Виды токов: постоянные и переменные
В зависимости от изменения направления протекания заряженных частиц, различают следующие виды токов:
- Постоянный – формируется движением заряженных частиц в одном направлении. Его основные характеристики (сила тока, напряжение) имеют постоянные значения и не изменяются во времени;
- Переменный – направление перемещения зарядов при таком виде движения заряженных частиц периодически меняется. Количество изменений направления движения за единицу времени, равную одной секунде, называется частотой тока и измеряется в Герцах. Так, например, значение данной характеристики в обычной бытовой электрической цепи равно 50 Гц. Это означает, что в течение 1 секунды движущиеся по цепи электроны меняют свое направление 50 раз, вызывая тем самым такое же количество изменений напряжения в фазном проводе от 220 до 0 В.
Основные характеристики переменного тока
Проводники первого рода и проводники второго рода.
Проводники делятся на проводники первого рода и проводники второго рода. Проводники первого рода – металлы и их сплавы, а проводники второго рода — водные растворы кислот, солей и щелочей, сильно разряженные газы.
Твердые и жидкие проводники, прохождение через которые электрического тока не вызывает переноса вещества в виде ионов, называются проводниками первого рода. Электрический ток в проводниках первого рода осуществляется потоком электронов (электронная проводимость). К таким проводникам относятся твёрдые и жидкие металлы и некоторые неметаллы (графит, сульфиды цинка и свинца). Их удельное сопротивление r лежит в пределах 10–8 – 10–5 Ом×м. Температурный коэффициент проводимости отрицателен, то есть с ростом температуры электропроводность уменьшается.
Вещества, прохождение через которые электрического тока вызывает передвижение вещества в виде ионов (ионная проводимость), называются проводниками второго рода. Типичными проводниками второго рода являются растворы солей, кислот и оснований в воде и некоторых других растворителях, расплавленные соли и некоторые твёрдые соли. Температурный коэффициент электропроводности положителен.
Деление проводников в зависимости от типа проводимости (электронная или ионная) является условным. Известны твёрдые вещества со смешанной проводимостью, например Ag2S, ZnO, Cu2O и др. В некоторых солях при нагревании наблюдается переход от ионной проводимости к смешанной (CuCl).
Вид цепи и напряжение
В зависимости от направления протекания тока и особенностей напряжения, различают два вида электрических цепей:
- Цепи постоянного тока;
- Цепи переменного тока.
Напряжение цепей постоянного тока является работой, совершаемой электрическим полем в ходе перемещения пробного плюсового заряда из точки A в точку Б. Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на его концах. В таких цепях принято считать, что ток идет от плюса к минусу (от плюсового полюса к минусовому).
На заметку. В реальности ток течет не от плюса к минусу, а, наоборот, от минуса к плюсу. Сформировавшееся ошибочное представление о направлении течения именно от плюса не стали изменять и оставили для удобства понимания физической сущности данного явления.
Для цепей переменного тока характерны такие виды и значения напряжения, как:
- мгновенное;
- амплитудное;
- среднее значение;
- среднеквадратическое;
- средневыпрямленное.
Напряжение в таких цепях – это достаточно сложная функция времени. Грубо говоря, ток в них течет от фазного провода, проходит через нагрузку и частично уходит в нулевой (течет от фазы к нулю)
Применение на практике
Если принять во внимание вышесказанное, то стоит отметить, что ток по кабелю протекает и распределяется, словно по внешнему диаметру трубы. Это вызвано особенностями распределения электронов в проводящем теле
Любопытно, что при протекании токов в системах с током высокой частоты наблюдается скин-эффект. Это и есть распределение зарядов по поверхности проводников. Но в этом случае наблюдается ещё более тонкий «проводящий» слой.
Что это значит? Это говорит о том, что для протекания тока аналогичной величины с сетевой частотой в 50 Гц и с частотой 50 кГц в высокочастотной цепи потребуется большее сечение токопроводящей жилы. На практике это наблюдают в импульсных блоках питания. В их трансформаторах как раз такие токи и протекают. Для увеличения площади сечения либо выбирают толстый провод, либо мотают обмотки несколькими жилками сразу.
Описанная в предыдущем разделе зависимость распределения плотности от формы поверхности на практике используется в системах молниезащиты. Известно, что для защиты от поражения молнией устанавливают один из видов молниезащиты, например громоотвод. На его поверхности скапливаются заряженные частицы, благодаря чему разряд происходит именно в него, что опять же подтверждает сказанное об их распределении.
Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором простыми словами объясняется и наглядно показывается, как распределяются заряды в проводнике:
Это все, что мы хотели рассказать вам по поводу того, как происходит распределение зарядов в проводнике при протекании тока. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!
Материалы по теме:
- Закон Кулона простыми словами
- Как сделать громоотвод в частном доме
- Передача электроэнергии на расстояния без проводов
Значение перемещения электронов в электрической схеме
Понимание того, как идет в цепи ток, необходимо при составлении такого графического изображения расположения электронных деталей, как схема
Важно понимать, откуда течет ток, для того чтобы правильно располагать на схеме, затем соединять различные радиоэлектронные элементы. Если для таких радиодеталей, как конденсатор, резистор, полярность подключения не имеет значения, то полупроводниковый транзистор,
диод необходимо размещать на схеме и затем запитывать, учитывая направление движения тока, иначе они и собираемое с их использованием устройство, электронный блок не будут правильно функционировать.
Таким образом, знание физической сущности направления течения заряженных частиц в проводнике, электролите, полупроводнике позволит любому человеку не только расширить свой кругозор, но и применять его на практике при монтаже электропроводки, пайке различных электронных блоков и схем. Также подобная информация поможет разобраться в том, почему произошла поломка того или иного электроприбора, как ее устранить и предотвратить в будущем.
Эффект Ганна
Наличие падающего участка на вольт-амперной характеристике приводит к интересному явлению, обнаруженному американским инженером Джоном Ганном.
Приложим к образцу GaAs длиной L напряжение U такое, чтобы оказаться на падающем участке зависимости j(Е). Предположим, что сначала электрическое поле в образце однородно и равно \(~\frac{U_0}{L}\). Пусть по какой-либо причине в тонком слое АВ образца поле Е оказалось чуть больше, чем в остальном объеме образца (рис. 4). Тогда скорость дрейфа электронов \(~u = \frac{j}{en}\) внутри слоя АВ окажется меньше, чем снаружи. Поэтому к границе А будет подлетать больше электронов, чем улетать от нее, а у границы В — наоборот. Вблизи А возникнет избыток отрицательного заряда, а вблизи В — положительного. Следовательно, в слое АВ появится дополнительное электрическое поле, направленное в ту же сторону, что и исходное. Увеличение поля приведет к тому, что дрейфовая скорость электронов внутри слоя еще уменьшится, и поле там еще больше возрастет.
Таким образом, однородное распределение электрического поля на падающем участке j(Е) невозможно: любая сколь угодно слабая неоднородность Е, случайно возникшая в образце, не рассасывается, а нарастает. В результате образуется узкая область (размером δ) сильного поля, которая называется электрическим доменом. При этом, так как напряжение U на образце задано, т. е.
рост поля E2 в домене сопровождается уменьшением поля E1 вне его. Наступит момент, когда E1 < Ea и E2 > Eb (см. рис. 3). Скорость дрейфа электронов вне домена начнет уменьшаться, а внутри — увеличиваться. Рост поля E2 в домене прекратится, когда эти скорости сравняются, и плотности токов в домене и в образце станут одинаковыми:
Из двух последних равенств следует, что установившаяся в образце плотность тока j зависит от толщины домена δ.
Обычно домен возникает вблизи катода (за счет вплавления контактов здесь больше неоднородностей) и, увлекаемый потоком электронов, начинает двигаться к аноду со скоростью \(~u_0 = \frac{j_0}{en}\). Пока он движется вдоль образца, его размер не меняется, а значит, не меняется и ток j. Вблизи анода домен начинает исчезать, его толщина уменьшается, и ток в образце возрастает. Одновременно увеличивается поле E1 вне домена. Как только E1 достигнет значения Ea, у катода зарождается новый домен, ток начинает уменьшаться, и этот процесс периодически повторяется (рис. 5). Период колебаний тока в образце — \(~T_0 = \frac{L}{u_0}\).
Итак, прикладывая к полупроводнику постоянное напряжение U, мы получаем переменный ток частоты \(~f = \frac{1}{T_0} = \frac{u_0}{L}\). Это совсем уж непохоже на закон Ома. В арсениде галлия (GaAs) u ≈ 105 м/с. Используя небольшие образцы длиной от одного до ста микрон, можно менять частоту переменного тока в диапазоне f ~ 109 — 1011 Гц. На основе эффекта Ганна работает большинство современных генераторов сверхвысоких частот (СВЧ). Эти приборы используются, например, для определения постами ГАИ скорости движения автомобилей и в телевизионном вещании через искусственные спутники Земли.
Когда же справедлив закон Ома
Прежде всего рассмотрим, при каких условиях величина τ не меняется под действием поля Е.
Время τ зависит от скоростей электронов. Дрейфовая скорость \(~u = \frac{eE \tau}{m^*}\), появляющаяся при включении электрического поля, возрастает при увеличении Е. Пока электрическое поле мало, так что дрейфовая скорость и гораздо меньше средней скорости хаотического движения υ, величиной u можно пренебречь и считать время τ не зависящим от поля Е. Если же Е велико настолько, что значение u сравнимо с υ, to дрейфовую скорость нужно учитывать. В этом случае скорости электронов и, следовательно, время свободного пробега τ оказываются зависящими от электрического поля.
Таким образом, для выполнения закона Ома необходимо, чтобы выполнялось условие
т. е. напряженность электрического поля в проводнике должна быть много меньше \(~E = \frac{m^* \upsilon_0}{e \tau}\).
В полупроводниках, как мы уже говорили, υ ~ 106 м/с. Чтобы достичь значения u, сравнимого с υ, к полупроводнику необходимо приложить поле E ~ 106 В/м. Это — огромная величина, сравнимая с напряженностью поля в молнии. Тем не менее такое поле удается создать в полупроводниках.
Есть еще одно, более сильное ограничение на скорость u. Она должна быть меньше скорости звука в проводнике (а υzv ~ 103 м/с):
Как только скорость u достигает значения υzv, в кристалле возбуждаются звуковые колебания. При этом время свободного пробега τ и проводимость σ, пропорциональная τ, могут уменьшиться. Эта ситуация аналогична резкому увеличению аэродинамического сопротивления после преодоления самолетом звукового барьера.
Итак, в поле \(~E \ge \frac{m^* \upsilon_{zv}}{e \tau}\) проводимость начинает зависеть от величины Е, и закон Ома нарушается.
Действие электрического поля не сводится только к появлению дрейфового движения. Известно, что при протекании тока в проводнике выделяется джоулево тепло, и он нагревается. Рассмотрим этот процесс подробнее.
Любой проводник можно считать состоящим из двух подсистем: кристаллической решетки, образованной атомами вещества, и газа электронов проводимости, заполняющего решетку. Электроны и решетку можно характеризовать своими температурами Te и Tp. В отсутствие электрического поля электронный газ находится в тепловом равновесии с решеткой и окружающей средой: Te = Tp = Tc. Поле Е действует на электроны проводимости и разогревает прежде всего их. Лишь затем от электронов тепло передается решетке, а потом окружающей среде. Поэтому при наличии поля тепловое равновесие нарушается так, что Te > Tp > Tc.
Если теплопередача от проводника окружающей среде хуже теплопередачи от электронов атомам и, следовательно, \(~T_e — T_p \ll T_p — T_c\), то решетка вместе с электронами разогревается как целое. (Такая ситуация характерна для спирали лампы накаливания.) Возможен и обратный случай, когда температура электронов намного выше температуры решетки и \(~T_e — T_p \gg T_p — T_c\).
В металлах, как мы уже говорили, средняя скорость хаотического теплового движения электронов практически не зависит от температуры. А вот в полупроводниках увеличение Te под действием электрического поля означает рост скорости υ теплового движения электронов, а значит — уменьшение времени свободного пробега. Если изменение Δυ скорости υ мало, т. е. \(~\Delta \upsilon_0 \ll \upsilon_0\), то зависимостью υ от Е и, значит, т от Е можно пренебречь. Условие \(~\Delta \upsilon_0 \ll \upsilon_0\) эквивалентно условию малости перегрева ΔTe электронов относительно равновесного состояния:
Таким образом, условие независимости времени свободного пробега от величины электрического поля, необходимое для выполнения закона Ома, задает следующие ограничения на области применимости этого закона:
Нарушение любого из этих неравенств может привести к отклонению от закона Ома. Ниже мы увидим, что при нарушении неравенств \(~u \ll \upsilon_0\) и \(~\Delta T_e \ll T_e\) электрическое поле Е может влиять и на другие величины, входящие в формулу Друде,— эффективную массу m* и концентрацию электронов n. Зависимости m* и n от Е могут существенно изменить вид вольт-амперных характеристик полупроводников.
Какие электроны называются свободными?
Если мы обратимся к основам электротехники, то мы вспомним, что все тела состоят из атомов. Атом в свою очередь сам состоит из миниатирных частиц: нейтронов, протонов и электронов. В зависимости от того, насколько сильна связь электрона с атомным ядром, лучше или хуже выражена проводимость материала.
К диэлектрикам относятся резина, стекло, слюда, фарфор, смола и многие другие материалы. Физическая сущность этих явлений заключается в следующем. В диэлектриках все электроны прочно удерживаются ядрами атомов. В проводниках же, например в металлах, существуют электроны, слабо связанные с ядрами. Эти электроны наиболее удалены от ядер и под воздействием электрического поля соседних ядер отрываются, переходя с внешних орбит одних атомов к другим, при этом они свободно или почти свободно перемещаются по проводнику. Такие электроны называются СВОБОДНЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ.
Как получить электрический ток?
Для получения электрического тока существуют специальные устройства, которые непрерывно поддерживают разность потенциалов на концах проводника. Эти устройства обычно называются ИСТОЧНИКАМИ ТОКА или ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. Основными источниками тока являются:
- Механические источники электрического тока – ЭЛЕКРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую.
- Химические источники электрической энергии — ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И АККУМУЛЯТОРЫ. В них химическая энергия преобразуется в электрическую.
- Тепловые источники электроэнергии – ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ, в которых тепловая энергия преобразуется в электрическую.
- В настоящее время также находят применение лучистые и атомные источники электрической энергии. Сначала в электрическую энергию преобразуется световая, а затем – ядерная энергия.
Независимо от того, по какому принципу работает тот или иной источник электрического тока, в каждом из них происходит процесс разделения электрических зарядов физических тел и вместе с тем процесс преобразования какого-либо вида энергии в электрическую.
Сегодня уже нет смысла рассуждать о пользе электричества. Оно используется повсеместно. Поэтому просто необходимо понимать природу этого явления, чтобы оно не причинило ущерб
Нужно принимать все меры предосторожности, чтобы не возникло короткого замыкания, вследствие которого может произойти пожар. И, конечно, надо быть крайне аккуратными, чтобы не получить удар электричеством, так как поражение электрическим током может быть смертельно опасным для жизни
Во избежании неприятностей и опасных ситуаций для подключения или ремонта электропроводки вызывайте профессионального мастера. Созвонитесь с нашим оператором и закажите вызов электрика в Юбилейный или воспользуйтесь услугами электрика в городе Мытищи. А если нужен электромонтаж в Сергиевом Посаде в квартире или деревянном доме, то пригласите мастера-оценщика для составления сметы, а также посмотрите видео по электрике, выполненной нашими мастерами.
Полупроводники в сильном электрическом поле
В образце, по которому течет ток I, выделяется мощность
(мы учли, что \(~I = jS = \sigma ES\), \(~R = \frac{\rho L}{S} = \frac{L}{\sigma S}\)). В единице объема выделяется мощность \(~Q = \sigma E^2\). При одном и том же значении Q электрическое поле \(~E = \sqrt{\frac{Q}{\sigma}}\) в полупроводниках гораздо больше, чем в металлах, так как концентрация электронов в полупроводниках и, значит, проводимость σ намного меньше. Следовательно, в них легче нарушить условия \(~u < \upsilon_{zv}\), \(~u \ll \upsilon_0\). Кроме того, на каждый электрон в полупроводнике приходится большая мощность, чем в металле. Электронный газ разогревается сильнее, поэтому и неравенство \(~\Delta T_e \ll T_e\) тоже нарушается легче.
Нарушение какого из условий — (1), (2) или (3) — при увеличении электрического поля приведет к наиболее существенному отклонению от закона Ома, зависит от типа полупроводника. Например, в CdS сначала нарушается условие \(~u < \upsilon_{zv}\). При этом в поле Ezv = 1,4·105 В/м на вольт-амперной характеристике j(E) возникает излом (рис. 2). Если Е > Ezv, этот полупроводник интенсивно испускает звук и может быть использован в качестве генератора звуковых колебаний.
В других полупроводниках, таких как Ge, Si, GaAs, InP, CdTe, звук возбуждается гораздо слабее, и в поле Ezv заметного излома не наблюдается. В этих полупроводниках отклонения от закона Ома связаны с нарушением условия \(~\Delta T_e \ll T_e\). При этом время свободного пробега оказывается обратно пропорциональным полю Е, т. е. \(~\tau (E) \sim \frac 1E\), и зависимость плотности тока от поля связана только с изменением m* и n. В Ge и Si при Е > 106 В/м на вольт-амперной характеристике (рис. 3) наблюдается насыщение j (m*, n не зависят от Е). В GaAs, InP, CdTe при увеличении энергии электронов с ростом Е не только уменьшается время свободного пробега τ, но и растет эффективная масса m*. Увеличение m* вызвано изменением взаимодействия электронов с кристаллической решеткой. В результате в этих полупроводниках, начиная с некоторого значения электрического поля Ea, плотность тока j падает с ростом Е (участок Ea < E < Eb на рисунке 3). В GaAs падение j начинается с Ea = 3,2·105 В/м и продолжается до Eb ≈ 10 Ea. В поле Ea дрейфовая скорость электронов \(~u = \frac{j}{en}\) = 1,5·105 м/с.
В еще более сильном поле Е ~ 107 В/м наряду с нарушением условия \(~\Delta T_e \ll T_e\) нарушается и условие \(~u \ll \upsilon_0\). В таком поле электроны получают за время свободного пробега энергию, достаточную для ионизации атомов. Быстрые электроны при столкновениях с атомами выбивают дополнительные электроны, которые в свою очередь тоже ускоряются полем и генерируют новые носители заряда. Этот процесс называется ударной ионизацией. Общая концентрация n электронов возрастает, и, следовательно, растет проводимость. При еще большем увеличении электрического поля (E > 107 В/м) концентрация и проводимость возрастают лавинообразно, наступает пробой полупроводника.
Таким образом, в полупроводниках в очень сильных полях Е плотность тока \(~j = \sigma E\) увеличивается быстрее, чем по линейному закону. В частности, в Ge и Si насыщение тока сменяется его нелинейным ростом, а в GaAs, InP, CdTe вольт-амперная характеристика приобретает N-образный вид (рис. 3); при 0 < E < Ea выполняется закон Ома, в интервале Ea < E < Eb имеется падающий участок, вызванный уменьшением τ и возрастанием m* в сильном электрическом поле, и, наконец, в области E > Eb происходит быстрый рост j из-за увеличения n.
Носители зарядов и их движение
При отсутствии электрического поля свободные точечные заряды пребывают в равновесии. Они осуществляют колебания, взаимодействуя между собой и с ионами такого же, либо противоположного знака. Однако картина равновесия вмиг нарушается при попадании металла в электрическое поле. На заряженном проводнике возникает электрическое смещение.
Под действием кулоновских сил происходит перераспределение электронов в металлическом теле. Перемещению зарядов способствует напряжённость поля, действующая на носители заряженных частиц разных знаков, но в разных направлениях.
В результате этого воздействия заряженные частицы устремляются в противоположные стороны. Точнее, в металлах происходит только перемещение электронов, которые скапливаются на поверхности с одной стороны.
Положительные ионы, связанные атомными силами кристаллической решётки не перемещаются, но поскольку электроны устремились в одну сторону, то на другой стороне проводника преобладают дырки (положительно заряженные ионы) (см. рис. 1). Таким образом, можно утверждать, что электроны и положительные ионы под действием электрического поля распределяются в противоположных направлениях на поверхности тел. То есть, заряды стремятся к равновесному распределению.
Рис. 1. Распределение зарядов в проводнике
Процесс распределения частиц продолжается до тех пор, пока не уравновесится их взаимодействие внешних и внутренних сил. То есть, пока сумма напряжённостей внешнего электрического поля не уравняется с внутренней напряжённостью. Данный процесс длится доли секунды. Если плотность энергии не меняется, а металл остаётся в спокойствии, то равновесие сил является константой.
Учитывая направления внешних векторов напряженности и внутренних сил, действующих на проводник, можно записать:
Результирующий вектор напряженности
Нулевое значение напряжённости поля означает, что внутренний потенциал тела компенсируется действием внешних сил:
Если в электрическое поле поместить металлический шар, то все статическое электричество на его поверхности будет иметь одинаковый потенциал. Такие поверхности получили название эквипотенциальных поверхностей. Заряды, скопившиеся под действием сил напряжённости поля, называются индуцированными или избыточными. Наличие избыточных зарядов характерно для всех типов проводников, оказавшихся в электрическом поле.
Рассуждения, приведённые выше, справедливы также для веществ со свободными ионами разных знаков (растворы солей и кислот). В результате такого распределения заряды также располагаются на противоположных концах токопроводящего тела. При этом равенство, записанное выше, сохраняется.
Рис. 2. Выводы
Ещё одно важное свойство проводников: при сообщении им дополнительных зарядов, собственные заряженные частицы распределяются так, чтобы восстановилось равновесие. Например, при добавлении отрицательных зарядов, последние будут противодействовать избыточным электронам, стремясь занять их место на поверхности тела
Если же создать условия для отвода избыточных заряженных частиц (при сохранении притока новых), например, заземлить кондуктор, то возникнет электрический ток. Причём перемещение заряженных частиц будет проходить по поверхности металла, но не внутри его, как можно было бы ожидать.
Точечный и распределенный заряды. Как распределяются заряды в проводнике при протекании тока
Проводниками называют тела с высокой концентрацией свободных заряженных частиц, способных перемещаться под действием электрического поля.
Если сообщить проводнику некоторый избыточный заряд, то составляющие его свободные заряженные частицы будут перемещаться (положительные – в область с меньшим потенциалом, отрицательные – наоборот) до тех пор, пока потенциалы во всех точках проводника не станут одинаковыми.
При этом достигается состояние, когда внутри проводника напряженность равна нулю, а на поверхности векторы напряженности перпендикулярны к ней. Если выбрать внутри проводника замкнутую поверхность S, которая очень близка к поверхности проводника (рис. 37.
1), то в соответствии с теоремой Гаусса поток вектора напряженности через эту поверхность будет равен нулю. Это означает, что внутри нее заряд отсутствует и весь избыточный заряд распределяется по внешней поверхности проводника. Выясним, от чего зависит поверхностная плотность заряда.
https://www.youtube.com/watch?v=OH5UN-AZfQc
Для этого рассмотрим два металлических шарика, соединенных тонкой проволокой (рис. 37.2). Шарики и проволока составляют единый проводник и потому потенциалы их одинаковы во всех точках. Потенциал первого шарика равен , площадь его поверхности . Выразим заряд и поверхностную плотность заряда на поверхности этого шарика:
; .
Аналогичные выражения получаются для второго шарика:
; .
Разделив выражения для плотностей заряда, находим
Заряд, сообщенный проводнику, распределяется по внешней поверхности проводника, при этом поверхностная плотность заряда обратно пропорциональна радиусу поверхности.
Величина, обратная радиусу поверхности в данной ее точке,называетсякривизной поверхности. Там, где меньше радиус, кривизна поверхности больше, и наоборот. У выступов и заострений кривизна поверхности максимальна, согласно выражению (37.1) там будет максимальна и поверхностная плотность заряда.
Таким образом, приходим к заключению:
В случае равновесного распределения заряды проводника распределяются в тонком поверхностном слое. Так, например, если проводнику сообщить отрицательный заряд, то из-за наличия сил отталкивания элементов этого заряда они рассредоточатся по всей поверхности проводника.
