Общая характеристика Электрического тока

                 1. Общая характеристика Электрического  тока.

В первую очередь, стоит выяснить, что представляет собой электрический  ток. Электрический ток — это  упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. Чтобы он возник, следует предварительно создать  электрическое поле, под действием  которого вышеупомянутые заряженные частицы  придут в движение.

Первые сведения об электричестве, появившиеся много столетий назад, относились к электрическим «зарядам», полученным посредством трения. Уже в глубокой древности люди знали, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Но только в конце XVI века английский врач Джильберт подробно исследовал это явление и выяснил, что точно такими же свойствами обладают и многие другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, он назвал наэлектризованными. Это слово образовано от греческого электрон — «янтарь». В настоящее время мы говорим, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называются «заряженными».

Электрические заряды всегда возникают при тесном контакте различных  веществ. Если тела твердые, то их тесному  соприкосновению препятствуют микроскопические выступы и неровности, которые  имеются на их поверхности. Сдавливая  такие тела и притирая их друг к  другу, мы сближаем их поверхности, которые  без нажима соприкасались бы только в нескольких точках. В некоторых  телах электрические заряды могут  свободно перемещаться между различными частями, в других же это невозможно. В первом случае тела называют «проводники», а во втором — «диэлектрики, или  изоляторы». Проводниками являются все  металлы, водные растворы солей и  кислот и др. Примерами изоляторов могут служить янтарь, кварц, эбонит и все газы, находящиеся в нормальных условиях.

Тем не менее нужно отметить, что деление тел на проводники и диэлектрики весьма условно. Все  вещества в большей или меньшей  степени проводят электричество. Электрические  заряды бывают положительными и отрицательными. Такого рода ток просуществует недолго, потому что в наэлектризованном  теле кончится заряд. Для продолжительного существования электрического тока в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле. Для этих целей  используются источники электротока. Самый простой случай возникновения  электрического тока — это когда  один конец провода соединен с  наэлектризованным телом, а другой — с землей.

Электрические цепи, подводящие ток к осветительным лампочкам  и электромоторам, появились лишь после изобретения батарей, которое  датируется примерно 1800 годом. После  этого развитие учения об электричестве  пошло так быстро, что менее  чем за столетие оно стало не просто частью физики, но легло в основу новой электрической цивилизации.

2.Среда, где  опасность имеет значение.

                 Электрический ток в металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в  узлах кристаллической решетки  и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные  электроны движутся хаотически, подобно  молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных  электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении  действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах - это упорядоченное движение электронов. 

 

Электрический ток  в растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул  солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником. 

 

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием  внешнего электрического поля ионы, продолжая  хаотичные движения, вместе с тем  смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы  к катоду, анионы - к аноду.

Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов - это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита  всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его  состав. Это явление называют электролизом.

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты  оказывают некоторое противодействие  движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов  обоих знаков. 

 

Электрический ток  в газах.

При нормальных условиях   газы  состоят  из  нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для  получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию - энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна - для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно  при нагревании газа, при облучении  его различного рода лучами. Благодаря  дополнительной  энергии  возрастает скорость  движения  молекул, нарастает интенсивность их теплового движения  и  при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к  нейтральным молекулам, образуя  при этом отрицательно заряженные ионы.

Следовательно, при ионизации  появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные  ионы и электроны.

Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны  движутся  в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы  к катоду, отрицательные ионы и электроны - к аноду. Т.е. электрический ток в газах - это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Электрический ток  в вакууме.

В вакууме отсутствуют  заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е.  необходимо создать определенные  условия, которые помогут  получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре  они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или  равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур. 

При нагревании металла  количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов  при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией. Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная  к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности  вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии  лежит  в основе принципа действия электронных ламп:  вакуумного диода, вакуумного триода.  

 

 

                  Вакуумный диод                                            Вакуумный триод  

 

                                                    

  

 

Электрический ток  в полупроводниках. 

 

Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых  убывает с увеличением температуры  и зависит от наличия примесей и  изменения освещенности. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10^-3 до 10⁷ Ом ·м.  Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния.

В этих кристаллах атомы  соединены между собой ковалентной  связью. При нагревании ковалентная  связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает  возникновение свободных электронов и "дырок"- вакантных положительных мест с недостающим электроном.  

 

 

 

При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные  места, образуя "дырку"  в соседнем атоме. Таким образом не только  электроны, но и "дырки" могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение - возникнет электрический ток. 

 

Собственная проводимость.

В чистом кристалле электрический  ток создается равным количеством электронов и "дырок". Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества "дырок" в полупроводниковом кристалле  без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника.

При повышении  температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и "дырок". 

 

 

 

Примесная  проводимость.

Проводимость проводников  зависит от наличия примесей. Примеси  бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь - примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый  станет электроном проводимости.  

 

 

 

При нагревании  нарушается ковалентная связь,  возникают  дополнительные   электроны проводимости  и "дырки". Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством "дырок". Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является полупроводником n-типа.  Электроны являются основными носителями заряда, "дырки" - неосновными. 

 

Акцепторная  примесь - примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой  незавершенной ковалентной связи образуется "дырка".   

 

 

 

При нагревании  нарушается ковалентная связь,  возникают  дополнительные   электроны проводимости  и "дырки". Поэтому в кристалле количество "дырок" преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p-типа.  "Дырки" являются основными носителями заряда, электроны - неосновными. 

 

p-n переход. 

При контакте полупроводников  p-типа и  n-типа через границу происходит диффузия электронов из n-области в p-область и "дырок" из p-области в n-область. Это приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего дальнейшей диффузии.  p-n переход обладает односторонней проводимостью.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с положительным полюсом , а  n-область - с отрицательным полюсом, появляется  движение основных носителей зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.

 

 

 

 

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с отрицательным  полюсом , а  n-область - с положительным полюсом, толщина запирающего слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов через контактный слой прекращается, но может иметь место движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в обратном направлении.

 

 

 

 

Принцип действия полупроводникового диода  основан на свойстве односторонней проводимости  p-n перехода. Основное применение полупроводникового диода - выпрямитель тока. 

 

3. Влияние на организм человека.

ЭЛЕКТРОТРАВМА - это травма, вызванная воздействием электрического тока, электрической дуги или электромагнитного поля.

Удельный вес электротравматизма составляет примерно 2-4% от всех травм. Однако, среди случаев с летальным  исходом электрический ток, как  поражающий фактор, занимает одно из первых мест. На их долю приходится около 40%. В  Украине за неделю происходит несколько  несчастных случаев, и более половины из них в быту. Причем, к бытовому электротравматизму относятся травмы, произошедшие с детьми.

По напряжению электроустановки делятся на:

- электроустановки до 1 кВ;

- электроустановки выше 1 кВ.

В пределах этого, электротравмы  происходят:

- 2/3 несчастных случаев  на установках до 1 кВ;

- 1/3 несчастных случаев  на установках выше 1 кВ.

На одну электроустановку с напряжением выше 1 кВ приходится огромное количество электроустановок с напряжением выше 1 кВ. Обслуживаются  установки с напряжением ниже 1 кВ в большинстве случаев неквалифицированным  персоналом.

Отличительные особенности  электротравм.

1). Неожиданность. - Организм  человека лишен рецепторов (датчиков), которые могут определять напряжение  на дистанции. Скорость защитной  реакции организма и скорость  подавляющего (тормозящего) действия  электрического тока при попадании  человека под электрический ток.