алюминиевой пленкой толщиной 0,05 мм (П = Al+). В этом нет ничего странного: медь обладает большой теплоемкостью, а картон — низкой теплопроводностью. При первом поглотителе максимальное изменение температуры составило 1,5°C, а при втором — около 0,5°C. Следует обратить внимание на еще одно важное обстоятельство: в начале экспозиции фототок растет, а температура жидкости если и увеличивается, то несущественно. Следствие может отставать от причины, но не наоборот.

Конечно же, все три зависимости соответствуют одному и тому же положению лампы. При отсутствии поглотителя средняя освещенность поверхности жидкости составила 15000 лк (напомним, что в люксах измеряется освещенность в Международной системе единиц — СИ).

Итак, первый эксперимент, заключающийся в ежеминутных измерениях падения напряжения и температуры в течение нескольких часов, подтвердил предположение о том, что электрический ток в жидкости, по крайней мере частично, имеет фотоэлектрическую природу.

Проводники, изоляторы и полупроводники

Любое тело состоит из молекул и атомов. Атом включает в себя отрицательно заряженные электроны и положительно заряженное ядро. Электроны в атоме совершают орбитальные вращения вокруг ядра. В том случае, если сумма отрицательно заряженных электронов равна положительному заряду, то атом считается электрически нейтральным. В таблице Менделеева порядковый номер элемента определяется числом электронов атома с нейтральным зарядом. Электрический заряд электрона равен -1,6*10 -19 Кл. Заряд ядра по абсолютному значению равен заряду электрона, умноженному на число электронов атома с нейтральным зарядом.

Электроны атомов, как правило, расположены на внешних или внутренних орбитах. Те электроны, что расположены на внутренних орбитах, относительно прочно связываются с ядром атома. Валентные электроны, т.е. те, которые находятся на внешних орбитах, могут отрываться от атома и находиться в «свободном» состоянии до тех пор, пока не присоединятся к новому атому. Атом, у которого отсутствует какое-либо количество электронов называется ионом с положительным зарядом. А вот атом, к которому присоединились электроны, называется ионом с отрицательным зарядом.

Процесс формирования ионов называется — ионизацией.
Количество «свободных» ионов или электронов, т.е. частиц, переносящих заряд, в единице объема вещества называют концентрацией носителей заряда.
Электрический ток — это упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных частиц.
Электропроводность — это способность вещества, под действием электрического поля, проводить через себя электрический ток.

Чем выше концентрация носителей заряда в веществе, тем больше его электропроводность. В зависимости от способности проводить электрический ток, вещества разделяют на 3 группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники электрического тока

Проводникиэто вещества с высокой электропроводностью. Проводников бывает 2 типа: с электронной проводимостью и ионной проводимостью. К электронной проводимости относятся металлы и их сплавы. В металлах электрический ток создается перемещением электронов. Проходящий через такие проводники ток никак не сказывается на материале и не изменяет его химическую составляющую.

Высокий уровень электропроводности металлов обусловлен тем, что в них много «свободных» электронов, находящихся в состоянии беспорядочного движения и заполняющие объём проводника словно газ. При таком активном движении электроны сталкиваются с ионами неподвижной кристаллической решётки, состоящей из атомов вещества. В следствии чего электроны изменяют направление движения, скорость и свою кинетическую энергию.

Если в проводнике 1-го типа есть электрическое поле, то на заряды проводника действуют силы этого поля, упорядочивая их движение. Свободные электроны двигаются не в хаотическом порядке, а в одном направлении противоположно направлению поля (от минусовой клеммы к плюсовой). Данное упорядоченное движение свободных носителей заряда под действием электрического поля является — электрическим током (проводимости).

Читать еще:  Подключение розеток через распаечные коробки

Проводники 2-го типа представляют собой растворы или расплавы солей, кислот, щелочей и т. п. в которых не завися от прохождения тока наблюдается электролитическая диссоциация.

Электролитическая диссоциацияэто процесс распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы.

Положительные ионами выступают водород и ионы металлов. Отрицательные — гидроксильная группа и кислотные остатки.

Данные растворы или расплавы состоящие из ионов, частично или полностью, называются электролитами. Без воздействия внешнее электрическое поля, молекулы и ионы такого проводника будут находиться в состоянии хаотического движения.

При возникновении в таком проводнике электрического поля, движение ионов приобретает направленное упорядоченное движение, т. е. через проводник протекает ток (проводимости). Положительные ионы двигаются по направлению поля, а отрицательные против.

Полупроводники

Полупроводникиэто вещества, электропроводность которых зависит от температуры, освещенности, электрических полей и примесей. К таким материалам относят: кремний, теллур, германий, селен, соединения металлов с серой и окислы металлов. Полупроводники отличаются еще и тем, что кроме электронной проводимости имеют и дырочную электропроводность. Дырочная электропроводность вызывается движением «дырок» из-за влияния электрического поля. «Дырки» — это свободные места в атомах, которые не заняты валентными электронами. Это подобно тому, что положительно заряженные частицы перемещаются так же, как и заряды, равные зарядам электронов. На сегодняшний день, использование полупроводников широко распространено в разных устройствах и приборах, например, в фоторезисторах и полупроводниковых диодах.

Электрические диэлектрики

Диэлектрикиэто те вещества, в которых при нормальных условиях очень малое количество свободных электрически заряженных частниц. В следствии чего они обладают низкой электропроводностью. К диэлектрикам относятся газы, минеральные масла, лаки и твердые материалы (кроме металлов). Однако, если на диэлектрик будет действовать высокая температура или сильное электрическое поле, то начнется расщепление молекул на ионы, которые потеряют вследствие этого воздействия свои изолирующие свойства.

§ 3.7. Электрический ток в газах

Электрический разряд в газах

Все газы (в том числе и воздух) в естественном состоянии не проводят электрического тока, т. е. являются изоляторами (см. § 3.1). Именно по этой причине оказывается возможным строить «воздушные» линии электропередачи. На свойстве воздуха быть изолятором основана работа обыкновенного выключателя электрического тока, применяемого в ваших квартирах. Поворачивая выключатель, мы создаем воздушный промежуток между двумя точками электрической цепи и тем самым размыкаем ее.

В том, что воздух является плохим проводником электрического тока, можно убедиться непосредственно на следующем опыте. Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его (рис. 3.10, а). При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается — положение стрелки электрометра не изменяется. Чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал.

Изолирующие свойства газов (воздуха) объясняются отсутствием в них свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.

Видоизменим наш опыт. Нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки (рис. 3.10, б). Заметим, что угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т. е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора — конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником и в нем устанавливается электрический ток.

Процесс протекания тока через газы называют, электрическим разрядом в газах.

Ионизация газов

Рассмотренный выше опыт показывает, что в воздухе между дисками под действием пламени появились заряженные частицы. Тщательными исследованиями было установлено, что носителями электрических зарядов в газах являются ионы и электроны. Откуда же они берутся?

При нагревании газа (воздуха) молекулы начинают двигаться быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается на положительно заряженные ионы и электроны (рис. 3.11). Чем выше температура, тем больше образуется ионов. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газа.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизоваться под воздействием других факторов, важнейшими из которых являются рентгеновские лучи и излучения радиоактивных веществ, ультрафиолетовые лучи и т. д. Факторы, вызывающие ионизацию газа, называются ионизаторами.

Читать еще:  Мощная розетка 12 вольт

В газе могут образовываться и отрицательные ионы: они появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам или молекулам газа (рис. 3.12).

Итак, в ионизованном газе имеются носители зарядов трех сортов: электроны, положительные ионы и отрицательные. Ионизация газов имеет сходство с электролитической диссоциацией, заключающееся в том, что в обоих явлениях образуются заряженные частицы из нейтральных молекул. Однако здесь имеются и существенные различия. Диссоциация происходит самостоятельно без внешнего воздействия, а ионизация газов — под воздействием ионизатора. Кроме того, при диссоциации образуются заряженные частицы двух сортов — положительные и отрицательные ионы, а при ионизации газов, как мы отмечали, образуются заряженные частицы трех сортов.

Рекомбинация

Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным ему процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов (или из положительных ионов и электронов) вследствие их электрического (кулоновского) притяжения (рис. 3.13). Такой процесс называют рекомбинацией заряженных частиц. Если действие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени восстанавливается столько же молекул, сколько их распадается на ионы. При этом концентрация заряженных частиц в ионизованном газе сохраняется неизменной.

Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшится почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных частиц в газе — явление временное (пока действует ионизатор). Этим ионизация газа отличается от электролитической диссоциации. В растворе количество диссоциированных молекул остается неизменным сколь угодно долго.

Механизм электропроводности газов

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы, движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах (рис. 3.14).

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов — к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.

На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Газовые ионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

Еще одно различие в электропроводности ионизованных газов и растворов (расплавов) электролитов состоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газы переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами, хотя проводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль.

Перспективы применения бетэла

Электропроводящие бетоны характеризуются относительно низкой себестоимостью и технологической доступностью. Только в некоторых случаях их стоимость будет незначительно превышать цену обычных строительных бетонов. Этот факт объясняется использованием при изготовлении электропроводящих бетонных смесей и конечных ЖБК распространенных компонентов (вяжущих, добавок, заполнителей), а также применением освоенных промышленностью технологических процессов.

Бетэл может широко применяться для решения широкого спектра задач в гражданском и сельскохозяйственном строительстве. Например, из него могут изготавливаться панели перекрытий и стен, кровля с внутренним водостоком, полы, фундаменты опор ЛЭП и другие ЖБИ.

Рисунок 4. Электросетевая конструкция из бетона и бетэла: а) ЭК с заземляющей оболочкой из бетона; б) ЭК с нижней частью целиком из бетэла: 1 – бетэл; 2 – арматура; 3 – строительный бетон; 4 – грунт.

При прохождении электротока бетэл, как и всякий другой проводник, подвергается нагреву. Это свойство может использоваться для монтажа электроотопительных элементов зданий. При этом в качестве основных нагревательных элементов можно использовать стандартные плиты перекрытий и стеновые панели, что не требует больших изменений технологической оснастки и конструкций этих элементов.

В случае применения электропроводящего бетона существует возможность замены сложных систем отопления, обеспечивается возможность обеспечения индивидуального микроклимата для жилых помещений, сокращаются сроки монтажа зданий, снижаются эксплуатационные расходы, принципиально изменяются технологии строительства отдельных узлов.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector