Начальные сведения об электрическом токе.

Электрический ток как физическое явление. Электрический ток в проводниках, полупроводниках и диэлектриках.

 

Электрический ток – это явление упорядоченного (направленного) движения заряженных частиц.

Напомним, что свойство вещества создавать электрический ток под действием ЭП называется электропроводностью.

Каждый электрон в атоме может обладать только определенными значениями энергии, т.е. находиться только в разрешенных энергетических состояниях или уровнях. Переход электрона на более высокий энергетический уровень, т.е. на более удаленную орбиту, требует затрат энергии на преодоление притяжения электрона к ядру. Получается, что более удаленные от ядра электроны обладают большими энергиями. Переход электрона на более низкий уровень сопровождается излучением энергии атомом.

В твердых веществах, образованных совокупностью атомов, вследствие взаимного влияния соседних атомов энергетические уровни несколько изменяются, образуя энергетические зоны. Эти зоны отделяются областями, в которых электроны не могут находиться, называемые запрещенными зонами.

Энергетические зоны, соответствующие разрешенным уровням, делятся на заполненную и свободную. Для возникновения электропроводности необходимо части электронов перейти в свободную зону. Возможность такого перехода определяется шириной запрещенной зоны, пропорциональной энергии, которую необходимо затратить для указанного перехода электронов.

Различие электропроводности проводников, полупроводников и диэлектриков определяется особенностями их строения. Согласно зонной теории твердого тела у металлических проводников высокая электропроводность обуславливается тем, что заполненная зона вплотную прилегает к свободной зоне (рис. 2.1 а).

Рис. 2.1.

а – проводник; б – диэлектрик; в – полупроводник; 1 – свободная зона; 2 – запрещенная зона; 3 – заполненная зона.

Вследствие этого электроны в металле могут переходить с уровней заполненной зоны на уровни свободной зоны (с менее удаленных орбит на более удаленные). Легко возникающая значительная концентрация электронов и обеспечивает большую электропроводность проводников.

Основным свойством проводящих веществ (материалов), или проводников, является их высокая электропроводность. Проводники делятся на два рода. В проводниках первого рода, к которым относятся все металлы и их сплавы, электрический ток создается перемещением только электронов – это проводники с электронной проводимостью. Прохождение тока в них не сопровождается химическими изменениями материала проводника. Под действием внешнего ЭП хаотично двигающиеся электроны проводимости начинают упорядоченно двигаться в направлении, противоположном направлению поля, т.е. в проводнике возникает электрический ток.

Проводники второго рода, или проводники с ионной проводимостью (электролиты), представляют собой расплавы некоторых солей и водные растворы кислот, солей, щелочей и др. В них происходит распад нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы (электролитическая диссоциация). Положительными ионами являются ионы металлов и водород, отрицательными – кислотные остатки и гидроксильная группа (ОН). При отсутствии внешнего ЭП ионы и молекулы находятся в состоянии хаотического движения. Если в таком проводнике создать ЭП, то возникнет упорядоченное движение положительных ионов в направлении поля, а отрицательных – в противоположном направлении, т.е. возникнет электрический ток в электролите.

Диэлектриками являются вещества, имеющие очень низкую электропроводность. У данных веществ свободная зона отделена от заполненной достаточно широкой запрещенной зоной (рис. 2.1 б), что делает практически невозможным переход электронов в свободную зону. Поэтому как концентрация свободных электронов, так и электропроводность диэлектриков ничтожно малы. Под действием внешнего ЭП в диэлектриках происходит лишь смещение электронов в атомах (так называемый ток смещения), т.к. все электроны прочно удерживаются ядрами атомов.

Полупроводники обладают промежуточной проводимостью между проводниками и диэлектриками. У полупроводников ширина запрещенной зоны значительно уже, чем у диэлектриков (рис. 2.1.в). Следовательно, для перехода электронов в свободную зону требуется небольшое возбуждение, например за счет усиления теплового движения атомов при повышении температуры, в связи с чем полупроводники и обладают свойственной им проводимостью. Помимо электронной электропроводности полупроводники обладают так называемой «дырочной» электропроводностью. Она вызвана перемещением под действием ЭП «дырок», т.е. не занятых валентными электронами мест в атомах, возникающих из-за перемещения валентных электронов от атома к атому. Это перемещение равноценно перемещению положительно заряженных частиц, заряды которых по абсолютному значению равны зарядам электронов.

 

Сила тока, плотность тока, направление, графическое изображение постоянного тока.

 

Напомним, что электрическим током в проводнике называется явление упорядоченного (направленного) движения заряженных частиц под действием ЭП.

Постоянным электрическим током называется ток, постоянный по направлению и величине.

Так как направления движения положительных и отрицательных зарядов противоположны, то необходимо уточнить, движение каких зарядов следует считать направлением тока. Принято считать направлением тока I направление движения положительных зарядов, т.е. направление, обратное направлению движения электронов в проводнике под действием ЭП (рис. 2.2).

Рис. 2.2.

Для количественной оценки электрического тока, протекающего по проводнику, применяется термин величина тока, или просто ток. Иногда применяется термин сила тока. Все эти термины характеризуют основную физическую величину электрического тока.

Сила тока – количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Обозначив буквой q заряд, проходящий через поперечное сечение за время t, получим

             (8)

Основной единицей измерения силы тока является ампер (А). Ампер - это такая величина тока, при которой через поперечное сечение проводника проходит один кулон электричества в секунду

.

Значение силы тока в цепи измеряется прибором – амперметром, который включается последовательно, т.е. в разрыв цепи.

Отношение силы тока I к площади поперечного сечения проводника S называется плотностью тока δ, т.е.

         (9)

При определении плотности тока считают, что ток равномерно распределен по сечению проводника. Плотность тока обычно измеряется в А/мм².

При расчете цепи действительные направления токов в ее элементах в общем случае заранее не известны. Поэтому необходимо предварительно выбрать условные положительные направления токов во всех элементах цепи. Положительное направление тока в элементе сопротивления R или в ветви выбирается произвольно и указывается стрелкой (рис.2.3).

Рис. 2.3.

Если при выбранных положительных направлениях токов в результате расчета режима работы цепи значение тока в данном элементе получится положительным, то действительное направление тока совпадает с выбранным положительным. В противном случае действительное направление противоположно выбранному положительному.

 

Электрическое сопротивление, зависимость электрического сопротивления от материала, геометрических размеров, температуры. Электрическая проводимость.

 

Опытами установлено, что интенсивность электрического тока пропорциональна напряженности ЭП и зависит от свойств проводящего вещества. Всякий проводник, по которому проходит электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Это свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Физическая сущность сопротивления металлических проводников заключается в следующем. Свободные электроны при движении по проводнику на своем пути встречаются с другими свободными электронами и электронами, входящими в систему атомов, и отталкиваются от них, и также от атомов самой кристаллической решетки. Вследствие этого они непрерывно меняют направление своего движения и как бы проталкиваются сквозь решетку из бесчисленного количества атомов и электронов. При таком движении свободные электроны неизбежно теряют часть своей энергии. Различные проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току. Аналогичен механизм сопротивления постоянному току в электролитах и газах.

Сопротивление обозначается буквой R и измеряется в Омах (Ом). Ом – сопротивление проводника, в котором при напряжении на его концах, равном 1 вольту, устанавливается ток, равный 1 амперу.

 На участке цепи сопротивлением R зависимость тока от напряжения определяется соотношением

        (10)

называемым законом Ома.

Сопротивление проводника зависит от его длины l, площади поперечного сечения S и материала, из которого изготовлен проводник.

        (11)

Для характеристики материала проводника используется коэффициент ρ, называемый удельным сопротивлением.

Удельное сопротивление материала – сопротивление проводника из этого материала длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм² при температуре 20°С.

Таким образом, сопротивление проводника наряду с током определяет работу перемещения по проводнику единичного заряда. Чем длиннее провод, чем меньше его сечение, тем больше работа по перемещению единичного заряда.

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью

                         (12)

Проводимость измеряется в Сименсах (См).

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью

                        (13)

Установлено, что сопротивление всех металлических проводников зависит от температуры. Эта зависимость при изменениях температуры в малых пределах (примерно 200°С) выражается формулой

    (14)

где R₁ и R₂ – сопротивления при температурах θ₁ и θ₂; α – температурный коэффициент сопротивления, равный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на 1°С.

При увеличении температуры проводника усиливается тепловое хаотическое движение частиц, что увеличивает число столкновений и затрудняет упорядоченное движение электронов. Этим объясняется увеличение сопротивления металлов с ростом температуры.