Тема 28. Робота і потужність струму. Закон джоуля – ленца

• Робота струму А на ділянці кола дорівнює

,

де— напруга на кінцях ділянки,— заряд, перенесений струмомза часt. Одиниця вимірювання роботи в СІ —. Позасистемною одиницею роботи є. Роботу струму можна визначити за допомогою амперметра, вольтметра і секундоміра або замінити ці прилади одним — лічильником.

• Потужність електричного струму Р дорівнює

Одиницею вимірювання потужності в СІ є. Потужність струму можна визначити за допомогою амперметра і вольтметра або можна використати один прилад — ватметр.

• Теплова дія струму полягає в тому, що при проходженні струму провідники нагріваються. За законом Джоуля - Ленца кількість теплоти, що виділяється у провіднику зі струмом, опір якого R, дорівнює

• Якщо коло замкнене, то потужність, яку споживає зовнішня частина кола, називають корисною:

^.

Потужність, яку розвиває джерело, називають повною й обчислюють за формулою

де— ЕРС джерела,— його внутрішній опір.

• ККД джерела струмудорівнює відношенню корисної потужності до повної потужності:

Тема 29. Струм у різних середовищах

Провідниками електричного струму можуть бути різні середовища: метали, розчини та розплави електролітів, напівпровідники, а за певних умов — гази. Вільні носії заряду, способи їх утворення та закономірності протікання струму відрізняються у різних провідних середовищах.

Метали

• Атоми металів легко втрачають електрони і перетворюються у позитивні йони. Позитивні і коливаються у вузлах кристалічної решітки. Вільні електрони хаотично рухаються у просторі між вузлами решітки.

• Електричний струм у металах— це напрямлений рух вільних електронів. При відсутності електричного поля рух електронів є хаотичним, при наявності поля вільні електрони, не припиняючи хаотичного теплового руху; починають рухатися впорядковано. Експериментально електронну провідність металів підтвердили Cтюарт і Толмен 1916 р.

• Залежність опору металів від температури. Із збільшенням температури опір (питомий опір) металівзростає за лінійним законом:

де— опір та питомий опір провідника при,— температурний коефіцієнт опору, що залежить від роду речовини і міститься в таблицях. Одиницею вимірювання температурного коефіцієнта опору в СІ є

• Надпровідність (відкрита у 1911р. Камерлінг-Оннесом)— це явище стрибкоподібного зменшення електричного опору металів до нуля при температурах, близьких до абсолютного нуля.

Розчини і розплави електролітів

• Електроліти — це тверді тіла або рідини, що мають йонну провідність.

• Електролітична дисоціація — це явище розпаду під дією розчинника нейтральної молекули на позитивні й негативні йони. Зворотний процес називається рекомбінацією.

• Електричний струм у електролітах — це напрямлений рух позитивних і негативних йонів. При наявності електричного поля негативно заряджені йони (аніони) впорядковано рухаються до позитивно зарядженого електрода — анода, позитивно заряджені йони (катіони) рухаються до катода — негативно зарядженого електрода.

• Електроліз — це процес виділення речовини на електродах при проходженні струму через електроліт. Електроліз триває до повного розчинення анода.

І закон Фарадея. Маса виділеної на електроді речовини прямо пропорційна силі струму та часу його проходження через розчин:

де— струм (заряд), що проходить через розчин за час — електрохімічний еквівалент речовини, що залежить від роду речовини і вимірюється в СІ у

ІІ закон Фарадея. Електрохімічний еквівалент речовини прямо пропорційний її молярній масі М і обернено пропорційний її валентності п:

де— стала Фарадея.

Електроліз використовують для добування та очищення металів (рафінування), покриття виробу тонші шаром металу (гальваностегія), отримання точних копій рельєфних виробів (гальванопластика).

Гази

• За звичайних умов гази є діелектриками. Під впливом йонізатора в газах утворюються вільні носії заряду — вільні електрони та позитивні і негативні йони. Цей процес називають йонізацією газу.

• Електричний струм у газах (газовий розряд)— це напрямлений рух вільних електронів, позитивних і негативних йонів.

• Газовий розряд, що відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора, називають несамостійним.

• Розряд у газі, що відбувається без дії зовнішнього йонізатора, називають самостійніш. При цьому внаслідок ударної йонізації утворюється лавина вільних носіїв заряду. За великих напруг внаслідок роботи електричного поля кінетична енергія електрона зростає настільки, що при зіткненнях з нейтральним атомом газу від нього відщеплюються зовнішні електрони. Отже, ., дее — елементарний заряд, ΔW_K - зміна кінетичної енергії електрона між двома послідовними зіткненнями, W_i — енергія іонізації атома газу, φ_i -потенціал іонізації атома газу.

• Графік залежності сили струму від напруги між електродами показано на рисунку (— струм насичення). ДілянкаОАВ графіка відповідає ■ несамостійному розряду; ділянка ВС— самостійному.

• Види самостійних розрядів: іскровий, коронний, тліючий, дуговий.

• Плазма — частково або повністю йонізований газ, у якому густина позитивних і негативних зарядів однакова. Плазма в цілому є електрично нейтральною системою.

Вакуум

• Для створення струму у вакуумі з поверхні катода виривають електрони. Це явище називають емісією, і електрони — емітованими.

• Енергію, яку має витратити електрон, щоб вирватись з поверхні металу, називають роботою виходу А_вт Вона залежить від роду речовини і міститься у таблицях (табличні дані подані в електрон-вольтах (1 еВ = 1,6 • 10 ^І9Дж). Умова виривання електрона з поверхні металу:, де— кінетична енергія електрона.

• Термоелектронна емісія — процес випускання електронів нагрітими тілами.

• Електричний струму вакуумі - це напрямлений рух емітованих електронів.

• Електронний пучок— це потік електронів, що швидко рухаються. Електронні пучки: а) зумовлюють нагрівання поверхонь, на які потрапляють; б) відхиляються в електричних і магнітних полях; в) зумовлюють світіння деяких речовин (люмінофорів); г) при гальмуванні в речовині породжують рентгенівські промені.

• Вакуумний діод складається зі скляного балона та двох електродів — катода й анода. Електрони, вирвані з поверхні розжареного катода, впорядковано рухатимуться до анода, якщо його потенціал позитивний, а потенціал катода негативний. У протилежному випадку емісовані електрони відкидатимуться назад на катод і струму в колі не буде. Отже, вакуумний діод має однобічну провідність.

• Графік залежності сили струму від напруги для вакуумного діода показано на рисунку.

• Електронно-променева трубка— пристрій, що перетворює електричні сигнали на світлові. Будову трубки показано на рисунку.

Електрони, що вириваються з катода, розганяються до великих швидкостей в електричному полі між катодом і анодом, фокусуються у вузький пучок і потрапляють в електричне поле керуючих пластин. Подаючи на ці пластини різну напругу, можна керувати електронним пучком, відхиляючи його одночасно по горизонталі та вертикалі і направляючи пучок у різні точки покритого люмінофором екрану. Електронний пучок зумовлює світіння люмінофору у даній ділянці екрану.

Напівпровідники

• Напівпровідники — не речовини, електричний опір яких зменшується при підвищенні температури, зростанні освітленості і при введенні домішок.

• Власна провідність напівпровідників. У чистих напівпровідниках частина валентних електронів може покинути зв'язки і стати вільними. На місці, яке покинув електрон, утворюється позитивно заряджена область, яку називають діркою. У напівпровідиках без домішок концентрація вільних електронів і дірок однакова.

• Домішкова провідність, а) При введенні в напівпровідник домішки з більшою валентністю (донорної домішки) кількість вільних електронів буде значно більшою, ніж дірок. Електрони є основними носіями заряду Напівпровідник з переважно електронною провідністю називають напівпровідником n-типу, б) При введенні у напівпровідник домішки з меншою валентністю (акцепторної домішки) кількість вільних електронів буде значне меншою, ніж дірок. Напівпровідник з переважно дірковою провідністю називають напівпровідником p-типу. У ньому дірки є основними носіями заряду.

• Електричний струм у напівпровідниках — це напрямлений рух вільних електронів і дірок.

• При зростанні температури та освітленості напівпровідника зростає кількість вільних електронів і дірок, провідність напівпровідника зростає, а опір зменшується.

• Електронно-дірковий перехід — це контакт двох напівпровідників з різним типом провідності.

Якщо електричне поле відсутнє, то внаслідок дифузії електронів у p-область, а дірок у n-область на межі двох напівпровідників утворюється запірний шар, електричне поле якого протидіє подальшому переходу вільних носіїв заряду через межу поділу.

Якщо кристал зр-п переходом під'єднати до джерела струму так, щоб р-область була приєднана до позитивного полюса джерела, а n-область — до негативного, то товщина запірного шару зменшується, його опір теж. У цьому випадку через межу переходитимуть основні носії заряду, концентрація яких в обох областях є великою. Тому сила струму через межу буде великою і зростатиме при збільшенні напруги (ділянка ОА графіка). Такий спосіб вмикання називають прямим.

При зворотному вмиканні кристала з р-п переходом товщина запірного шару і його опір зростає. Через межу можуть переходити неосновні носії заряду, яких в обох областях дуже мало. Тому сила струму через межу практично рівна нулю (ділянка ОВ графіка).

Отже,р-п перехід має однобічну провідність.

Графік залежності сили струму від напруги для р-п переходу показано на рисунку.

•Напівпровідниковий діод — прилад, що має однобічну провідність. Це кристал з переходом, поміщений у

герметичний металевий корпус. На рисунку зображене умовне позначення напівпровідникового діода на електричних схемах.

Діод використовують для перетворення змінного струму в пульсуючий.