Какие вещества проводят электрический ток

Какие вещества проводят электрический ток?

Из школьного курса физики известно, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. При этом должно соблюдаться как минимум два условия — это наличие свободных носителей заряда и присутствие электрического поля. Рассмотрим более подробно какие вещества проводят электрический ток, и какие условия для этого должны быть созданы.

Общим для всех вариантов будет обязательное наличие поля, только в этом случае возможно создание силы, которая будет приложена к заряду для его перемещения от одного электрода к другому.

Классификация

Все диэлектрические материалы подразделяют на полярные и неполярные виды. У полярных изоляторов центры положительных и отрицательных зарядов смещены от центра. Молекулы таких веществ по своим электрическим параметрам аналогичны жесткому диполю, имеющему свой дипольный момент. В качестве полярных диэлектриков можно привести воду, аммиак, хлороводород.

Неполярные диэлектрики отличаются совпадением центров положительных и отрицательных зарядов. Они сходны по электрическим характеристикам упругому диполю. Примерами таких изоляторов являются водород, кислород, тетрахлорметан.

Условия равновесного состояния заряда в проводнике

Можно представить пару точечных зарядов, модули которых одинаковы, а знаки противоположны. Такие заряженные частицы +q и –q отдалены друг от друга на некоторое расстояние. Они создают электростатическое поле, в котором наблюдают системы с взаимно перпендикулярными силовыми линиями и эквипотенциальными поверхностями. В качестве одной из таких поверхностей представлена плоскость. Она пролегает сквозь середину отрезка, который соединяет заряженные частицы. Плоскость обладает нулевым потенциалом, так как, исходя из принципа суперпозиции, если точки удалены на равные расстояния r1 = r2 от заряженных частиц, то:

Далее необходимо совместить плоскость и тонкую проводящую пластину с последующим ее заземлением.

Можно наблюдать, что поле при этом сохранит стабильность, так как все точки пластины обладают одинаковым потенциалом, равным нулю. При исключении заряда –q, который наблюдается за проводящей пластиной, поле перед ней не изменится. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что при приближении тонкой проводящей заземленной пластины к точечному заряду электрическое поле, которое создают реальный заряд и его мнимое изображение противоположного знака в пластине, будет совпадать с полем в зеркале. Способ электростатических изображений не является универсальным методом, однако с его помощью можно упростить решение многих задач.

Процессы в электропроводниках

Во время протекания электричества проводник попадает под определённое воздействие. Самое главное — это повышение температуры. А также выделяют некоторые химические реакции, которые могут изменить физические свойства вещества. Более всего такому влиянию подвергаются проводники второго рода. В них протекает химическая реакция, которую называют электролизом.

Ионы веществ около электрических полюсов получают необходимый заряд и восстанавливают исходное состояние, которое было у них до образования щелочи, кислоты или соли. С помощью электролиза химики и физики могут получать чистые химические вещества из природного сырья. Таким образом создают алюминий и другие виды металлов.

Вещества первого и второго рода участвуют в других процессах, кроме проводимости электричества. К примеру, во время взаимодействия кислоты со свинцом возникает химическая реакция, которая вызывает выделение тока. По такому принципу работают все аккумуляторы. Проводники первой группы при контакте друг с другом могут изменяться. Медь и алюминий при эксплуатации нужно покрывать специальной оболочкой, иначе оба металла просто расплавятся. Влажный воздух приведёт к тому, что произойдёт электрохимическая реакция. Поэтому проводники покрывают слоем лака или другого защитного материала.

Некоторые проводники не могут оказывать электричеству сопротивление при холодном воздухе. Такое явление называют сверхпроводимостью, которая соответствует значению температуры, близкой к химическому состоянию жидкого гелия. Но исследования привели к тому, что есть новые проводники с высокими показателями температуры.

Такие вещества были открыты в 20 веке. Керамика из кислорода, бария, меди и лантана при обычных условиях не проводит ток, но после нагревания становится сверхпроводником. На практике выгодно использовать вещества, которые могут пропускать электричество при 58 градусах по Кельвину и выше — температуре, превышающей отметку кипения азота.

Жидкость и газы, проводящие ток, используют реже твёрдых веществ. Но и они необходимы для изготовления современных электрических приборов.

Источник тока

Вода в шланге берется из водопровода, ключа с водой в земле — в общем, не из ниоткуда. Электрический ток тоже имеет свой источник.

В качестве источника может выступить, например, гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. Эти реакции выделяют энергию, которая потом передается электрической цепи.

У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения. По сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «-».

Не проводниками диэлектриками электрического тока являются

Не в каждом теле есть условия для прохождения электрического тока. Дело в том, что атомы и молекулы различных веществ обладают неодинаковыми свойствами. В металлах, например, электроны легко покидают оболочки и беспорядочно, хаотично движутся между атомами. В металлах особенно много свободных электронов. По существу, металл состоит из положительных ионов, расположенных в определенном порядке, пространство между которыми заполнено свободными электронами. В металле невозможно различить, какой электрон к какому из атомов относится, они сливаются в единое электронное «облако». Огромное количество свободных электронов в металлах создает в них наиболее благоприятные условия для электрического тока. Нужно только хаотическое движение электронов упорядочить, заставить их двигаться в одном направлении.
В некоторых телах и веществах почти нет свободных электронов, так как они прочно удерживаются ядрами. У молекул и атомов таких тел трудно «отобрать» или «навязать» им лишние электроны. В таких телах нельзя создавать электрический ток. Тела и вещества, в которых можно создавать электрический ток, называют проводниками . Те же тела и вещества, в которых его создать нельзя, называют диэлектриками или непроводниками тока. К проводникам, кроме металлов, относятся также уголь, растворы солей, кислоты, щелочи, живые организмы и многие другие тела и вещества. Причем в растворах солей электрический ток создается не только электронами, но и положительными ионами. Диэлектриками являются воздух, стекло, парафин, слюда, лаки, фарфор, резина, пластмассы, различные смолы, маслянистые жидкости, сухое дерево, сухая ткань, бумага и другие вещества. Фарфоровыми, например, делают изоляторы для электропроводки, лаки используют для покрытия проводов, чтобы изолировать провода друг от друга и от других предметов.
Но есть еще большая группа веществ, называемых полупроводниками . К полупроводникам, в частности, относятся германий и кремний. По электропроводности они занимают среднее место между проводниками и непроводниками. Считавшиеся когда — то непригодными для практических целей, сейчас они стали основным материалом для производства современных полупроводниковых приборов, например транзисторов, с которыми будет связана большая часть вашего творчества.

ЭЛЕКРИЧЕСКИЙ ТОК

Как заставить двигаться упорядоченно, в одном направлении, обилие свободных электронов, скажем, в нити накала электрической лампочки? Нужно создать в проводнике электрическое поле, подключив, например, проводник к гальваническому элементу или батарее гальванических элементов. Устройство простейшего гальванического элемента, являющегося химическим источником тока, показано на рис. Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые помещены в электролит — раствор соли или кислоты, например серной.

В результате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрицательный электрический заряд, а на медном, наоборот, недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд. При этом между разноименными электрическими зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, действует электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) или напряжение. О разнице между ЭДС и напряжением я расскажу вам позже, во время экскурсии в электротехнику.
Вы уже знаете, что полюсы элемента или батареи обозначают знаками «плюс» и «минус». Их вы видели, например, возле жестяных выводных пластинок батареи, предназначенной для питания лампы накаливания карманного электрического фонаря. Между прочим, эта батарея также состоит из гальванических элементов, только не жидкостных, как элемент, показанный на рис., а сухих. Там их три. Несколько элементов, соединенных между собой в единый источник тока, и называют батареей.
Запомни: на схемах отрицательный полюс элемента или батареи принято обозначать короткой линией, положительный — удлиненной линией.

Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого электроны, как по мостику, перекинутому через овраг, будут двигаться туда, где их недостаток, от отрицательного полюса через проводник к положительному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное движение электронов в проводнике электрический ток. Ток течет через проводник потому, что в получившейся цепи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс элемента, электролит) действует электродвижущая сила. Такую простейшую электрическую цепь можно подразделить на два основных участка: внешний и внутренний. К внешнему участку цепи относится все, что подключается к полюсам источника тока, а к внутреннему — та часть цепи, которая заключена внутри самого источника тока.

Запомните: замкнутая электрическая цепь — обязательное условие для существования в ней тока. В разомкнутой цепи ток не течет.
Разноименные заряды можно сообщить двум изолированным телам, например шарикам, подвешенным на шелковых нитях. Шарики будут притягиваться, но тока между ними не будет, так как их разделяет диэлектрик воздух.
Установлено, что электроны в проводнике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т. е. в направлении, обратном движению электронов. Вы можете спросить: почему бы сейчас не нарушить эту традицию? Дело в том, что это потребовало бы переработки всех учебников, всей технической литературы, имеющей прямое или косвенное отношение к электротехнике и радиотехнике. Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что направление тока в проводниках протичоположно направлению движения электронов. В тех же случаях, когда ток создается положительными электрическими зарядами, например в электролитах химических источников постоянного тока, ток «дырок» в полупроводниках (об этом разговор пойдет в следующих уроках), таких противоречий вообще нет, потому что направление движения положительных зарядов совпадает с направлением тока.
Пока элемент или батарея действуют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным и обозначают латинской буквой (I).
На выше приведеном рисунке, через соединительные проводники и нить лампы накаливания, электроны движутся слева направо от минуса к плюсу. Но если полюсы элемента поменять местами, тогда электроны в том же внешнем участке цепи потекут справа налево, так как теперь минус окажется на правом конце участка цепи, а плюсна левом. Изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным.
А если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами, в другом, обратном предыдущему, потом вновь в прямом, опять в обратном и т.д. Во внешней цепи будет течь уже не постоянный, а как бы переменный ток.
Запомните: в проводах электроосветительной сети течет переменный ток, а не постоянный, как в цепи электрического карманного фонаря. Его вырабатывают машины, называемые генераторами переменного тока. Знаки электрических зарядов на полюсах генератора непрерывно меняются, но не скачком, как в нашем примере, а плавно. Заряд того полюса генератора, который в некоторый момент времени был положительным, начинает убывать и через долю секунды становится отрицательным; отрицательный заряд сначала возрастает, потом начинает убывать, пока снова не окажется положительным, и т.д. Одновременно меняется знак заряда и другого полюса. При этом напряжение и значение тока в электрической цепи также периодически изменяются.
Графически переменный ток изображают волнистой линией — синусоидой, показанной на рисунке. Здесь вертикальная ось со стрелкой, направленной вверх, соответствует одному направлению тока, а вниз — другому направлению тока, обратному первому.

О чем может рассказать такой график? Ток в цепи появляется в момент времени, обозначенный на графике точкой а. Он плавно увеличивается и течет в одном направлении, достигая наибольшего значения (точка б), и также плавно убывает до нуля (точка в). Исчезнув на мгновение, ток вновь появляется, плавно возрастает и протекает в цепи, но уже в противоположном направлении. Достигнув наибольшего значения (точка г), он снова уменьшается до нуля (точка д). И далее ток, также последовательно возрастая и уменьшаясь, все время меняет , свои направление и значение.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Одним полным, или законченным, колебанием тока принято считать упорядоченное движение электронов в проводнике, соответствующее участку графика от а до д или от в до ж. Время, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом , время половины колебания — полупериодом , а наибольшее значение тока во время каждого полупериода — амплитудой .

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи специального устройства — трансформатора — можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить — преобразовать в постоянный ток. Эти свойства переменного тока вы будете широко использовать в своей радиолюбительской практике.
Все то, о чем я рассказал вам сейчас, знает каждый старшеклассник и разумеется, каждый радиолюбитель. Вы пользуетесь благами электричества, иногда даже расточительно, не задумываясь над тем, что ученые всего — навсего каких — нибудь лет 100 назад только — только нащупали пути практического использования этого щедрого дара природы.

В этом уроке вы познакомились с такими важнейшими понятиями как: проводники , диэлектрики и полупроводники . Что такое постоянный и переменный электрический ток. Ну и последнее что необходимо четко запомнить и уяснить — основные характеристики переменного тока на представленном графике (синусоида), это период , полупериод , частота и амплитуда .

Практическая работа

Следующая ваша практическая работа, будет заключаться в сборке простейшего фонарика, который состоит из миниатюрной лампы накаливания L (Рабочее напряжение лампы накаливания должно быть в пределах от 1,5 — 2,5 В), гальванического элемента G (обычная пальчиковая батарейка напряжением 1,5 В), соединительных проводов и кнопки (кнопку можно применить любую, с одним нормально разомкнутым контактом, аналогом кнопки могут быть так же, два провода один из которых подсоединен к плюсовому контакту батарейки, другой к лампочке). При замыкании контактов выключателя, или проводов, лампочка должна светится.

Задача данной практической работы, проследить воздействие электрического тока на нить накала лампочки и выяснить что происходит в следствии этого воздействия.

Что такое ток

Ускорение, которое заряды получают под действием сил электрического поля, изменяет скорости беспорядочного теплового движения заряженных частиц так, что они перемещаются в направлении поля.

Электрический ток в металлах образуется направленным движением имеющихся в них свободных электронов. Для образования в проводнике электрического тока необходимо создать и поддерживать в цепи действие электрического поля, другими словами, надо создать в цепи разность потенциалов или приложить к ней напряжение.

Разность потенциалов в электрической цепи создается путем разделения зарядов и образования в определенных точках ее избытка или, наоборот, недостатка зарядов того или другого знака. Разделение зарядов происходит в устройстве, которое называется генератором напряжения.

Разделение зарядов производится с помощью внешних сил, действующих против кулоновских сил, связывающих разноименные заряды, имеющиеся в проводниках внутри самого генератора. Работа по разделению зарядов производится за счет внешних источников энергии, которые могут быть различной природы: физической, химической и даже биологической.

alt=»Образование в проводнике электрического тока» width=»200″ height=»89″ />На рис. 2, а схематически показана цепь, содержащая генератор напряжения Г. При работе генератора и при разомкнутой внешней цепи между полюсами или выводами генератора образуется электрическое поле и создается разность потенциалов. Если замкнуть полюса проводником R (рис. 2, б), то имеющиеся в цепи свободные электроны под действием поля будут двигаться, как показано стрелками.

Величину, равную разности потенциалов, создаваемой на полюсах генератора при разомкнутой внешней цепи, называют электродвижущей силой (э. д. с.) генератора. При замкнутой внешней цепи разность потенциалов, или напряжение U, на полюсах генератора равняется разности между электродвижущей силой Е и падением напряжения Ir на внутреннем сопротивлении r генератора (закон Ома для полной цепи):

U= Е — Ir.

Электродвижущая сила, разность потенциалов, или напряжение, в системе СИ, как указывалось, измеряется в вольтах. Для примера укажем, что э. д. с. аккумулятора составляет 1—2 в, сухой гальванической батареи — 60—80 в. Напряжение осветительной сети 127 или 220 е. В медицине прихо диться встречаться также с малыми напряжениями, измеряемыми в милли-вольтах (1 мл=10 -3 в) и микровольтах (1мкв =10 -6 в).

Классификация тока

Подразделяются на несколько типов к наиболее применимым считают:

1. Переменный ток — это ток который распространяется в проводнике с переменной частотой.
2. Постоянный ток — это ток который не меняется в направлении и частоте.
3. Периодический ток — это электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
4. Ток высокой частоты — это ток который распространяется с очень высокой частотой, порождая новые физические явления (излучение и скин-эффект), для расчетов таких токов используют спец аппаратуру так как практически все во круг металлическое становиться приемником электрического тока.
5. Наведенные токи в проводнике (вихревые) — это токи которые распространяются независимо от главного источника, пример в сети переменного тока 50 Гц, в результате работы индукционных приборов (печь).
6. Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля, примером служит выпрямленный диодом напряжение который продается к источнику потребления (импульсный блок питания).

Движение электронов в металлах

alt=»Движение электронов в металлах» width=»200″ height=»84″ />Движение зарядов под действием сил электрического поля начинается сразу по всей цепи (скорость распространения электрического поля вдоль всей цепи близка к скорости света). Однако скорость движения зарядов в самих проводниках невелика и зависит от их природы. В металлах движение электронов тормозится столкновениями их с положительными ионами, расположенными в узлах пространственной решетки, которые находятся только в тепловом колебательном движении около среднего положения (рис. 3).

При столкновениях электроны теряют скорость, приобретенную под действием сил поля. Средняя скорость поступательного движения их уменьшается, а кинетическая энергия передается ионами и усиливает их тепловое движение (проводник нагревается). Это явление характеризуется как сопротивление проводника электрическому току.

Средняя скорость перемещения электронов под действием поля прямо пропорциональна напряженности поля и при напряженности, равной 1 в/см, имеет порядок 0,05 см/сек. Для сравнения укажем, что в вакууме, где никаких столкновений не проис ходит, скорость электронов при на пряженности поля 1 в/см имеет порядок 10 5 —10 6 см/сек.

Направление тока (сила тока что это)

Поскольку исторически за направление тока в цепи было принято направление, в котором двигаются положительные заряды, например положительные ионы в растворе электролита, направление движения электронов в металлических проводниках является обратным тому направлению, которое условно принимается за направление тока (стрелка на рис. 2, б).

Сила тока -это физическая величина которая равна отношению количества заряда прошедшая за определенное время, через поперечное сечение проводника.

Сила тока I измеряется количеством электричества, протекающим через поперечное сечение проводника за 1 сек. При заданном сечении проводника и известной величине е единичного заряда сила тока прямо пропорциональна количеству N свободных (подвижных) носителей зарядов, содержащихся в единице объема проводника, или их концентрации и средней скорости υ_ср перемещения зарядов в направлении поля:

В металлических проводниках число свободных электронов в единице объема постоянно и почти не зависит от температуры (N = const). Следовательно, сила тока прямо пропорциональна средней скорости υ_cp перемещения электронов, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна напряженности поля или соответственно напряжению U, приложенному к концам данного участка проводника, и обратно пропорциональна величине R, характеризующей сопротивление движению зарядов (закона Ома для участка цепи):

I = U/R

Мощность

Мощность — это скорость, с которой происходит преобразование энергии.

Скорость, с которой какая-либо энергия преобразуется в электрическую в источнике питания, называется мощностью источника (генератора):

Р_И = (EIt) : t = EI

Скорость, с которой электрическая энергия преобра­зуется в другие виды энергии в приемнике, называется мощностью приемника или потребителя.

Единицей измерения силы тока в системе СИ

Единицей измерения силы тока в системе СИ, как указывалось, является ампер (а). Употребляются также меньшие единицы: миллиампер (1 ма = 10 -3 а) и микроампер (1 мка = 10 -6 а).

Сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника или площади S электродов, называется плотностью тока σ и измеряется в а/см 2 .

Частота тока

Относится к переменному току, периодически изменяющему силу или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период переменного тока — наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Типы проводников

Это материалы или вещества которые проводят электрический ток, примером служит любые металлы.

Металлы — здесь являются носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Полупроводники — вещества или химические элементы которые под воздействием внешних факторов ( нагрев, электрический ток и т.д.) становятся проводниками электрического тока, пример германий используется в диодах или транзисторах.

Электрический ток в природе

Электричество разлома кварца и горных пород — известно из давних времен при геологическом разломе в результате образуется значительное количество тока, которое сопровождается аномальными явлениями (свечение влажного воздуха, молний, иногда шаровых).

Атмосферное электричество — которое образуется в воздухе. Изучается с времен Франклина, в России изучал Ломоносов. В результате исследований были приняты законы при которым следует атмосферное электричество: