Носители заряда в металлическом проводнике перемещаются под действием

Обновлено: 27.03.2024

Проводником электричества является любое вещество, у которого присутствуют свободные отрицательные или положительные заряды. У металлов носителями зарядов являются электроны. Рассматривая вопрос о распределении зарядов в проводнике мы, по умолчанию, будем ссылаться на металлические тела. Но все выводы, касающиеся перераспределения зарядов в металлах, справедливы и для других типов веществ, с наличием свободных носителей положительных ионов.

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.

Распределение зарядов в проводнике

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.

Если проводник изолирован, то до определённого времени количество индуцированного электричества будет увеличиваться, пока не восстановится новое равновесие. При этом внутренняя напряженность поля, увеличенная плотностями зарядов, будет усиливать своё противодействие. В конце концов, наступит момент, когда отталкивающие силы остановят приток одноименных статического электричества.

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.

Электроемкость уединенного проводника

Рассмотрим отдельно взятый проводник, удалённый от других заряженных тел. Такие токопроводящие тела называют уединёнными. В результате электростатической индукции на поверхности уединённого проводника возникает статическое электричество. Количество индуцированных зарядов зависит от уровня напряжённости внешнего поля.

Потенциал на таком проводнике зависит от его заряда (φ): Q=Cφ, откуда

С = Q/φ , где C – электроёмкость.

Если уединённому проводнику сообщить некий дополнительный заряд, то в течение некоторого времени он будет сохраняться. Количество электричества, которые способен удержать уединённый проводник, зависит от его формы и площади поверхности. Наибольшую ёмкость имеют сферические образования, так как площадь поверхности сферы на единицу объёма самая большая.

Два уединённых проводника разделённые диэлектриком образуют конденсатор. При этом электроемкость конденсатора Cконд = Q/(φ1 – φ2), где ( φ1 – φ2 ) разница потенциалов между обкладками. Индуцированные заряды с обкладок заряженного конденсатора можно снять на нагрузку, подключённую к выводам обкладок.

Распределение зарядов и форма тела

Как было замечено выше, распределение зарядов зависит от формы тела. Больше всего статического электричества собирается на выступах, особенно на острых концах (см. рис. 3, 4).

Рис. 3. Форма тела и распределение статического электричества Рис. 4. Распределение статического электричества на кондукторе

Как видно из рисунка 4 плотность распределения зарядов на вогнутых поверхностях минимальна. Электростатическое поле сплошных и полых проводников не отличается, если их поверхности идентичны. Другими словами все токопроводящие тела с одинаковыми поверхностями обладают одинаковыми поверхностными плотностями.

На сферических поверхностях статическое электричество распределяется равномерно. Ёмкость конденсатора (сферического) вычисляют по формуле:

Емкость сферического конденсатора

где R1 и R2 – внешний и внутренний радиусы сферического конденсатора.

Распределение статического электричества на сфере иллюстрирует рисунок 5. Обратите внимание на то, что внутри сферического тела, как впрочем, и любого другого, заряды отсутствуют: вектор E=0, φ=const.

Распределение заряженных частиц на сфере

Рис. 5. Распределение заряженных частиц на сфере

Вы, наверно, слышали о клетке Фарадея. Человек, находящийся в замкнутом пространстве из токопроводящего материала, то есть в клетке, не ощущает на себе влияния мощных разрядов. Статическое электричество стекает по поверхностям стенок клетки на землю, и не могут попасть внутрь клетки.

Электрический ток в металлах.

Природа электрического тока в металлах. Все металлы в твердом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. Специально поставленные опыты показали, что при прохождении электрического тока масса металлических проводников остается постоянной, не изменяется и их химический состав. На этом основании можно было предположить, что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны. Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами советских физиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси и американских физиков Т. Стюарта и Р. Толмена. В этих опытах было обнаружено, что при резкой остановке быстро вращающейея катушки в проводе катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами — электронами.
При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью .
Так как кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается при столкновении ионами кристаллической решетки, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры. Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается приблизительно по линейному закону (рис. 152):

где — удельное электрическое сопротивление металла при температуре T, — его удельное сопротивление при 0 °С, — температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла.
С приближением температуры к абсолютному нулю удельное сопротивление монокристаллов становится очень малым. Этот факт свидетельствует о том, что в идеальной кристаллической решетке металла электроны перемещаются под действием электрического поля, не взаимодействуя с ионами решетки. Длина их свободного пробега при этом может достигать значений порядка 1 см, т. е. в 10 7 - 10 8 раз превышает межатомные расстояния в кристалле. Электроны взаимодействуют лишь с ионами, не находящимися в узлах кристаллической решетки.
При повышении температуры возрастает число дефектов в кристаллической решетке из-за тепловых колебаний ионов,— это при водит к возрастанию удельного сопротивления кристалла.
В том, что электрическое сопротивление металлов обусловлено взаимодействиями электронов проводимости с различными дефектами решетки, убеждает и тот факт, что удельное сопротивление кристаллов металлов сильно зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.

Сверхпроводимость. В 1911 г. нидерландский ученый Гейке Камерлинг-0ннес (1853— 1926) обнаружил, что при понижении температуры ртути до 4,1 К ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 153). Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью. Материалы, обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.
Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.
Сверхпроводящие материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.
Применение явления сверхпроводимости в широкой практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. сверхпроводимости керамик — соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике. Для определения скорости упорядоченного движения свободных электрических зарядов в проводнике нужно знать концентрацию n свободных носителей заряда и силу тока I. Если концентрация свободных электрических зарядов в проводнике n, то за промежуток времени через поперечное сечение S проводника при скорости их упорядоченного движения проходит электрический заряд , равный

где e — модуль заряда электрона. Сила тока I в проводнике при том равна

Из последнего уравнения скорость упорядоченного движения электронов в проводнике получается равной

Концентрация свободных электронов в металлах примерно равна концентрации атомов, модуль заряда электрона e = 1,6 * 10 -19 Кл. Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 = 10 -6 м2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна

За 1 с электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм.
Малые значения скорости упорядоченного движения свободных зарядов в проводниках не приводят к запаздыванию зажигания электрических ламп, включения электромоторов и т. д., так как при включении электрической цепи вдоль проводов со скоростью света распространяется электромагнитное поле. Это поле приводит в движение свободные электрические заряды почти одновременно во всех проводниках электрической цепи

3. Напряженность поля в точке А направлена на восток и равна 2 • 10 5 Н/Кл. Какая сила и в каком направлении будет действовать на заряд -3 мкКл?

Постоянный электрический ток.

Если в двух точках проводника искусственно поддерживать разные потенциалы, то внутри проводника будет существовать электрическое поле и непрерывное движение зарядов.

Направленное движение свободных зарядов в проводнике под действием сил электрического поля называется электрическим током.

Носителями зарядов в любых проводниках являются свободные электроны и ионы. Протекание тока в веществе всегда сопровождается увеличением внутренней энергии вещества ( нагреванием).

Средняя скорость направленного движения носителей зарядов (при постоянной напряженности поля в проводнике) прямо пропорциональна напряженности :

Коэффициент пропорциональности " " называется подвижностью носителей заряда и выражает зависимость ско­рости направленного движения носителей зарядов от рода вещества проводника и внеш­них условий (в частности, от температуры). Средняя скорость направленного движения электронов в меди составляет порядка 1 мм/с.

За направление тока условно принимают направленное движение положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока – скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом , прошедшим через поперечное соединение проводника за единицу времени.

Размерность силы тока =1А (Ампер)

Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным.Сила постоянного тока:

Плотность тока — физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока. Модуль плотности тока:

Размерность плотности тока: [ ] =


Если (Рисунок 19) — средняя скорость направленного движения зарядов в проводнике, - концентрация зарядов и каждый носитель имеет заряд , то за время через поперечное сечение проводника переносится заряд

Сила тока (скалярная величина): .

Учитывая, что скорость , а , где напряжение, приложенное к концам проводника длиной , получим:

Плотность тока - векторная величина:

Вектор плотности тока совпадает с направлением скорости направленного движения положительных зарядов.

Сила тока сквозь произвольную поверхность определяется как поток вектора через эту поверхность, то есть:

где , а единичный вектор нормали к площадке , составляющей с вектором угол .

Сторонние силы.

Электродвижущая сила и напряжение

Для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектрического

происхождения, действующие на заряды со стороны источника тока, называются сторонними .

химической реакций, а в генераторе – за счет механической энергии вращения ротора генератора.

Участок цепи (С), в котором заряды движутся в сторону действия электрических сил, является потребителем электрической энергии и называется внешней цепью.

Участок цепи (Д), в котором заряды двигаются в сторону действия сторонних сил, является источником электрической энергии и называется внутренней цепью.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного единичного заряда q0, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в цепи.

ЭДС — величина скалярная.

Размерность ЭДС - [ ] = 1В (Вольт).

Сторонняя сила , действующая на заряд :

, где напряженность поля сторонних сил.

Работа сторонних сил по перемещению заряда q0 на замкнутом участке цепи:

Из последней формулы следует, что ЭДС, действующая в замкнутой цепи, не что иное, как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

ЭДС, действующая на участке 1 - 2: .

На заряд кроме сторонних сил действуют силы электростатического поля

Результирующая сила, действующая в цепи на заряд :

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом , на участке 1 - 2:

Напряжением на участке 1 - 2, содержащем ЭДС, называется скалярная физическая величина:

Если =0, то =

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна 0, так как . Поэтомудля замкнутой цепи: .

  1. Что такое электрический ток и какое направление тока принято в технике?
  2. Дайте определение силы тока, плотности тока и напишите формулы, по которым рассчитываются эти величины.
  3. В каких единицах измеряются сила и плотность электрического тока?
  4. Расскажите о внешней и внутренней цепи электрического тока.
  5. Расскажите о сторонних силах и дайте определение электродвижущей силы.
  6. Что называется напряжением на участке цепи 1 - 2?

Закон Ома для участка цепи.

Сопротивление цепи

Немецкий физик Ом экспериментально установил, что сила тока в однородном металлическом проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.

- закон Ома для участка цепи (не содержащего ЭДС).

Здесь — электрическое сопротивление

Проводника.

Размерность сопротивления: = 1 Ом (ом).

Закон Ома для участка цепи:сила тока в участке цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка цепи.

- проводимость проводника. [ ] = 1 См (сименс). . Поскольку , то проводимость

Для однородного линейного проводника длиной и площадью

поперечного сечения можно написать:

где: - удельное сопротивление проводника, которое зависит только от материала проводника и внешних условий.

Значение для конкретного материала можно найти в справочнике. Размерность удельного сопротивления [ ] = 1 Ом×м.

С учетом изложенного закон Ома для участка цепи можно переписать: , откуда плотность тока определится как: .

Если обозначить , где - удельная проводимость с размерностью 1 См/м и поскольку напряженность электрического поля , то получим: - закон Ома для участка цепи в дифференциальной форме:

плотность тока прямо пропорциональна удельной проводимости и напряженности электростатического поля.

Носители заряда в металлическом проводнике перемещаются под действием

Электрическая проводимость ( электропроводность) - - это физическая величина , обратная сопротивлению, характеризует свойство вещества проводить электрический ток.
R - сопротивление
1/ R - электрическая проводимость

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

Носители свободных зарядов в металлах - свободные электроны, которые упорядоченно перемещаются вдоль проводника под действием эл.поля с постоянной средней скоростью (из-за тормозного действия положительно заряженных ионов кристаллической решетки).
Металлы обладают электронной проводимостью.

Зависимость сопротивления проводника R от температуры:


При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление.
Удельное сопротивление проводника зависит от температуры:

где ро - удельное сопротивление при 0 градусов, t - температура,


- температурный коэффициент сопротивления
( т.е. относительное изменение удельного сопротивления проводника при нагревании его на один градус)

Для металлов и сплавов


Обычно для чистых металлов принимается


Таким образом, для металлических проводников с ростом температуры

увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника и уменьшается эл.ток в цепи.

Сопротивление проводника при изменении температуры можно рассчитать по формуле:


R = Ro ( 1 +

где Ro - сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия
t - температура проводника

- температурный коэффициент сопротивления

Открытие низкотемпературной сверхпроводимости: 1911г. - голландский ученый Камерлинг - Оннес
наблюдается при сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах;
при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится исчезающе малым.

В 1957 г. дано теоретическое объяснение явления сверхпроводимости: Купер (США), Боголюбов (СССР)

1957г. опыт Коллинза: ток в замкнутой цепи без источника тока не прекращался в течение 2,5 лет.

В 1986 г. открыта (для металлокерамики) высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

Трудность достижения сверхпроводимости:
- необходимость сильного охлаждения вещества

Область применения:
- получение сильных магнитных полей;
- мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.

В настоящий момент в энергетике существует большая проблема
- большие потери электроэнергии при передаче ее по проводам.

Возможное решение проблемы: при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0 и потери энергии резко уменьшаются.

Вещество с самой высокой температурой сверхпроводимости
В 1988 г. США, при температуре –148°С было получено явление сверхпроводимости. Проводником служила смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди.

Чему равен 1 милливольт (1мВ)?

а) *совокупность устройств для протекания электрического тока;
б) разность напряжений в начале и в конце линии;
в) участок, расположенный между двумя узлами;
г) замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

Какой полупроводниковый элемент имеет один p – n переход?

72. Короткое замыкание происходит в том случае, если…(выберите правильный ответ):

а) провода в электрической цепи плохо проводят электрический ток;

б) нарушен контакт в соединении между двумя участками электрической цепи;

в) *клеммы (зажимы) источника питания замкнуты между собой проводником с малым сопротивлением.

г) при любом из указанных случаев

Уровень A

1. Электрический счетчик измеряет …энергии:

2. Участок электрической цепи, вдоль которого протекает один и тот же ток – это …. электрической цепи

3. ……. проводника зависит от длины, площади его поперечного сечения и материала из которого он изготовлен.

Сопротивление

4. Сила тока I на участке электрической цепи при потребляемой мощности P=1000 Bт и приложенном напряжении U=100 В равна ….. А.

5. …… обозначается на электрической схеме следующим знаком

Конденсатор

6. Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному электрическому сопротивлению цепи – это закон …

7. Точка электрической схемы, в которой сходится 3 и более проводников называется …. :

8. Разность потенциалов – это…

9. ….. имеют наименьший отрицательный заряд:

10. Устройство, состоящее из катушки и железного сердечника внутри ее – это …….

электромагнит

11. По двум проводам одинакового сечения и длины протекает один и тот же ток. При этом сильнее нагреется …. провод.

12. По двум проводам одинаковой длины, изготовленным из одного и того же материала, но разного диаметра протекает один и тот же ток. При этом сильнее нагревается провод с …. диаметром.

13. При …. соединении источников тока их общее напряжение увеличивается?

последовательном

14. Ток в нулевом проводе в симметричной трёхфазной цепи при соединении нагрузки в звезду равен …..

15. Мерой интенсивности перемещения зарядов в проводнике является …. тока

16. Носители заряда в металлическом проводнике перемещаются под действием…. .

электрического поля

17. Емкость системы конденсаторов станет больше, если конденсаторы соединить …..

параллельно

18. В формуле закона Ома для замкнутой цепи I=E/(R+rо), rо – это сопротивление …. ЭДС

19. Направление индукционного тока в проводнике определяется по правилу …..

20. Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током определяется по правилу Б….. .

21. При увеличении магнитного потока Ф, магнитная индукция В …. .

22. Магнитная проницаемость μ зависит от ….

от вещества и его состояния

23. Если замкнутый проводник движется в однородном магнитном поле параллельно магнитным линиям, то ЭДС в нем равен ….

Переменный ток можно получить при помощи

25. При увеличении частоты переменного тока ёмкостное сопротивление ….

уменьшается

26. При увеличении частоты переменного тока индуктивное сопротивление ….

увеличивается

27. От генератора, обмотки которого соединены «звездой» отходит ….. провода.

28. Если концы фазных обмоток замкнуть в одну точку, а начала подключить к линейным проводам, то такое соединение называется ….

29. Ток в нулевом проводе трёхфазной цепи обуславливается …. нагрузкой

неравномерной

30. При соединении «треугольником» линейное напряжение в трехфазной сети равно 380 В. При этом фазное равно … В.

31. Для увеличения магнитной связи между обмотками магнитопровод трансформатора изготавливается из ….. стали.

электротехнической

32. Сердечник трансформатора делают не сплошным, а собирают из отдельных листов, изолированных друг от друга для … потерь на вихревые токи

Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас.

Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы.

Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация.



Читайте также: