Физические основы механики

 

Рис. 30

На участке 1-2 действует Э. Д. С. ε₁₂ , а на концах участка приложена разность потенциалов . Тогда закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид:

 

Это и есть обобщенный закон Ома (если однородный участок цепи, то ε₁₂=0→J=).

Расчет таков, напряжений Э.Д.С. в  разветвленной цепи, содержащих несколько  замкнутых контуров (контуры могут  иметь общие участки, каждый из контуров может иметь несколько источников тока и т. д.) довольно сложен и производится на основе правил Кирхгофа.

Первое правило: алгебраическая сумма сил токов в участках цепи, сходящихся в любой точке разветвления, равна нулю.

Рис. 31

Рис. 32

.

Например, для рис 31 первое правило  Кирхгофа записывается так:

J₁ + J₂ + J₃ – J₄ = 0

Второе правило: в любом замкнутом  контуре, произвольно выбранном  в разветвленной электрической  цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов этого контура равна  алгебраической сумме Э. Д.С. ε_к , встречающихся в этом контуре:

При составлении указанной суммы  положительными считаются те токи, направления которых совпадают c условно выбранным направлением обхода контура. Положительными считаются  те ЭДС, которые повышают потенциал  в направлении обхода (т. е. направление  обхода совпадает с переходом  от отрицательного полюса к положительному). Например (рис. 32)

J₁R₁ + J₂R₂ – J₃R₃ = ε₁ + ε₂ + ε₃

При перемещении заряда q по электрической цепи, на концах которой действует напряжение U, электрическим полем совершается работа A=qU. Если ток постоянный, то перемещенный заряд численно равен: q=Jt. т. о., работа, совершаемая постоянным током на участке цепи:

A=Jut=J²Rt=

Применяется также единица 1 киловатт-час (кВт.ч) 1кВт.ч=3,6·10⁶Дж

Соответственно мощность тока

P=JU=J²R=;  

3) Ток в электролитах.

К электролитам или проводникам  второго рода, относятся растворы кислот, щелочей и солей в воде и других растворителях. Расплавленные  соли также обладают электрической  проводимостью. В электролитах носителями заряда служат ионы-части молекул, имеющие  положительный или отрицательный  заряд.

Электрическое поле в электролите  создается между токопроводящими  пластинками, которые погружаются  в электролит; эти пластинки называются электродами. Электроды соединяются с полюсами источника ЭДС; электрод, соединенный с положительным полюсом, называется анодом; электрод, соединенный с отрицательным полюсом, называется катодом.

       

Рис. 33

 

Положительные ионы, перемещаются к - катоду, отрицательные перемещаются к – аноду (рис. 33).

 

Подвижность ионов численно равна  средней скорости упорядоченного движения, которую получает ион в поле напряженностью 1 В/см. Плотность тока, выраженная через  подвижности ионов u+ и u-:

i = (n+u+ + n-u-)e·E , 

 

   где

u+ и u- концентрация положительных и отрицательных ионов;    E–напряженность электрического поля. т. о., для электролитов справедлив закон Ома.

При прохождении тика через электролиты (или расплавленные соли) изменяется их химический состав, а на электродах происходит выделение различных  продуктов. Это явление называется электролизом.

При погружении в электролит двух электродов между ними устанавливается  разность потенциалов, равная разности электрохимических потенциалов  электродов. Электролит с двумя погруженными в него разнородными электродами  называют гальваническим элементом (например, медная и цинковая пластинки в  растворе серной кислоты – так  называемый элемент Вольта).

 

Аккумуляторы являются гальваническими  элементами, в которых электроды  изготовлены из таких материалов, что они восстанавливают свои первоначальные свойства при пропускании  тока (зарядке) в обратном направлении-зарядка.

Например: Аккумулятор щелочей  серебряно-цинковый имеет положительный  электрод (пластинка серебра) и отрицательный  электрод (окись цинка). Оба электрода  находятся в растворе едкого калия (кон). Между электродами возникает  разность потенциалов. (э.д.с.) 1,5В.

Количество электричества, которое  может быть получено от аккумулятора при данных условиях работы (температуре, разрядном токе, начальном напряжении), называется емкостью аккумулятора. Емкость  аккумулятора выражается в ампер-часах (А·ч):

1 А·ч =3600 Кл.

4) Ток в газах.

Газы при не слишком высоких  температурах и при давлениях, близких  к атмосферному, являются хорошими изоляторами. Это объясняется тем, что газы при обычных условиях состоят из нейтральных атомов и  молекул и не содержат свободных зарядов (электронов ионов). Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизируется, т. е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Для этого газ надо подвергнуть действию какого-либо ионизатора (термическая ионизация, облучение рентгеновскими лучами или γ-лучами и др.)

Т.е. под действием какого-либо ионизатора происходит вырывание из электронной  оболочки атома (молекулы) одного или  несколько электронов, что приводит к образованию свободных электронов и положительных ионов. Энергия  ионизации для различных веществ  лежит в пределах 4-25 Эв (1эВ=1,6·10^-19Дж).

Электролиты могут присоединяться к нейтральным молекулам (атомам), превращая их в отрицательные ионы. Следовательно, в ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.

Одновременно с процессом ионизации  идет и обратный процесс –процесс рекомбинации: положительные и отрицательные  ионы, положительные и отрицательные  электроны, встречаясь, воссоединяются между собой с образованием нейтральных  атомов и молекул.

Газовый разряд это электрический  ток в газе, представляющий собой  противоположно направленные потоки отрицательных  и положительных ионов. Для  газового разряда необходимы два условия: ионизированная газовая среда и  электрическое поле (разность потенциалов, приложенную к некоторому объекту газа, заключенного в сосуд).

Газовый разряд,  возникающий под  действием внешнего ионизатора и  прекращающийся после его удаления,  называется несамостоятельный разряд.

Самостоятельный разряд это газовый разряд, не требующий для своего поддержания воздействия внешнего ионизатора. Ионизация газа при самостоятельном разряде инициируется и поддерживается внешним электрическим полем. В любом газе при нормальных условиях имеется малое количество свободных электронов, которые по воздействием внешнего электрического поля ускоряются, соударяются с молекулами газа, разбивают их на ионы. Порожденные ионы и электроны ускоряются электрическим полем и, соударяясь с нейтральными молекулами, порождают новые ионы. Процесс образования ионов лавинообразно нарастает. При достаточно сильном электрическом поле газовый разряд поддерживается самостоятельно. Описанный процесс называется ударной ионизацией.

В зависимости от давления газа, конфигурации электронов, параметров внешней цепи различают четыре типа самостоятельного разряда: тлеющий, искровый, дуговой и коронный.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях и напряжениях в  несколько сот вольт. Тлеющий  разряд используется в газосветных  трубках для светящихся надписей и реклам (неон, аргон и т. д.), в  лампах днвного света.

Искровый разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, для электроискровой точной обработки металлов (резание, сверление).

Если после зажигания искрового  разряда постепенно уменьшить расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным- возникает дуговой  разряд.

При этом сила тока резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение падает до несколько десятков вольт. Дуговой разряд применяется для  сварки и резки металлов, получения  высококачественных сталей (дуговая  печь) и т. д.

Коронный разряд –высоковольтный  разряд при атмосферном давлении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной  поверхности (острия). Когда напряженность  поля вблизи острия достигает 

~30 кВ/см, то вокруг него возникает свечение, имеющего вид короны.  В естественных условиях корона возникает под влиянием атмосферного электричестве у вершин  мачт, деревьев  и др.

В заключение остановимся на понятии  плазма. Плазмой называется сильно ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных  зарядов практически одинаковы.

Различают высокотемпературную плазму возникающую при высоких температурах (Т≈10⁸К), газоразрядную плазму (Т<10⁵К), возникающую при газовом разряде. Кулоновское дальнодействующее взаимодействие заряженных частиц в плазме приводит к качественному своеобразию плазмы, позволяющему считать ее особым четвертым агрегатным состоянием вещества. Плазма наиболее распространенное состояние вещества во вселенной. Солнце и другие звезды состоят из полностью ионизированной высокотемпературной плазмы. Низкотемпературная газоразрядная плазма, образующаяся при тлеющем, искровом и дуговом разрядах в газах, широко используется в различных источниках света, в газовых лазерах, для сварки, резки, плавки и других видов обработки металлов.

5) Электрический ток в вакууме.

Разряженный газ – вакуум (пустота) – состояние газа при давлении меньше атмосферного. Степень разряженности газа в сосуде характеризуют отношение средней длины пробега молекул Λ к расстоянию между стенками сосуда d:

Низкий вакуум   Λ/d <<1;

Средний вакуум Λ/d  ~ 1;

Высокий вакуум Λ/d >>1;

Вакуум состояние разряженного газа в сосуде, при котором Λ  превышает размеры сосуда. Вакуум не содержит носителей зарядов и  не проводит электрический ток. Для  того чтобы в вакууме создать  электрический ток, необходимо носителей  зарядов привлечь извне.

Металлы в вакууме используют как  источник электронов проводимости. Ток в вакууме (например, в электронных лампах) обусловлен движением электронов, которые вырываются из электродов, помещенных в вакуум (рис.34).

Рис. 34

Вырванные электроны (е) движутся к аноду (А) от катода и создают ток. Чтобы вырвать свободный электрон из металла (К), необходимо произвести определенную работу. Эта работа называется работой выхода.

Интенсивное испускание металлов электронов в вакуум называется электронной  эмиссией. В зависимости от способа  сообщения электронам энергии для  совершения работы выхода различают  термоэлектронную, фотоэлектронную  и автоэлектронную эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия –интенсивное испускание металлом электронов в вакуум при нагревании металла.

Фотоэлектронная эмиссия –интенсивное испускание металлом электронов в вакуум при действии на метал светового измерения.

Вторичная электронная эмиссия- интенсивное испускание металлом электронов в вакуум при бомбардировке металла первичным потоком электронов или ионов.

Автоэлектронная эмиссия- интенсивное испускание металлом электронов в вакуум под действием сильного электрического поля.

Работа выхода зависит от химической природы металла и от чистоты  их поверхности и колеблется в пределах несколько электрон -вольт (например у калия 2,2 эВ, у платины 6,3 эВ). Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно уменьшить работу выхода. Например, если нанести на поверхность вольфрама (4,5 эВ) слой оксида щелочно- земельного металла (Ва, Sr, Ca), то работа выхода снижается до 2 эВ. Электрический ток в вакууме используется при выборах: электронных  лампах (диод, триод, пентод,…), электронно лучевой трубке (осцилограф, телевизор, радиолокатор, дисплей,…), электронной пушке.

6) термоэлектрические явления и  их применение.

Немецкий физик  Зеебек обнаружил, что в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру, возникает электрический ток. Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух металлических проводников 1и 2 с температурами спаев Т₁  (контакт А) и Т₂ (контакт В), причем Т₁>Т₂ (рис. 35).

Рис. 35

В замкнутой цепи для многих пар  металлов (пример, Cu-Bi, Ag-Cu? Au-Cu, …) электродвижущая сила прямо пропорциональна разности температур в контактах А и В:

ε_т(Т1-Т₂);  ε_т=α(Т₁-Т₂)

Эта Э.Д.С. называется термоэлектродвижущей силой. Направление тока при Т₁-Т₂ показано стрелкой. Величина α называется дифференциальной Т.Е.Д.С. (коэффициент Т.Е.Д.С.); она численно равна ТЭДС, возникающей при разности температур в 1 °С.

Термоэлектродвижущая сила, например для пары металлов медь-константан, для разности температур 100 К составляет 4, 25 мВ. (платина – платина +10% родия – 0,64 мВ, железо- константан – 5 мВ и т. д.).

Явление Зеебека используется для измерения температуры-датчики температур, состоящие из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников. Точность определения температуры достигает ≈0,01 К. Это явление может быть использовано для генерации электрического тока.

Электромагнетизм.

Подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает  электростатическое поле, и в пространстве,  окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным.

Постоянные магниты это естественные искусственные магниты.