Законы постоянного тока

 

mv²_t/2=3kT/2,

 

где v²_t - среднее значение квадрата скорости теплового движения. 

На каждый электрон действует сила, равная еЕ, в результате чего он приобретает ускорение еЕ/m. Скорость к концу свободного пробега равна

 

v=eEt/m,

 

где t - среднее время между соударениями.

 

Поскольку электрон движется равноускоренно, его средняя скорость равна половине максимальной:

 

v_c=eEt/(2m)

 

Среднее время между соударениями есть отношение длины свободного пробега к средней скорости:

 

t=L/v_t

 

Поскольку обычно скорость упорядоченного движения много меньше тепловой скорости, то скоростью упорядоченного движения пренебрегли. 
 
Окончательно, имеем

 

v_c=eEL/(2mv_t)

 

Коэффициент пропорциональности между v_c и Е называется подвижность электронов.

С помощью классической электронной  теории газов могут быть объяснены  многие закономерности - закон Ома, закон Джоуля-Ленца и другие явления, однако эта теория не может объяснить, например, явления сверхпроводимости: 

   При определенной температуре удельное сопротивление для некоторых веществ скачком уменьшается практически до нуля. Это сопротивление настолько мало, что однажды возбужденный в сверхпроводнике электрический ток существует длительное время без источника тока. Несмотря на скачкообразное изменение сопротивления, другие характеристики сверхпроводника (теплопроводность, теплоемкость и др.) не меняются либо меняются мало.

Более точным методом, объясняющим  такие явления в металлах, является подход с использованием квантовой статистики.

 

Электрический ток в  растворах и расплавах электролитов

 

   Электрический ток может выделять в некоторых проводниках их химические составные части. Это явление получило название электролиза. Согласно первому закону Фарадея для электролиза, масса вещества выделившаяся на каком-либо из электродов, пропорциональна величине заряда, прошедшего через электролит.

 

m=Kq,

 

где K - электрохимический эквивалент.

 

Фарадей обратил внимание на то, что электрохимический эквивалент любого вещества всегда пропорционален атомному весу А и обратно пропорционален валентности Z этого вещества. Это второй закон Фарадея. Отношение A/Z называется химическим эквивалентом вещества.

 

Оба закона можно выразить одной  формулой:

 

m=Aq/(ZF),

 

где F=96500 кулонов - число Фарадея.

 

При наличии электрического поля ион  обретает такую скорость установившегося  движения, при которой сила трения и сила еЕ со стороны поля уравновешены. 

Отсюда получаем, что

 

v=bE

 

Через b обозначена подвижность иона. Вообще говоря, подвижность анионов и катионов различна, поэтому вводят обозначения b₊ b 

Число переноса катионов

 

p_k= b₊/(b₊+b_-)

 

Соответственно, число переноса анионов

 

p_а= b_-/(b₊+b_-)

 

 

Электрический ток в  газах

 

   В обычном состоянии газы не проводят электричества. Однако под влиянием различных внешних факторов (высокая температура, различные излучения) газы становятся электропроводящими. Это происходит вследствие того, что от нейтральных атомов отделяются электроны и образуются проводящие частицы - положительные ионы и свободные электроны. Часть свободных электронов может быть захвачена нейтральными атомами и образуются отрицательные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Ионизация атома (отрыв электрона) требует определенной энергии, величина которой зависит от строения атома и называется энергией ионизации.

Если ионизацию не поддерживать, например, бомбардируя атомы электронами, ускоренными во внешнем электрическом поле, то со временем происходит рекомбинация ионов - положительный и отрицательный ион в результате теплового движения сталкиваются и избыточный электрон переходит к положительному иону. В результате образуется два нейтральных атома.

 

Рассмотрим принципиальную схему, изображенную на рисунке:

 

 

   Пусть на отрицательный электрод падают ультрафиолетовые лучи, обеспечивающие ионизацию газа. Если увеличивать напряжение между электродами (например, плавно уменьшая сопротивление r) то сила тока будет увеличиваться, пока не достигнет максимума (тока насыщения), при котором все свободные электроны достигают противоположного электрода.

   Сила тока насыщения зависит только от интенсивности процесса ионизации (в нашем случае, от интенсивности ультрафиолетовых лучей). Если снять внешнюю ионизацию, разряд между электродами исчезнет. Такие разряды называются несамостоятельными. Если же продолжать уменьшать сопротивление (увеличивая тем самым напряжение) произойдет резкое (в сотни раз) увеличение силы тока, в газе появятся световые и тепловые эффекты. Если прекратить действие ионизатора, то разряд будет продолжаться. Это значит, что новые ионы для поддержания разряда образуются благодаря процессам в самом разряде. Такие разряды называют самостоятельными.

Дело в том, что с увеличением напряжения возрастает скорость и кинетическая энергия электрона, и он при столкновении с атомом сам способен произвести его ионизацию - высвободить еще один электрон. На следующем этапе два электрона образуют уже четыре и т.д. Происходит лавинообразное увеличение количества носителей. Это явление получило название электронной (или ионной) лавины, а напряжение, при котором это происходит - напряжением пробоя газового промежутка (напряжением зажигания газового разряда).

В зависимости от свойств и внешнего вида разрядов различают коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды.

В различных формах газового разряда  иногда образуется сильно ионизированный газ, в котором концентрация электронов приблизительно равна концентрации положительных ионов. Такая система получила название ионной плазмы.

 

 

Ток в вакууме

 

Как известно, в металлах имеются  электроны проводимости, образующие "электронный газ" и участвующие  в тепловом движении. Для того, чтобы  свободный электрон мог выйти  из металла, должна быть совершена определенная работа, различная для разных металлов и названная работой выхода.

Существование работы выхода показывает, что в поверхностном слое металла  существует электрическое поле, значит, электрический потенциал при  переходе через этот слой изменяется на некоторую величину, также специфичную для разных металлов.

 

Эта поверхностная разность потенциалов связана с работой выхода соотношением:

 

A=ef

 

Поскольку выйти из металла могут  только "самые быстрые" электроны, то можно записать условие выхода так:

 

mv²/2>ef

 

В обычных условиях работа выхода в сотни раз больше энергии  теплового движения электронов, поэтому  подавляющее большинство их остается в металле. Но если сообщить электронам дополнительную энергию, можно наблюдать  явление испускания электронов или электронной эмиссии. В зависимости от того, каким образом сообщена дополнительная энергия, различают термоэлектронную эмиссию, фотоэмиссию, вторичную электронную эмиссию и др.

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии  используется принципиальная схема, содержащая вакуумный диод (см. рис.).

В такой цепи возникнет ток, только если катод раскалить до высокой температуры. Вольт-амперная характеристика диода показывает, что при нулевой разности потенциалов ток очень мал. В дальнейшем, при увеличении потенциала на аноде, увеличивается и ток, пока не достигнет некоторого постоянного значения - тока насыщения Is. Его значение увеличивается с увеличением температуры катода. Также с увеличением температуры растет и напряжение Us, при котором достигается ток насыщения.

По графику наглядно видно, что  зависимость между током и  напряжением для диода носит нелинейный характер, то есть диод не подчиняется закону Ома. Богуславский и Лэнгмюр независимо друг от друга показали, что зависимость тока диода от потенциала анода имеет вид:

 

I=CU^3/2,

 

Где С зависит от формы и размеров электродов.

Зависимость плотности тока насыщения  от температуры известна под названием  формулы Ричардсона:

 

Js=CT^1/2exp(-ef/kT),

где С - константа, различная для разных металлов.

 

 

4.Источники постоянного тока

 

    Простейшим источником постоянного тока является химический источник (гальванический элемент или аккумулятор), поскольку полярность такого источника не может самопроизвольно измениться.

Для получения постоянного тока используют также электрические машины - генераторы постоянного тока.

   В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения пульсирующего тока используют выпрямитель. Далее для уменьшения пульсаций может быть использован сглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор напряжения.

 

   Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток).

На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, термин УПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе.

В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. Путаница обусловлена тем, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Заключение

 

Постоянный электрический ток  – это один из важнейших разделов физики. Постоянный электрический ток  нашёл применение практически во всех отраслях, так как подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. За последние несколько столетий была проделана большая работа в исследовании электрического тока: исследование электрических токов в металлах,  вакууме и газах. Над этим работали великие учёные такие, как Х.Лоренц, П.Друде, К.Рикке, Д.Томсон, С.Л.Мандельштам, Б.Стюарт и другие. Их вклад в науку не измеримо велик.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Список используемой литературы

 

1.Т.И.Трофимова -  «Курс физики: учебное издание для вузов».М: издательский центр «Академия», 20007г.

 

2. Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнёв «Справочное  руководство по физике». Издательство  «Наука», 1989г.

 

3.И.В.Савельев – «Курс Физики том II»,М:  «Наука», 1989г.

 

4.Д.В.Сивухин – «Общий курс физики»,М: «Наука», 1974г.