Тема: Електричний струм

Електричний струм в різних середовищах

В металевих провідниках слабко зв’язані валентні електрони можуть переміщуватися по об’єму метала під дією малої сили. Ці електрони називають вільними, або електронами провідності.

Електричний струм в металах – це напрямлений рух вільних електронів

Рух вільного електрона в металах обумовлено тепловим рухом. При появі зовнішнього електричного поля в металі окрім теплового руху електронів виникає їх впорядкований рух (дрейф), тобто електричний струм.

 Електричним струмом у розчинах і розплавах електролітів називається напрямлений рух вільних іонів

Електроліт – це розчин чи розплав речовин (солей, кислот та луг), які проводять електричний струм.

Електролітична дисоціація – це розпад молекул електроліта на іони під дією розчинника. Зворотний процес – рекомбінація.

Електроліз – процес виділення речовини на електродах у ході протікання електричного струму через розчин або розплав електроліта.

де М — молярна маса речовини;е — елементарний заряд;

n — валентність.

Електричним струмом у газах (газовим розрядом) називається напрямлений рух вільних електронів, позитивних і негативних йонів

Іскровий розряд  має вид яскравих зигзагоподібних ниток-каналів, що розгалужуються, які пронизують розрядний проміжок і зникають, змінившись новими. Дослідження показали, що канали іскрового розряду починають рости іноді від позитивного електроду, іноді від негативного, а іноді і від якої-небудь точки між електродами.

Це пояснюється тим, що іонізація ударом у разі іскрового розряду відбувається не в усьому об’ємі газу, а  окремими каналами, що проходять в тих місцях, в яких концентрація іонів випадково виявилася найбільшою. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти, яскравим свіченням газу, тріском або громом.

Всі ці явища викликаються електронною і іонною лавиною, яка виникає в іскрових каналах і приводить до величезного збільшення тиску,  ~107−108 Па, і підвищенню температури до 100000 0С.
Характерним прикладом іскрового розряду є блискавка. Головний канал блискавки має діаметр від 10 до 25 см, а довжина блискавки може досягати декількох кілометрів.

 Блискавка є гігантською електричною іскрою.

Молния в замедленной съемке. 7200 кадров в секунду:

//www.easyphysics.in.ua/wp-content/uploads/2016/11/video.mp4

Електрична природа блискавки була вперше доведена відомими дослідами Франкліна з повітряним змієм і численними дослідженнями Ломоносова і Ріхмана. Ломоносов створив першу теорію виникнення електричних розрядів в атмосфері і цим поклав початок науки про атмосферну електрику. Блискавки виникають або між хмарами, або між хмарою і землею.

Число розрядів блискавкиможе досягати декількох десятків, а загальна тривалість ~ 1 c.

Окрім звичних блискавок, спостерігаються так звані кулевидні блискавки.

Вони мають вид куль, що світяться, діаметром 10-20 см, які або поволірухаються, або прикріпляються до нерухомих предметів. Кулевидні блискавкизвичайно зароджуються при ударі дуже сильних блискавок і через декілька секунд зникають з сильним вибухом.

Коронний розряд — це тип самостійного розряду, що виникає в різко неоднорідних електричних полях.

Коронний розряд виникає при нормальному тиску в газі, що знаходиться в сильно неоднорідному електричному полі (наприклад, біля вістрів або дротів ліній високої напруги). При коронному розряді іонізація газу і його свічення відбуваються лише поблизу коронуючих електродів.

У разікоронування катода (негативна корона) електрони, що викликають ударну іонізацію молекул газу, вибиваються з катода при бомбардуванні його позитивними іонами.

Якщо коронує анод (позитивна корона), то народження електронів відбувається унаслідок фотоіонізації газу поблизу анода. Корона – шкідливе явище, що супроводжується витоком струму і втратою електричної енергії.

Для зменшеннякоронування збільшують радіус кривизни провідників, а їх поверхню роблять можливо гладшою. При достатньо високій напрузі між електродами коронний розряд переходить в іскровій.

При підвищеній напрузі коронний розряд на вістрях набуває вигляд витоку з вістря і  руху в часі світлих ліній. Ці лінії, що мають ряд зламів і вигинів, утворюють подібність кисті, унаслідок чого такий розряд називають кистьовим.

Заряджена грозова хмара індукує на поверхні Землі під собою електричні заряди протилежного знаку. Особливо великий заряд накопичується на вістрях. Тому перед грозою або під час грози нерідко на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла. З давніх часів це свічення називають вогнями святого Ельма.

Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді  не тільки металеві предмети, але і кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими пензликами, що світяться.

На коронний розряд доводиться зважати, маючи справу з високою напругою. За наявності виступаючих частин або дуже тонких дротів може початися коронний розряд. Це приводить до витоку електроенергії. Чим вище напруга високовольтної лінії, тим товщими повинні бути дроти.

https://www..com/watch?v=q35l95PyL60

Дуговий розряд — це безперервний процес проходження електричного струму через повітряний зазор між електродами.

Основною причиною дугового розряду є інтенсивний випуск термоелектронів розжареним катодом. Ці електрони прискорюються електричним полем і виробляють ударну іонізацію молекул газу, завдяки чому електричний опір газового проміжку між електродами порівняно малий.

Якщо зменшити опір зовнішнього ланцюга, збільшити силу струму дугового розряду, то провідність газового проміжку так сильно зросте, що напруга між електродами зменшується. Тому  дуговий розряд має спадну вольтамперну характеристику. При атмосферному тиску температура катода досягає 3000 0С.

Електрони, бомбардуючи анод, створюють в ньому поглиблення (кратер) і нагрівають його. Температура кратера близько 4000 0С, а при великому тиску повітря досягає 6000−7000 0С. Температура газу в каналі дугового розряду досягає 5000−6000 0С, тому в ньому відбувається інтенсивна термоіонізація.

 У ряді випадків дуговий розряд спостерігається і при порівняно низькій температурі катода (наприклад, в ртутній дуговій лампі).

У 1876 році П. Н. Яблочков вперше використав електричну дугу як джерело світла. У «свічці Яблочкова» вугілля було розташоване паралельно і розділене зігнутим прошарком, а їх кінці сполучені провідним «запальним містком».

Коли струм вмикався, запальний місток згорав і між вугіллям утворювалася електрична дуга. У міру згорання вугілля ізолюючий прошарок випаровувався. Дуговий розряд застосовується як джерело світла і в наші дні, наприклад в прожекторах і проекційних апаратах.
У 1882 році  М.

 Бенардосом дуговий розряд вперше був використаний для різання і зварювання металу. Розряд між нерухомим вугільним електродом і металом нагріває місце з’єднання двох металевих листів (або пластин) і зварює їх. Цей же метод Бенардос застосував для різання металевих пластин і отримання в них отворів.

Дуговий розряд знайшов застосування в ртутному випрямлячі, що перетворює змінний електричний струм в струм постійного напряму.

Тліючий розряд — спостерігається в газах при низькому тиску (в декілька десятків міліметрів ртутного стовпа і менше).

Якщо розглянути трубку з тліючим розрядом, то можна побачити, що основними частинами тліючого розряду є катодний темний простір, різко віддалене від нього негативне, або тліюче свічення, яке поступово переходить в область фарадєєвського темного простору. Ці три області утворюють катодну частину розряду, за якою слідує основна світиться частина розряду, що визначає його оптичні властивості і звана позитивним стовпом.

Основну роль в підтримці тліючого розряду виконують перші дві області його катодної частини.

Характерною особливістю цього типу розряду є різке падіння потенціалу поблизу катода, яке пов’язане з великою концентрацією позитивних іонів на межі I і II областей, обумовленою порівняно малою швидкістю руху іонів до катоду.

У катодному темному просторі відбувається сильне прискорення електронів і позитивних іонів, що вибивають електрони з катода. У області тліючого свічення електрони створюють інтенсивну ударну іонізацію молекул газу і втрачають свою енергію.

Тут утворюються позитивні іони, необхідні для підтримки розряду. Напруженість електричного поля в цій області мала. Тліюче свічення в основному викликається рекомбінацією іонів і електронів. Протяжність катодного темного простору визначається властивостями газу і матеріалу катода.

У області позитивного стовпа концентрація електронів і іонів приблизно однакова і досить велика, що викликає  високу електропровідність позитивного стовпа і незначне падіння в ньому потенціалу.

Свічення позитивного стовпа визначається свіченням збуджених молекул газу. Поблизу анода знов спостерігається порівняно різка зміна потенціалу, пов’язана з процесом генерації позитивних іонів.

У ряді випадків позитивний стовп розпадається на окремі ділянки, що світяться, розділені темними проміжками.

Якщо електроди зближувати настільки, що відстань між ними стане менше довжини катодного темного простору, то тліючий розряд в газі припиниться. Досліди показують, що за інших рівних умов довжина катодного темного простору обернено пропорційна тиску газу.

Отже, при достатньо низькому тиску електрони, що  вибиваються з катода позитивними іонами, проходять через газ майже без зіткнень з його молекулами, утворюючи електронні, або катодні промені.

Тліючий розряд використовується в газосвітних трубках, лампах денного світла, стабілізаторах напруги, для отримання електронних і іонних пучків. Якщо в катоді зробити щілину, то крізь неї в простір за катодом проходять вузькі іонні пучки − канальне проміння.

Широко використовується явище катодного розпилювання, тобто руйнування поверхні катода під дією іонів, що об нього вдаряються. Ультрамікроскопічні осколки матеріалу катода летять у всі сторони прямолінійними траєкторіями  і покривають тонким шаром поверхню тіл (особливо діелектриків), поміщених в трубку.

У такий спосіб виготовляють дзеркала для ряду приладів, наносять тонкий шар металу на селенові фотоелементи.

Источник

Пройти тест

Источник: https://www.easyphysics.in.ua/11class/elekrodinamika/electriccurent/electric_current_in_different_media/%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%B9-%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BC-%D0%B2-%D1%80%D1%96%D0%B7%D0%BD%D0%B8%D1%85-%D1%81%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%89/

Електричний струм

Електричний струм – упорядкований нескомпенсованих рух вільних електрично заряджених частинок, наприклад, під впливом електричного поля. Такими частинками можуть бути: в провідниках – електрони, в електролітах – іони ( катіони і аніони), в газах – іони і електрони, в вакуумі при певних умовах – електрони, в напівпровідниках – електрони і дірки (електронно-діркова провідність).

Електричний струм широко використовується в енергетиці для передачі енергії на відстані.

В медицині електричний струм використовують в реанімації, електростимуляції певних областей головного мозку. Електричні розряди застосовуються для лікування таких захворювань, як хвороба Паркінсона і епілепсія, також для електрофорезу. Водій ритму, стимулюючий серцевий м'яз імпульсним струмом, використовують при брадикардії.

1. Характеристики

Історично прийнято, що напрямок струму збігається з напрямком руху позитивних зарядів в провіднику. При цьому, якщо єдиними носіями струму є негативно заряджені частинки (наприклад, електрони в металі), то напрям струму протилежно напрямку руху електронів.

Швидкість спрямованого руху часток у провідниках залежить від матеріалу провідника, маси і заряду частинок, навколишнього температури, яка додається різниці потенціалів і становить величину, набагато меншу швидкості світла. Незважаючи на це, швидкість поширення власне електричного струму дорівнює швидкості світла, тобто швидкості розповсюдження фронту електромагнітної хвилі.

Розрізняють постійна ( англ. direct current , DC) і змінний ( англ. alternating current , AC) струм.

• Постійний струм – струм, напрям і величина якого слабо змінюється у часі.

• Змінний струм – це струм, напрям і величина якого змінюється у часі. Серед змінних струмів основним є струм, величина якого змінюється по синусоидальному закону. У цьому випадку потенціал кожного кінця провідника змінюється по відношенню до потенціалу іншого кінця провідника поперемінно з позитивного на негативний і навпаки, проходячи при цьому через всі проміжні потенціали (включаючи і нульовий потенціал). В результаті виникає струм, безперервно змінює напрямок: при русі в одному напрямку він зростає, досягаючи максимуму, іменованого амплітудним значенням, потім спадає, на якийсь момент стає рівним нулю, потім знову зростає, але вже в іншому напрямку і також досягає максимального значення , спадає, щоб потім знову пройти через нуль, після чого цикл всіх змін поновлюється.
  Час, за який відбувається один такий цикл (час, що включає зміну струму в обидві сторони), називається періодом змінного струму. Кількість періодів, що здійснюється струмом за одиницю часу, носить назву частота. Частота вимірюється в герцах, один герц відповідає одному періоду в секунду.

Змінний струм високої частоти витісняється на поверхню провідника, цей ефект називається скін-ефектом.

1.1. Сила і густина струму

Силою струму називається фізична величина, що дорівнює відношенню кількості заряду, що пройшов за деякий час через поперечний переріз провідника, до величини цього проміжку часу.

Сила струму в системі СІ вимірюється в Амперах.

За закону Ома сила струму I для ділянки кола прямо пропорційна прикладеному напрузі U до ділянки кола і обернено пропорційна опору R провідника цієї ділянки ланцюга:

Щільністю струму називається вектор, модуль якого дорівнює відношенню сили струму, що протікає через деяку площадку, перпендикулярну напрямку струму, до величини цього майданчика, а напрям вектора співпадає з напрямком руху позитивного заряду в струмі.

Відповідно до закону Ома щільність струму в середовищі пропорційна напруженості електричного поля і провідності середовища :

Щільність струму в системі СІ вимірюється в амперах на квадратний метр.

1.2. Потужність

При наявності струму в провіднику відбувається робота проти сил опору. Ця робота виділяється у вигляді тепла. Потужністю теплових втрат називається величина, що дорівнює кількості виділився тепла в одиницю часу. Відповідно до закону Джоуля – Ленца потужність теплових втрат у провіднику пропорційна силі протікаючого струму і прикладеній напрузі:

Потужність вимірюється в ватах

В суцільному середовищі об'ємна потужність втрат p визначається скалярним добутком вектора щільності струму і вектора напруженості електричного поля в даній точці:

Об'ємна потужність вимірюється у ватах на кубічний метр.

2. Струм зміщення

Іноді для зручності вводять поняття струму зсуву. За визначенням, щільність струму зміщення – Це векторна величина, що дорівнює швидкості зміни електричного поля у часі:

Справа в тому, що при зміні електричного поля, також як і при протіканні струму, відбувається генерація магнітного поля, що робить ці два процеси схожими один на одного. Крім того, зміна електричного поля зазвичай супроводжується перенесенням енергії.

Наприклад, при зарядці і розрядці конденсатора, незважаючи на те, що між його обкладками не відбувається руху заряджених частинок, кажуть про протікання через нього струму зміщення, що переносить деяку енергію і своєрідним чином замикаючого електричний ланцюг.

Струм зміщення I D в конденсаторі визначається за формулою:

,

Струм зміщення не є електричним струмом, оскільки не пов'язаний з переміщенням електричного заряду.

3. Електробезпека

Тіло людини є провідником електричного струму. Опір людини при сухій і непошкодженій шкірі коливається від 3 до 100 кОм.

Струм, пропущений через організм людини або тварини, виробляє наступні дії:

• термічне (опіки, нагрівання і пошкодження кровоносних судин);
• електролітичне (розкладання крові, порушення фізико-хімічного складу);
• біологічне (подразнення і збудження тканин організму, судоми)

Основним чинником, що обумовлює результат поразки струмом, є величина проходить через тіло струму. За техніці безпеки ток класифікується наступним чином:

• безпечним вважається струм, тривалий проходження якого через організм людини не заподіює йому шкоди і не викликає ніяких відчуттів, його величина не перевищує 50 мкА;
• мінімально відчутний людиною змінний струм складає близько 1 мА;
• неотпускающим називається струм такої сили, при якій людина вже нездатний зусиллям волі відірвати руки від токоведущей частини. Для змінного струму це приблизно 10-15 мА (0,01-0,015 А), для постійного – 50 мА (0,05 А);
• фібрілляціонние порогом називається сила змінного струму близько 100 мА (0,1 А), вплив якої понад 0.5 с з великою ймовірністю викликає фібриляцію серцевих м'язів. Цей поріг одночасно вважається умовно смертельним для людини.

Источник: http://znaimo.com.ua/%D0%95%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BC