Контрольные вопросы

1. Каково строение атома алюминия, меди?

2. В каких единицах измеряются размеры атомов и их частиц?

3. Какой электрический заряд имеют электроны?

4. Почему в обычном состоянии вещества электрически нейтральны?

5. Что называется электрическим полем и как оно условно изображается?

6. От чего зависит сила взаимодействия между электрическими зарядами?

7. Почему одни материалы являются проводниками, а другие изоляторами?

8. Какие материалы относятся к проводника, а какие к изоляторам?

9. Как можно зарядить тело положительным электричеством?

10. Что называется относительной диэлектрической проницаемостью?

11. Укажите основные свойства электрического поля?

Г л а в а 2

Проводники в электрическом поле. Цепи постоянного тока. Токопроводящие материалы.

1. Электрический ток

Металлы – очень распространенный материал современной промышленности. Большая часть машин, станков, инструментов и транспортных средств изготовлена из металла. Металлы хорошо проводят тепло и электричество, они достаточно прочны, их можно деформировать без разрушения. Некоторые металлы ковкие (их можно ковать), некоторые тягучие (из них можно вытягивать проволоку). Эти уникальные свойства объясняются особым типом химической связи, соединяющей атомы металлов между собой – металлической связью. Металлы в твердом состоянии существуют в виде кристаллов из положительных ионов, как бы “плавающих” в море свободно, движущихся между ними электронов (рис.6).

Рис.6 Модель кристаллической решетки металла.

Показана траектория одного из свободно движущихся электронов Электроны в металлах делокализованы, то есть не принадлежат какому-либо конкретному атому. Как получается такое уникальное электронное “море”? Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних оболочек перекрываются, образуя молекулярные орбитали. Если подходит третий атом, его орбиталь перекрывается с орбиталями первых двух атомов, что дает еще одну молекулярную орбиталь. Когда атомов много, возникает огромное число трехмерных молекулярных орбиталей, простирающихся во всех направлениях. Вследствие многократного перекрывания орбиталей валентные электроны каждого атома испытывают влияние многих атомов. Металлическая связь объясняет свойства металлов, в частности, их прочность. Под действием деформирующей силы решетка металла может изменять свою форму, не давая трещин, в отличие, например, от ионных кристаллов. Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что если нагреть кусок металла с одной стороны, то кинетическая энергия электронов увеличится. Это увеличение энергии распространится в “ электронном море” по всему образцу с большой скоростью. Становится понятной и электрическая проводимость металлов. Если к концам металлического образца приложить разность потенциалов, то облако делокализованных электронов будет сдвигаться в направлении положительного потенциала: этот поток электронов, движущихся в одном направлении и представляет собой всем знакомый электрический ток.

Рис.7 Действие деформирующей силы на кристаллическую решетку металла

Электрический ток проводимости – это явление направленного движения свободных носителей заряда в веществе или вакууме. Носителями зарядов в металлах служат электроны, а в жидкостях, газах - ионы. В электротехнике применяются разнообразные вещества, обладающие различной плотностью носителей зарядов, т.е. различной электропроводностью.

Таблица 2.

Изоляция элементов электрических цепей изготавливается из материалов, электропрводность которых в 10¹⁸-10²⁰ степени раз меньше электропроводности металлов (слюда, поливинил, текстолит, полиэтилен и т.д.).

Скорость упорядоченного движения свободных электронов в металлах относительно мала ( порядка 1мм/c), в то время как скорость распространения электрической энергии весьма велика - в воздушных линиях электропередач она практически равна скорости света (с=300 000км/c). Поэтому при замыкании электрической цепи ток в ней устанавливается пракически мгновенно. В этом нет противоречия – электрическое поле, создаваемое источником энергии и воздействующее на заряды, распространяется вдоль линии электропередачи со скоростью света, а электрические заряды под действием этого поля перемещаются относительно медленно.

Для возникновения электрического тока должны быть созданы соответствующие условия, т.е. должна быть создана электрическая цепь.

Основными частями простейшей электрической цепи являются (рис. 8) источник электричесой энергии Е, приемник электроэнергии с сопротивлением R (нагрузка или приемник), провода, соединяющие их между собой , и выключатель К (коммутирующее устройство) для размыкания и замыкания электрической цепи, а также защитная и измерительная аппаратура.

Рис.8

На нижеследующем рисунке (рис.9) показаны обозначения различных источников электрической энергии.

Рис.9

В приемниках электрической энергии (нагрузке) всегда наблюдается преобразование электрической энергии в другие виды: в электродвигателях –в механическую энергию, в осветительных устройствах –в лучистую энергию, в электроплитках, чайниках –тепловую ит.д.

Электрический ток в цепи возникает потому, что источник создает и поддерживает в цепи электрическое поле.

Силой тока I называют количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

(при постоянном токе) или (при изменяющемся токе). (2-1)

Единица силы тока 1А (ампер) = 1к/c (кулон в секунду)

Электрон, наименьшая и неделимая частица электричества, которая обладает отрицательным зарядом е=1,6 10^-19кул.

Величину, численно равную отношению силы тока I к площади поперечного сечения проводника S, называют плотностью электрического тока

(2-2)

Единица плотности тока [J] =1А/мм².

Для меди = 2А/ мм². Если плотность тока превысит это значение, то из-за сильного разогрева медь из твердого состояния переходит в жидкоподобное (плавится) и проводник теряет свои свойства (сгорает предохранитель).