Чем выше напряжение между анодом и катодом, тем меньше пространственный заряд электронного облака и тем большее количество электронов достигает анода, тем больше сила тока в цепи.
Если катод не покрыт оксидным слоем, то при достаточно большом напряжении все электроны, покинувшие катод, достигают анода и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока уже не меняется. Ток достигает насыщения.
Если повысить температуру катода, то катод будет покидать большее количество электронов. Электронное облако вокруг катода станет более плотным. Ток насыщения будет достигнут при большем напряжении между анодом и катодом, а сила тока насыщения возрастает.
В электронной лампе с оксидным катодом достигнуть тока насыщения нельзя. Это требует столь высокого напряжения, при котором катод разрушается.
Электровакуумный триод
Потоком движущихся от катода к аноду электронов можно управлять с помощью электромагнитного поля. Для этого диод модифицируется, и между анодом и катодом добавляется сетка.
Получившийся прибор называется триодом.
Если на сетку подать отрицательный потенциал, то поле между сеткой и катодом будет препятствовать движению электрона. Если подать положительный – то поле будет препятствовать движению электронов.
Электронно-лучевая трубка
Представляет собой длинную стеклянную колбу, в которой создан высокий вакуум (10-6-10-7 мм рт. ст.). Внутри баллона имеется система электродов, позволяющая получать очень тонки и очень длинный пучок электронов. Эту совокупность электродов называют электронной пушкой (прожектором)
Катод- источник быстрых электронов представляет собой узкий цилиндр, внутри которого находится нагреватель. Снаружи катод покрыт специальным оксидным веществом с малой работой выхода электронов. Электроны испускаются с торца разогретого цилиндра.
Управляющий электрод предназначен для регулировки интенсивности электронного пучка. Он имеет цилиндрическую форму и окружает катод. Через отверстие в основании этого цилиндра пролетают электроны, испускаемые катодом. На управляющий электрод попадает небольшой отрицательный потенциал. Изменяя потенциал управляющего электрода можно изменять яркость пятна на экране.
Напротив катода расположены Аноды в форме пустотелого цилиндра, к которому электронный пучок попадает, пройдя через фокусирующий цилиндр, содержащий диафрагму с узким отверстием.
Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т.е. уменьшение площади его поперечного сечения на экране почти до точки.
Между катодом и анодом поддерживается напряжение несколько киловольт,
необходимое для разгона пучка электронов.
Ускоренные электрическим полем электроны вылетают из отверстия диафрагмы и летят к экрану, изготовленного из вещества, светящегося под действием ударов электронов.
Для управления электронным лучом служат две пары управляющих металлических пластин, одна из которых расположена вертикально, а другая горизонтально.
Если левая из пластин имеет отрицательный потенциал, а правая – положительный, то луч отклонится вправо, а если полярность пластин изменить, то луч отклонится влево.
Если же на эти пластины подать переменное напряжение, то луч будет совершать колебания в горизонтальной плоскости.
Аналогично будет колебаться луч в вертикальной плоскости, если переменное напряжение на вертикально отклоняющие пластины.
СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
Для каждого проводника существует определенная зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника. Эту зависимость выражает так называемая вольт-амперная характеристика проводника.
Ее находят, измеряя силу тока в проводнике при различных значениях напряжения.
Основная электрическая характеристика проводника — сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении.
Сопротивление проводника представляет собой меру противодействия проводника установлению в нем электрического тока.
Наличие сопротивления объясняется хаотическим тепловым движением молекул проводника, препятствующих направленному движению носителей заряда, образующему электрический ток в проводнике.
Пусть к проводнику длиной l и поперечным сечением S приложено напряжение U.
Под действием электрического поля напряженностью E = U/l электроны, являющиеся носителями электрического тока, приобретают постоянное ускорение в направлении противоположном напряженности поля:
a = = =
Из-за столкновений с атомами и молекулами электроны под действием электрического поля движутся по сложной не прямолинейной траектории. За промежуток времени τе между столкновениями электрон, движущийся равноускоренно, приобретает направленную скорость:
v = a τе = τе
Сила тока через поперечное сечение проводника (учитывая, что q0 = e):
I = q0nSv = enSv = enS τе = U
Сила тока в однородном проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению.
Коэффициент пропорциональности между силой тока и напряжением обозначают:
g = и называют проводимостью
Единица измерения – См (Сименс) или Мо(обратный Ом)
Электрическое сопротивление проводника:
R = =
Единица измерения – Ом = В/А
Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые для металлов ее установил немецкий ученый Георг Ом. (См.ниже «Закон Ома для участка цепи»)
С помощью закона Ома можно определить сопротивление проводника по силе тока при известном напряжении:
R =
Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при напряжении в 1 В сила тока в нем 1 А.
Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров.
Сопротивление проводника длиной l с постоянной площадью поперечного сечения S:
R = ρ
где ρ = — удельное сопротивление проводника - величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь)
Единица измерения – Ом*м
Удельное сопротивление – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения (при направлении тока перпендикулярно его сечению)
Удельное сопротивление численно равно сопротивлению проводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток направлен вдоль нормали к двум противоположным граням куба.
При нагревании удельное сопротивление металлов увеличивается по линейному закону:
ρ = ρ0 (1+ α DT)
ρ0 – удельное сопротивление при T0 = 293оК, DT = T - T0;
a – температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла
Единица измерения – 1/К = К-1
Коэффициент a называют температурным коэффициентом сопротивления.
Он характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры.
Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при его нагревании на 1К.
Для всех металлов a > 0 и незначительно меняется с изменением температуры.
Если интервал изменения температуры не велик, то температурный коэффициент сопротивления можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур.
Удельное сопротивление полупроводников , в отличие от металлов, уменьшается при увеличении температуры, так как растет количество свободных зарядов, создающих электрический ток.
Такой процесс электропроводности характерен для собственной проводимости полупроводников.
У растворов электролитов сопротивление с ростом температуры не увеличивается, а уменьшается. Для них a < 0.
При нагревании проводника его геометрические размеры меняются незначительно. Сопротивление меняется в основном за счет изменения его удельного сопротивления.
Увеличение удельного сопротивления при нагревании объясняется увеличением кинетической энергии хаотического теплового движения электронов, препятствующей их направленному движению, создающему электрический ток.
При близких к абсолютному нулю температурах сопротивление веществ резко падает до нуля, так как практически прекращается тепловое движение молекул, препятствующее току.
Это явление называется сверхпроводимостью.
Прохождение тока в сверхпроводящих материалах происходит без потерь на нагревание проводника.
Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в термометрах сопротивления. Обычно берут платиновую проволоку, зависимость сопротивления которой от температуры хорошо известна и линейна на большом интервале температур.
Сверхпроводимость
В 1911 г. голландский физик Гейке Каммерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости.
При охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при 4.1К очень резко падает почти до нуля.
Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в скачкообразном падении до нуля сопротивления вещества.
Сверхпроводник – вещество, которое может переходить в сверхпроводящее состояние.
Сверхпроводимость наблюдается при очень низких температурах около 25К.
Критическая температура – температура скачкообразного перехода вещества из нормального в сверхпроводящее состояние.
Максимальной критической температурой среди чистых металлов обладает технеций 11.2К.
Ток в сверхпроводнике может протекать неограниченное время из-за отсутствия сопротивления.
Выделения теплоты в сверхпроводящей обмотке не происходит.
Если в кольцевом сверхпроводящем проводнике создать ток, а затем устранить источник тока, то сила тока в этом проводнике не будет меняться сколь угодно долго.
Однако получить сильное магнитное поле с помощью сверхпроводящего магнита нельзя. Очень сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимое состояние.
Такое поле может быть создано током в самом проводнике. Поэтому для каждого проводника в сверхпроводящем состоянии существует критическое значение силы тока, превысить которое не нарушая сверхпроводящее состояние нельзя.
Объяснить сверхпроводимость можно только на основе квантовой теории.
Резкий спад сопротивления сверхпроводника при критической температуре означает, что электроны не выбывают из общего направления движения под действием поля, т.е. столкновения с ионами внезапно прекращаются. Объяснение этому дал открытый в 1950 г. изотопический эффект.
Изотопический эффект – зависимость критической температуры от массы ионов в кристаллической решетке
Для разных изотопов с массой mi одного и того же химического элемента критическая температура их перехода в сверхпроводящее состояние различна:
Tкр ≈
Это означает, что на резкое изменение характера движения электрона при критической температуре оказывает влияние структура кристаллической решетки.
Теория сверхпроводимости была предложена в 1957 г. Дж.Бардиным, Л.Купером, Дж.Шриффером (Нобелевская премия 1972 г.)
Исчезновение удельного электрического сопротивления связано с возникновением при температуре меньше критической сил притяжения между парами электронов, расположенных друг от друга на расстоянии, в тысячи раз превышающем расстояние между узлами кристаллической решетки.
Эти силы значительно превосходят силу кулоновского отталкивания электронов на этом расстоянии и обусловлены согласованными колебаниями ионов кристаллической решетки.
Такие пары электронов называют куперовскими по имени одного из создателей теории сверхпроводимости.
Электрический ток в сверхпроводнике обусловлен согласованным движением куперовских пар.
В 1986 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Получены сложные оксидные соединения лантана, бария и других элементов (керамики) с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100К.
ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ
Для каждого проводника существует определенная зависимость силы тока от приложенного к нему напряжения.
Зависимость силы тока в проводнике от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой.
Наиболее простой вид имеет вольтамперная характеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые (для металлов) ее установил немецкий ученый Георг Ом в 1825 г., поэтому зависимость силы тока от напряжения носит название закона Ома.
Закон Ома для участка цепи:
Сила тока в однородном проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:
I =
Доказать экспериментально справедливость закона Ома трудно.
ДОБАВИТЬ ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И В ОБЩЕЙ ФОРМЕ ДЛЯ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЦЕПИ Z
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
Последовательное соединение проводников – соединение, при котором конец предыдущего проводника соединяется с началом только одного – последующего.
При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений, все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.
Сила тока во всех, т.е. I1 = I2 = Ii, так как в проводниках электрический заряд в случае постоянного тока не накапливается и через любое поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд.
Напряжение на концах рассматриваемого участка цепи складывается из напряжений на проводниках:
U = U1 + U2 + …
Полное сопротивление всего участка цепи при последовательном соединении равно сумме сопротивлений проводников:
R = R1 + R2 + …
Параллельное соединение проводников – соединение, при котором все проводники подключены между одной и той же парой точек (узлами)
Точку разветвления цепи, в которой соединяются не менее трех проводников называют узлом электрической цепи.
В соответствии с законом сохранения электрического заряда, заряд, поступающий в единицу времени в точку разветвления, равен сумме зарядов, уходящих из этой точки за это же время.
Суммарная сила тока, втекающего в узел, равна сумме токов, вытекающих из узла.
Так как работа электрических потенциальных сил не зависит от формы пути единичного положительного заряда между двумя точками, напряжение на каждом из параллельно соединенных проводников одно и тоже.
Смешанное соединение проводников – соединение, сводящееся к последовательному и параллельному соединению проводников.
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА
Для длительного протекания тока через проводник необходимо поддержание разности потенциалов на концах проводника (имеющей тенденцию к уменьшению под действием электрических сил).
Необходимо устройство, которое бы перемещало заряды в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны поля.
В таком устройстве на заряды кроме электрических сил должны действовать силы не электростатической природы.
Существуют различного типа устройства для разобщения разноименных зарядов атомов (или молекул): магнитомеханические, электрохимические, термоэлектрические, фотоэлектрические.
Такие устройства могут использоваться как источники тока.
Действующие в источниках силы, разобщающие.
Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (кулоновских), называют сторонними силами.
Сторонние силы – силы не электрического происхождения, вызывающие разделение зарядов.
Вопреки кулоновским силам, силы разделяющие разноименные заряды, называются сторонними силами.
Примером источника тока может служить аккумулятор, внутри которого химические силы разделяют молекулы на положительные и отрицательные ионы и переносят их на клеммы (зажимы) аккумулятора.
В гальваническом элементе сторонние силы возникают за счет химической реакции между электродами и электролитом.
Необходимость сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи вытекает из закона сохранения энергии. Электростатическое поле потенциально и его работа по перемещению заряженных частиц по замкнутому контуру равна нулю. Прохождение же тока по контуру сопровождается выделением энергии – нагреванием проводника. Следовательно, в любой цепи должен существовать дополнительный источник энергии. В нем помимо кулоновских, обязательно должны действовать сторонние непотенциальные силы, работа которых по замкнутому контуру не равна нулю. В процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока дополнительную энергию и отдают ее затем в электрической цепи.
Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле.
Действие сторонних сил характеризуется электродвижущей силой (ЭДС)
Энергетической характеристикой источника тока является электродвижущая сила (ЭДС)
Чем больший заряд перемещается в источнике тока, тем большая работа совершается сторонними силами.
Отношение работы сторонних сил к переносимому заряду является постоянной величиной для данного источника тока и называется электродвижущей силой (ЭДС)
Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду:
ε =
Единица измерения – Дж/Кл = В (Вольт)
Можно говорить от ЭДС на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке.
Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы не потенциальны и их работа зависит от формы траектории.
Изменение потенциальной энергии заряда при его перемещении между электродами источника тока равно суммарной работе сторонней силы и силы сопротивления:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54
