Постійний електричний струм - Банк рефератів, творів, доповідей, курсових та дипломних
Умови виникнення струму.
Електричним струмом називають спрямований рух заряджених частинок. Кількісними характеристиками струму є його сила струму (відношення заряду: провідника, що переноситься через поперечний переріз, в одиницю часу):
та його щільність, що визначається співвідношенням:
.
Одиницею вимірювання сили струму є ампер (1А - характерне значення струму, що споживається побутовими електронагрівальними приладами).
Необхідними умовами існування струму є наявність вільних носіїв зарядів, замкненого ланцюга та джерела ЕРС (батареї), що підтримує спрямований рух.
Електричний струм може існувати в різних середовищах: у металах, вакуумі, газах, у розчинах та розплавах електролітів, у плазмі, у напівпровідниках, у тканинах живих організмів.
При протіканні струму практично завжди відбувається взаємодія носіїв зарядів з навколишнім середовищем, що супроводжується передачею останньої енергії у вигляді тепла. Роль джерела ЕРС таки полягає у компенсації теплових втрат у ланцюгах.
Електричний струм у металах обумовлений рухом щодо вільних електронів через кристалічну решітку. Причини існування вільних електронів у провідних кристалах можна пояснити лише мовою квантової механіки.
Досвід показує, що сила електричного струму, що протікає провідником, пропорційна прикладеної до його кінців різниці потенціалів (закон Ома). Постійний для обраного провідника коефіцієнт пропорційності між струмом та напругою називають електричним опором:
(3)
Опір вимірюють в омах (опір людського тіла становить близько 1000 Ом). Розмір електричного опорупровідників слабо зростає зі збільшенням їхньої температури. Це з тим, що з нагріванні вузли кристалічної решітки посилюють хаотичні теплові коливання, що перешкоджає спрямованому руху електронів. Багато завдань безпосередній облік коливань решітки виявляється дуже трудомістким. Для спрощення взаємодії електронів з вузлами, що коливаються, виявляється зручним замінити їх зіткненнями з частинками газу гіпотетичних частинок - фононів, властивості яких підбираються так, щоб отримати максимально наближений до реальності опис і можуть виявлятися дуже екзотичними. Об'єкти такого типу дуже популярні у фізиці та називаються квазічастинками. Крім взаємодій з коливаннями кристалічних грат руху електронів в кристалі можуть перешкоджати дислокації - порушення регулярності решітки. Взаємодії з дислокаціями відіграють визначальну роль за низьких температур, коли теплові коливання практично відсутні.
Деякі матеріали при низьких температурах повністю втрачають електричний опір, переходячи в провідний стан. Струм у таких середовищах може існувати без будь-яких ЕРС, оскільки втрати енергії при зіткненнях електронів з фононами та дислокаціями відсутні. Створення матеріалів, що зберігають надводний стан при відносно високих (кімнатних) температурах і невеликих струмах є дуже важливим завданням, вирішення якого справило б справжній переворот у сучасній енергетиці, т.к. дозволило б передавати електроенергію великі відстані без теплових втрат.
В даний час електричний струм у металах використовується головним чином для перетворення електричної енергії на теплову (нагрівачі, джерела світла) або на механічну (електродвигуни). В останньомуУ разі електричний струм використовується як джерело магнітних полів, взаємодія з якими інших струмів викликає появу сил.
Електричний струм у вакуумі строго кажучи неможливий через відсутність у ньому вільних електричних зарядів. Однак деякі провідні речовини при нагріванні або опроміненні світлом здатні випускати зі своєї поверхні електрони (термоемісія і фотоемісія), які здатні підтримувати електричний струм, рухаючись від катода до іншого (позитивного) електрода - аноду. При подачі на анод негативної напруги струм у ланцюзі обривається. Описана властивість обумовлює широке застосування електровакуумних приладів в електронних пристроях випрямлення змінного струму. До порівняно недавнього часу електровакуумні пристрої широко використовувалися як підсилювачі електричних сигналів. Нині майже повністю витіснені напівпровідниковими приладами.
Електричний струм у газах на перший погляд не може існувати через відсутність вільних заряджених частинок (електрони в атомах та молекулах газів міцно пов'язані з ядрами електростатичними силами). Однак, при передачі атому енергії порядку 10еВ (енергія, що купується вільним електроном при проходженні через різницю потенціалів в 10 В), останній переходить в іонізований стан (електрон йде від ядра на скільки завгодно велика відстань). У газах при кімнатних температурах завжди є дуже невелика кількість іонізованих атомів, що виникли під дією космічного випромінювання (фотоіонізація). При поміщенні такого газу в електричне поле заряджені частинки починають розганятися, передаючи нейтральним атомам набрану кінетичну енергію та іонізуючи їх. В результаті розвивається лавиноподібний процес наростання числавільних електронів та іонів – виникає електричний розряд. Характерне світіння розряду пов'язане з виділенням енергії при рекомбінації електронів та позитивних іонів. Типи електричних розрядів дуже різноманітні і сильно залежать від складу газу та зовнішніх умов.
Речовина, що містить суміш нейтральних атомів, вільних електронів та позитивних іонів, називають плазмою. Плазма, що виникає в результаті порівняно слаботочних електричних розрядів (напр. в трубках "денного світла") характеризується дуже малими концентраціями заряджених частинок порівняно з нейтральними ( ). Зазвичай її називають низькотемпературною, оскільки температура атомів та іонів близька до кімнатної. Середня ж енергія набагато легших електронів виявляється набагато більшою. Т.о. низькотемпературна плазма є суттєво нерівноважним, відкритим середовищем. Як зазначалося, у подібних середовищах можливі процеси самоорганізації. Відомим прикладом є генерація в плазмі газових лазерів високо впорядкованого когерентного випромінювання.
Плазма може бути термодинамічно рівноважною. Для її існування необхідна дуже висока температура (при якій енергія теплового руху можна порівняти з енергією іонізації). Такі температури існують на поверхні Сонця, можуть виникати за дуже потужних електричних розрядів (блискавки), при ядерних вибухах. Таку плазму називають гарячою.
Атмосферна електрика.
Земля є досить добрим провідником електричного струму (у порівнянні з сухим повітрям). На висоті близько 50 км іонізуюче космічне випромінювання зумовлює наявність іоносфери - шар сильно іонізованого газу. Вимірювання показують, що між іоносферою та поверхнею Землі існує величезна різниця потенціалів (близько 5000000)В), причому іоносфера має позитивний по відношенню до Замлі заряд. Наявність різниці потенціалів між Землею та “небом” призводить до появи струму дуже малої щільності (A/) навіть у такому поганому провіднику як повітря. Повний струм, що приходить на поверхню планети, дуже великий (бл. А), а потужність, що виділяється їм, можна порівняти з потужністю всіх побудованих електростанцій (Вт). Виникають природні питання про механізм підтримки зазначеної різниці потенціалів та про причини, з яких її наявність досі не використовується людиною.
В даний час встановлено, що основним механізмом, що заряджає "небо" щодо Землі, є грози. Краплі води і кристали льоду, переміщаючись вниз до основи грозової хмари, збирають на собі негативні заряди, що є в атмосфері, і тим самим заряджають нижню частину грозової хмари негативною електрикою до потенціалів, що в багато разів перевершують потенціал Землі. У результаті між Землею та хмарою виникає дуже велике електричне поле, спрямоване в протилежний бік порівняно з полем, що існує у безхмарну погоду. Поблизу виступаючих з поверхні Землі провідних предметів це поле ще посилюється і виявляється достатнім для іонізації газу, що наростає за лавиноподібним законом. В результаті виникає дуже потужний електричний розряд, званий блискавкою. Всупереч існуючій думці, блискавка починається на Землі і б'є в хмару, а не навпаки.
Характерне для ясної погоди електричне поле напруженістю 100В/м не вдається не тільки використовувати, але навіть відчути, хоча на рівній зростанню людини висоті за її відсутності воно створює різницю потенціалів близько 200В. Причиною цього є низька провідність повітря і, як наслідок, малі щільності струмів, що поточні на поверхню Землі. Введення уелектричний ланцюг хорошого провідника (людини), що шунтує двометровий повітряний стовп, практично не змінює сумарного опору ланцюга "небо-Земля", струм в якому залишається незмінним. Падіння напруги на тілі людини, що викликається ним, становить близько U=IR=0.2мкВ, що лежить значно нижче порога чутливості нашого організму.
Електричний струм у живих тканинах.
Важлива роль електричних імпульсів для життєдіяльності організмів передбачалася ще понад 200 років тому. Наразі відомо, що ці імпульси використовуються для забезпечення управління роботою органів та передачі інформації між ними у процесі життєдіяльності. Роль кабелів передачі сигналів у найскладнішому “біологічному комп'ютері” грають нерви, основу яких становлять вузько спеціалізовані клітини - нейрони. Основні функції цих клітин - прийом, обробка та посилення електричних сигналів. Нейрони зв'язуються друг з одним у “мережа” з допомогою спеціальних подовжених виростів - аксонів, виконують функції провідників. Дослідження поширення електричних сигналів в аксонах виконувались спільно біологами, хіміками та фізиками в 30-60 роках ХХ століття і стали одним із перших вдалих прикладів плідної співпраці представників суміжних природничих наук.
Як виявилося, властивості електричних імпульсів, що поширюються в аксонах, істотно відрізняються від звичних для електротехніки: 1) швидкість поширення імпульсів по аксону виявляється на кілька порядків менше характерних для металевих; 2) після проходження електричного імпульсу існує “мертве” час, протягом якого поширення наступного імпульсу неможливе; 3) існує граничне значення напруги (імпульси з амплітудою нижче граничної не поширюються); 4) приповільному наростанні напруги навіть до значення, що перевищує поріг, імпульс по аксону не передається (“акомодація”).
Перераховані нехарактерні для традиційної електротехніки особливості провідності аксонів знайшли пояснення в рамках специфічного електро-хімічного механізму, центральна роль в якому належить підлозі проникної для іонів клітинної мембрани, що відокремлює аномально високу концентрацію іонів K+ і низьку - Na+ внутрішній об'єм клітини (і її аксона) від довкілля, заповненого фізіологічним розчином. Внаслідок хаотичного теплового руху частинок через кордон між областями з різними концентраціями позитивних іонів виникають дифузійні потоки (K+ - з клітини, Na+ - всередину її), швидкості яких регулюються проникністю клітинної мембрани та електричною різницею потенціалів по обидва боки від неї. Зміна проникності мембрани для кожного з іонів призводить до зміни кількості заряджених частинок, що перетинають кордон і, отже, зміни електричного потенціалу аксона щодо зовнішнього середовища. Як показали досліди, провідність ділянки мембрани змінюється в залежності від прикладеної до неї різниці потенціалів. Т.о. подається на ділянку аксона електричний імпульс змінює на невеликий час (що залежить від властивостей аксона) провідність мембрани, що веде до перерозподілу зарядів, посилення імпульсу та формування заднього фронту. При цьому аксон одночасно відіграє роль провідника і "підсилювальних підстанцій - ретрансляторів", що дозволяє уникнути загасання сигналів, що передаються в організмі на досить великі відстані.
Цікаво, що дуже подібну проблему з тією, що була вирішена природою, незадовго до розкриття механізму провідності аксона довелося вирішуватирадіотехніці при спробі організувати транс Атлантичний кабельний зв'язок. Щоб уникнути згасання і спотворення сигналу в довгій лінії, кабель довелося розділити на порівняно короткі ланки, між якими були поміщені підсилювачі. Досвід, накопичений фізиками при створенні довгих ліній кабельного зв'язку суттєво полегшив вирішення проблеми механізму електропровідності аксона.