Ivalt.ru

И-Вольт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Какие токи протекают через диэлектрики

Электропроводность диэлектриков

Электропроводность материала – это способность пропускать через себя электрический ток за счет свободных или почти свободных заряженных частиц. Электропроводность определяется электрическим сопротивлением (ρ) и является его обратной величиной. В твердых диэлектриках ток может проходить как по их объему, так и по поверхности, поэтому различают удельную объемную проводимость γV и удельную поверхностную проводимость γS, а следовательно, объемное удельное сопротивление ρV и поверхностное удельное сопротивление ρS, причем их соотношения следующие:

; . (5.9)

За удельное объемное сопротивление материала принимается сопротивление (RV) куба этого материала со стороной, равной метру, когда к противоположным граням его приложено напряжение (рис. 5. 9)

Ом·м, (5.10)

где S – площадь электрода, к которому приложено напряжение;

l – расстояние между электродами.

За удельное поверхностное сопротивление диэлектрика принимается сопротивление (RS) квадрата его поверхности с любой стороной, когда к противоположным сторонам его приложено напряжение
(рис. 5.10)

Ом, (5.11)

где b – длина одного электрода, соприкасающегося с поверхностью;

l – расстояние между электродами.

Полное сопротивление диэлектрика складывается из его объемного и поверхностного сопротивлений, соединенных параллельно

Ом. (5.12)

Рассмотрим электропроводность как количество заряженных частиц, способных к перемещению. Для любого материала, к которому приложено электрическое напряжение, удельная электропроводность зависит от наличия заряженных частиц (электронов, ионов), их количества, способности к перемещению, т. е. подвижности.

Обозначим заряд частицы через q, Кл; количество заряженных частиц, приходящихся на 1 м , через N, 1/м 3 ; подвижность частиц – u через их скорость v, м/с, поле, напряженностью 1 В/м, т. е. , тогда по­лучим формулу для электропроводности:

(5.13)

Подставим единицы измерения для каждого члена формулы:

(5.14)

Для диэлектриков удельное сопротивление очень велико
(ρ ≈ 10 3 ..10 16 Ом·м), и электропроводность, а следовательно, и токи утечки малы. Поэтому диэлектрики служат для изоляции, для накопления за­ряда (конденсаторы) и других подобных целей.

Различают несколько видов электропроводности в зависимости от вида заряженных частиц, осуществляющих её:

а) электронная – носители электроны;

б) ионная (или электролитическая) – носители ионы;

в) молионная (или электрофоретическая) – носители группы молекул;

г) смешанная – носители разные (электроны, ионы, молионы).

Рассмотрим энергетическую диаграмму диэлектриков, чтобы проследить, какие внешние воздействия влияют на электропроводность
(рис. 5.11).

Внизу находится валентная зона (ВЗ), заполненная валентными электронами, выше раcположена зона запрещенных энергий, где нет энергетических уровней (ЗЗ), её величина – Wg (в эВ); вверху находится зона проводимости (ЗП). Если в эту зону попадает электрон, он становится свободным и может участвовать в переносе заряда.

Ширина запрещенной зоны у диэлектриков велика, т. е. Wg 3 эВ, поэто­му диэлектрики имеют большое сопротивление. Если же диэлектрик имеет в своем составе легкопроводящие примеси (ионы), то сопротивление за их счет снижается, возрастают токи утечки. Когда диэлектрик нагревается, возможность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости возрастает, увеличивается диссоциация ионов, несколько растет и подвижность заряженных частиц. Поэтому электропроводность, увеличивается, это увеличение идет по закону экспоненты (рис. 5.12).

Формула для электропроводности при температуре Т:

(5.15)

где А – постоянная для данного диэлектрика, Ом -1 ;

е – основание натурального логарифма: ,

k – постоянная Больцмана, 1,38·10 -23 Вт/град;

Т – абсолютная температура, К;

Wt – термическая энергия активации, эВ.

Рис. 5.12 Рис. 5.13

Поверхностная электропроводность γS сильно зависит от влажности и способности диэлектрика смачиваться или не смачиваться влагой. Гидрофобные диэлектрики (несмачиваюшиеся) слабо изменяют γS от влажности среды, а гидрофильные (смачиваемые) довольно сильно. На рис. 5.13 приведены зависимости γS от процентного содержания влаги в окружающей среде для фторопласта – 4 (1) – гидрофобного, и плавленного кварца (2) – гидрофильного.

В слабом электрическом поле для диэлектриков соблюдается закон Ома, т. е. их электропроводность постоянна (γ). Но в сильных полях ( > 10 6 В/м) перестает действовать закон Ома и действует (рис. 5.14) закон Пуля (зависимость построена в полулогарифмическом натуральном масштабе)

, (5.16)

где γ – электропроводность в слабом поле;

α – коэффициент материала (обычно 1 16 Ом·м при нормальных условиях.

Сопротивление жидкостей зависит от присутствия в них примесей, воды. Чистое трансформаторное масло имеет – p = 10 12 …10 13 Ом·м; вода (дистиллированная) – р = 10 4 . 10 5 Ом·м (вода сильно полярный диэлектрик). Твердые нейтральные диэлектрики, например полистирол имеют р = 10 14 . 10 16 Ом·м; полярные – оргстекло, винипласт р = 10 12 . 10 13 Ом·м.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электропроводность материала?

2. Какие необходимы условия, чтобы в диэлектрике возник ток?

3. Приведите основные формулы для удельного объёмного и поверх­ностного сопротивлений.

4. От каких факторов зависит электропроводность диэлектриков?

5. Какие виды носителей заряда и какие виды электропроводности диэлектриков Вы знаете?

6. Каким образом зависит электропроводность от температуры диэлектрика?

7. Как ведет себя электропроводность в слабых и сильных электрических полях?

8. Как ведет себя поверхностная электропроводность гидрофобных и гидрофильных диэлектриков от процентного содержания в них влаги?

5.3. Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называется активная мощность Ра, рассеиваемая в диэлектрике при приложении к нему электрического напряжения и вызывающая его нагрев,

постоянном электрическом поле; (5.17)

переменном электрическом поле, (5.18)

где Ра – активная мощность – диэлектрические потери, Вт;

U – приложенное напряжение, В;

I – протекающий ток, А;

φ – угол сдвига фаз между током и напряжением.

Что такое ток утечки диэлектрика?

Ток проводимости, проходящий через конденсаторпри постоянном напряжении на его обкладках в установившемся режиме

Какие составляющие имеет ток утечки диэлектрика?

сквозной ток,ток смещения,ток абсорбций

Чем обусловлен ток абсорбции диэлектрика?

он обусловлен поляризацией диэлектрика

Чем обусловлен сквозной ток диэлектрика?

обусловлен наличием свободных зарядов

В каком поле (переменном или постоянном) протекает ток абсорбции диэлектрика?

в переменном поле

В каком поле (переменном или постоянном) протекает сквозной ток диэлектрика?

в постоянном поле

Как называют сопротивление диэлектрика сквозному току?

Какие слагаемые имеет сквозной ток диэлектрика?

(поверхностный ток утечки) и (объемный ток утечки)

34. По какой формуле рассчитывается удельное объемное сопротивление диэлектрика?

35. Какую размерность имеет удельное объемное сопротивление диэлектрика?

36. По какой формуле рассчитывается удельное поверхностное сопротивление диэлектрика?

37. Какую размерность имеет удельное поверхностное сопротивление диэлектрика?

38. Как влияет адсорбция влаги на поверхности диэлектрика на его поверхностное сопротивление?

39. Какими частицами обусловлена электропроводность жидких диэлектриков?

Какие диэлектрики обладают наиболее высоким удельным объемным сопротивлением: твердые, аморфные, жидкие или газообразные?

Что такое диэлектрические потери?

мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрического поля
и вызывающая нагрев диэлектрика.

Что такое угол диэлектрических потерь?

– это угол, дополняющий до 90º угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи

Как строится векторная диаграмма для параллельной схемы замещения диэлектрика и где на ней угол диэлектрических потерь?

Читать еще:  Блок розеток для 19 шкафов вертикальный

Как строится векторная диаграмма для последовательной схемы замещения диэлектрика и где на ней угол диэлектрических потерь?

Какова зависимость между мощностью диэлектрических потерь и углом диэлектрических потерь для параллельной схемы замещения диэлектрика?

чем ниже значение , тем меньше потери электроэнергии
в диэлектрике

Какова зависимость между мощностью диэлектрических потерь и приложенным напряжением для параллельной схемы замещения диэлектрика?

Какова зависимость между мощностью диэлектрических потерь и частотой приложенного напряжения для параллельной схемы замещения диэлектрика?

Что является одной из причин возникновения диэлектрических потерь: поляризация диэлектрика, регенерация диэлектрика, адгезия диэлектрика или полимеризация диэлектрика?

Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 735 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Что такое электрический ток

Когда мы произносим словосочетание «электрический ток», то обычно имеем ввиду самые разные проявления электричества. Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток.

Электролиз, электросварка, искры статического электричества на расческе, по спирали лампы накаливания течет ток, и даже в крохотном карманном фонарике через светодиод течет крохотный ток. Что и говорить о нашем сердце, которое также генерирует небольшой электрический ток, особенно это заметно во время прохождения процедуры ЭКГ.

В физике электрическим током принято называть упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе любых носителей электрического заряда. Движущийся вокруг атомного ядра электрон — это тоже ток. И заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону — также станет источником тока: не равный нулю заряд есть и он движется.

Все, что окружает человека, и он сам — это материальный мир, или материя, которая существует в различных формах. Одна из форм материи, из которой состоят все тела в природе (вода, различные металлы и т. д.), называется веществом.

Вещества, которые невозможно химическим путем разложить на отдельные химические элементы, называются простыми. Вещество, состоящее из нескольких элементов, называется сложным.

Все вещества состоят из мельчайших частиц-молекул, которые в свою очередь образуются из еще более меньших частиц, называемых атомами. В то же время в состав атомов входят другие, еще меньшие частицы, обладающие различными свойствами: ядро и электроны.

При бездействии сил электрического поля электроны в веществах находятся в беспорядочном движении. Происходит это потому, что во многих веществах, главным образом в металлах, электроны недостаточно сильно удерживаются ядром и могут свободно передвигаться от одного атома к другому.

Когда силы электрического поля начинают действовать, движение электронов принимает упорядоченное (направленное) состояние, возникает электрический ток. Отсюда электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение электронов.

При упорядоченном движении электроны движутся от того места, где имеется их избыток, туда, где ощущается их недостаток, от минуса к плюсу. Однако исторически в электротехнике условно принято считать, что ток идет от плюса к минусу.

Скорость распределения тока близка к скорости света — 300000 км в секунду. Это не значит, что такой скоростью обладает каждый электрон в отдельности.

Скорость электрона в проводнике составляет лишь доли сантиметра или миллиметра в секунду. Но в результате действия электрического поля ток, возникающий в одном конце провода, мгновенно вызывает прохождение тока по всему проводнику.

Аналогичное явление происходит, например, в трубе, заполненной водой, на одном конце которой находится насос. В момент подачи насосом воды в трубу давление, возникающее в воде, мгновенно передается вдоль трубы от одних частиц к другим. Вода приходит в движение — течет.

Однако частицы воды, добавляемые насосом, дойдут до противоположного конца трубы гораздо позже момента начала вытекания ее из трубы. Численно ток измеряется количеством электрических зарядов, которые проходят через поперечное сечение провода в одну секунду.

Физические аналогии между течением воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод

Ток течет по проводам бытовых электроприборов питающихся от розетки — электроны перемещаются туда-сюда 50 раз за секунду — это называется переменным током.

Высокочастотные сигналы внутри электронных приборов — это тоже электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри схемы.

Любой электрический ток порождает своим существованием магнитное поле. Вокруг проводника с током оно обязательно присутствует. Не существует магнитного поля без тока и тока без магнитного поля.

Даже если магнитного поля вокруг тока не наблюдается, это лишь значит что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно скомпенсированы, как в двужильном проводе любого электрического чайника — переменные токи в каждый момент направлены в противоположные стороны и текут параллельно друг другу — их магнитные поля друг друга нейтрализуют. Это называется принципом наложения (суперпозиции) магнитных полей.

Практически для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциального или вихревого. Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим образом (как например в генераторе Ван Де Граафа — наэлектризованной резиновой лентой).

Генератор Ван Де Граафа:

Если электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц, то нужно найти ответ на вопрос, что приводит эти частицы в движение.

Причиной возникновения и поддержания электрического тока является электрическое поле. Величина этого поля определяется той работой, которую совершает сила электрического поля, перемещая 1 кулон электричества от одного конца проводника до другого.

Если рассмотреть некоторую замкнутую систему, в которой циркулирует вода, то в этой системе должен быть насос, который сообщает частицам воды энергию и заставляет их двигаться по трубопроводам. Частицы воды в процессе их циркуляции отдают полученную ими энергию (затрачивая ее, например, на преодоление сил трения). Когда же частицы воды вновь возвращаются к насосу, то в отличие от своего исходного состояния они обладают меньшей энергией.

Если уподобить электроны частицам воды, то аналогично можно представить себе процессы, протекающие в электрической цепи. В этом случае водяному насосу будет соответствовать некий «насос для электронов», или источник электрической энергии, а трубопроводам будут соответствовать провода. Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что в электрической цепи электроны не производятся, а просто в каждом проводнике имеются свободные высокоподвижные электроны.

Если на некотором участке цепи носители зарядов получают энергию, то принято говорить, что этот участок цепи — источник, развивающий электродвижущую силу (ЭДС).

Итак, в электрическом поле заряженная частица испытывает действие электрической силы, которая у источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах как и напряжение между двумя точками электрической цепи.

Электродвижущая сила является причиной, приводящей в движение электрические заряды, и определяется энергией, которая затрачивается на перемещение единичного электрического заряда.

В то же время источник энергии, перемещая заряд по замкнутой цепи, обладающей сопротивлением, совершает работу как на внутреннем участке цепи, так и на внешнем. Следовательно, на этих участках будут возникать напряжения, которые называются падением напряжения на определенном участке.

Читать еще:  Удлинитель с защитой от перегрузок 6 розеток 5м

Поэтому понятие «электродвижущая сила» включает в себя также сумму падений напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи источника электроэнергии.

Напряжение и ток — два электрические явления, взаимосвязанные друг с другом. Ток будет протекать по проводнику лишь при наличии разности потенциалов между концами проводника. Чем больше напряжение приложенное к потребителю — тем больший электрический ток это напряжение способно вызвать.

Переменное напряжение порождает в проводнике, к которому оно приложено, переменный ток, поскольку электрическое поле, приложенное к носителям заряда, будет в этом случае также переменным. Постоянное напряжение — условие существования в проводнике тока постоянного.

Высокочастотное напряжение (изменяющее свое направление сотни тысяч раз за секунду) также способствует переменному току в проводниках, но чем выше частота — тем меньше носителей заряда участвуют в создании тока в толще проводника, поскольку электрическое поле действующее на заряженные частицы вытесняется ближе к поверхности, и получается что ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это называется скин-эффект.

Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда в диэлектриках постоянного тока быть не может, поскольку в них заряды не имеют возможности к свободному перемещению, а способны лишь смещаться в пределах внутримолекулярного расстояния от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.

Настоящий электрический ток всегда предполагает возможность свободного перемещения электрических зарядов под действием электрического поля. Смотрите — условия существования электрического тока.

В металлических проводниках электрический ток представляет собой движение «свободных» электронов, причем электроны движутся в направлении, противоположном условному направлению тока (т. к. за направление тока условно принято направления движения зарядов).

Электрический ток в газах представляет собой движение положительных ионов в одном направлении, а электронов (и отрицательных ионов) в другом направлении. Наконец, электрический ток в электролитах представляет собой движение существующих в жидкости положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях.

Сила электрического тока — количество электричества, прошедшее через все поперечное сечение тока за 1 сек., зависит, с одной стороны, от количества движущихся зарядов, а с другой — от средней скорости их регулярного движения.

В металлических проводниках количество движущихся зарядов (свободных электронов) чрезвычайно велико (порядка 10 23 в 1 см 3 ), но зато средняя скорость регулярного движения очень мала (при самых сильных токах, которые может выдержать проводник, эта средняя скорость имеет величину порядка сантиметра в секунду). Обычно несколько меньше количество движущихся зарядов в жидкостях и соответственно их средние скорости несколько больше.

В газах же вследствие их гораздо меньшей плотности и вследствие того, что только небольшая доля всех молекул газа оказывается ионизированной, количество движущихся зарядов гораздо меньше, но зато средние скорости движения электронов и ионов гораздо больше, чем в металлических проводниках, и достигают сотен и даже тысяч километров в секунду.

Понятие «электрический ток» ввел итальянский физик Алессандро Вольта. Электрический ток, или по его версии «электрический флюид» протекал в замкнутой цепи, соединяющей металлическим проводником крайние кружки вольтова столба.

«Вотльтов столб» (1800 г.) был первый источник электричества неэлектростатического типа (источник постоянного электрического тока), который состоял из чередующихся между собой медных и цинковых кружков, разделенных суконными прокладками, смоченными подкисленной водой или кислотой.

Существование неизменного высокого потенциала на вольтовом столбе было явлением для того времени совершенно новым. Это был первый химический источник электричества, потенциал которого был постоянен во времени и не требовал каких-либо приемов электризации для его возобновления.

Вольтов столб, составленный из большого количества кружков, имел на концах достаточно высокий потенциал, который можно было обнаружить не только измерительными приборами (в частности электроскопом), но и прикоснувшись к крайним кружкам руками. При этом ощущался сильный электрический удар, как от лейденской банки.

Открытие Вольты очень быстро распространилось в физике, стало предметом дальнейших исследований. В 1800 г. ученые-физики с помощью вольтова столба обнаружили электрохимическое действие тока, и в частности разложение под действием тока воды на кислород и водород. Опыты с гальваническими элементами позволили обнаружить, кроме химических, и другие новые свойства тока, в том числе его тепловое и магнитное действие.

Французский физик А. М. Ампер посвятил ряд своих работ изучению связи электрического тока и магнетизма. Он обнаружил, что два проводника с током испытывают взаимное воздействие — притяжение или отталкивание в зависимости от направления в них токов. Своими работами он заложил основы электродинамики.

Он предложил термин «электрический ток» и ввел понятие о его направлении, совпадающем с движением положительного электричества. В честь А. М. Ампера названа единица измерения электрического тока. Ампер является одной из семи основных единиц системы СИ.

Электрический ток обладает рядом свойств, которые могут быть эффективно использованы во многих практических случаях. К таким свойствам относятся трансформация простыми техническими средствами энергии электрического тока в энергию других видов (тепловую, световую, механическую, химическую) и возможность передачи ее на большие расстояния, быстрота распространения.

Какие токи протекают через диэлектрики

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны различных типов атомов обладают разными степенями свободы перемещения. В некоторых материалах, таких как металлы, внешние электроны атомов настолько слабо связаны с ядром, что легко могут покидать свои орбиты и хаотично двигаться в пространстве между соседними атомами даже при ком натной температуре. Такие электроны часто называют свободными электронами.

В других типах материалов, таких как стекло, у электронов в атомах существует очень небольшая свобода перемещени я. Однако внешние силы, например физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть собственные атомы и перейти к атомам другого материала, но они не могут свободно перемещаться между атомами материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электропроводность . Электропроводность определяется типами атомов материала (количество протонов в ядре атома, определяющее его химическую идентичность) и способом соединения атомов друг с друг ом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками.

Ниже приведено несколько примеров наиболее распространенных проводников и диэлектриков:

Проводники:

  • серебро
  • медь
  • золото
  • алюминий
  • железо
  • сталь
  • латунь
  • бронза
  • ртуть
  • графит
  • грязная вода
  • бетон

Диэлектрики:

  • стекло
  • резина
  • нефть
  • асфальт
  • стекловолокно
  • фарфор
  • керамика
  • кварц
  • (сухой) хлопок
  • (сухая) бумага
  • (сухая) древесина
  • пластмасса
  • воздух
  • алмаз
  • чистая вода

Следует понимать, что не у всех проводящих материалов одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково сопротивляются движению электронов . Электрическая проводимость аналогична прозрачности некоторых материалов: материалы, которые легко «пропускают» свет, называют «прозрачными», а те, которые его не пропускают, называют «непрозрачными «. Однако, не все прозрачные материалы одинаково пропускают св ет. Оконное стекло — лучше чем органическое стекло, и конечно лучше чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, некоторые из них лучше пропускают электроны, а некоторые — хуже.

Читать еще:  Проект социальная розетка свернут

Например, серебро является лучшим проводником в представленном выше списке «проводников», обеспечивая более легкий проход электронов чем любой другой материал из этого списка. Грязная вода и бетон также значатся как проводники, но эти материалы являются существенно менее проводящими чем любой металл.

Некоторые материалы изменяют свои электрические свойства при различных температурных условиях. Например, стекло является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником, если его нагреть до очень высокой температуре. Газы, такие как воздух, в обычном состоянии — диэлектрики, но они также становятся проводниками при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов, наоборот, становятся менее проводимыми при нагревании, и увеличивают свою проводимость при охлаждении. Многие проводники становятся идеально проводящими (сверхпроводимость) при экстремально низких температурах.

В обычном состоянии движение «свободных» электронов в проводнике хаотично, без определенного направления и скорости. Однако, путем внешнего воздействия можно заставить эти электроны двигаться скоординировано через проводящий материал. Такое направленное движение электронов мы называем электричеством, или электрическим током. Чтобы быть более точным, его можно назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, в котором накопленный электрический заряд неподвижен. Электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника точно так же, как вода течет через пустоту трубы. Приведенная аналогия с водой в нашем случае уместна, потому что движение электронов через проводник часто упоминается как «поток».

Поскольку электроны двигаются через проводник равномерно, то каждый из них толкает находящиеся впереди электроны. В результате все электроны движутся одновременно. Начало движения и остановка электронного потока на всем протяжении проводника фактически мгновенны, даже несмотря на то, что движение каждого электрона может быть очень медленным. Приблизительную аналогию мы можем увидеть на примере трубки, заполненной мраморными шариками:

Трубка заполнена мраморными шариками точно также, как проводник заполнен свободными электронами, готовыми к перемещению под воздействием внешних факторов. Если вставить еще один мраморный шарик в эту заполненную трубку слева, то последний шарик сразу выйдет из нее справа . Несмотря на то, что каждый шарик прошел короткое расстояние, передача движения через трубку в целом произошла мгновенно от левого конца до правого, независимо от длины труб ки. В случае с электричеством, передача движения электронов от одного конца проводника к другому происходит со скоростью света: около 220 000 км. в секунду!! ! Каждый отдельный электрон проходит через проводник в гораздо более медленном темпе.

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении к определенному месту, мы должны проложить для них соответствующий путь из проводов, точно так же, как водопроводчик должен проложить трубопровод, чтобы подвести воду к нужному месту. Для облегчения этой задачи, провода изготавливаются из хорошо проводящих металлов, таких как медь или алюминий.

Электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала . Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающего передвижение электронов. По аналогии с мраморными шариками мы можем видеть, что шарики будут «течь» через трубку только в том случае, если она будет открыта с правой стороны. Если трубку заблокировать, то мрамор будет «накапливаться» в ней, а со ответственно не будет и «потока». То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует непрерывного пути для обе спечения этого потока. Давайте посмотрим на схему, чтобы понять, как это работает:

Тонкая, сплошная линия (показанная выше) является схематическим обозначением непрерывной части провода. Так как провод сделан из проводящего материала, такого как медь, у составляющих его атомов существует много свободных электронов, которые могут свободно перемещаться по нему. Однако, в пределах такого провода никогда не будет направленного и непрерывного потока электронов, если у него не будет места, откуда приходят электроны и места, куда они идут. Давайте в нашу схему добавим гипотетические «Источник» и «Получатель» электронов:

Теперь, когда Источник поставляет новые электроны в провод, через этот провод пойдет поток электронов (как показано стрелками, слева-направо ). Однако, поток будет прерван, если проводящий путь, образованный проводом, повредить:

В связи с тем, что воздух является диэлектриком, образовавшийся воздушный разрыв разделит провод на две части . Некогда непрерывный путь нарушается, и электроны не могут течь от Источника к Получателю . Аналогичная ситуация получится, если водопроводную трубу разрезать на две части, а концы в месте разреза закупорить: вода в этом случае течь не сможе т. Когда провод был одним целым, у нас была электрическая цепь, и эта цепь была нарушена в момент повреждения.

Если мы возьмем еще один провод и соединим им две части поврежденного провода, то снова будем иметь непрерывный путь для потока электроно в. Две точки на схеме показывают физический (металл-металл) контакт между проводами:

Теперь у нас снова есть цепь, состоящая из Источника, нового провода (соединяющего поврежденный) и Получателя электронов . Если рассматривать аналогию с водопроводом, то установив тройник на одной из закупоренных туб, мы можем направить воду через новый сегмент трубы к месту назначени я. Обратите внимание, что в правой части поврежденного провода нет потока электронов, потому что он больше не является частью пути от Источника до получателя электронов.

Следует отметить что проводам, в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге разъедаются ржавчиной, никакой «износ» от воздействия потока электронов не грозит. При движении электронов, в проводнике возникает определенная сила трения, которая может вырабатывать тепло. Подробнее эту тему мы рассмотрим несколько позже.

Краткий обзор:

  • В проводниках, электроны находящиеся на внешних орбитах атомов могут легко покинуть эти атомы, или наоборот присоединится к ним. Такие электроны называются свободными электронами.
  • В диэлектриках внешние электроны имеют намного меньше свободы передвижения, чем в проводниках.
  • Все металлы являются электрически проводящими.
  • Динамическое электричество, или электрический ток — это направленное движение электронов через проводник.
  • Статическое электричество — это неподвижный (если на диэлектрике), накопленный заряд, сформированный избытком или недостатком электронов в объекте.
  • Для обеспечения потока электронов нужен целый, неповрежденный проводник, который обеспечит приём и выдачу электронов.

Источник : Lessons In Electric Circuits

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector