Резюме Постоянен електрически ток

Условия за възникване на ток.

Електрическият ток е насочено движение на заредени частици. Количествените характеристики на тока са неговата сила на тока (съотношението на заряда: пренесен през напречното сечение на проводника за единица време):

и неговата плътност, определена от съотношението:

Единицата за сила на тока е ампер (1A е характерната стойност на тока, консумиран от битовите електрически нагреватели).

Необходимите условия за съществуването на ток са наличието на свободни носители на заряд, затворена верига и източник на ЕМП (батерия), който поддържа насочено движение.

Електрическият ток може да съществува в различни среди: в метали, вакуум, газове, разтвори и стопилки на електролити, плазма, полупроводници, тъкани на живи организми.

Когато тече ток, почти винаги се случва взаимодействието на носителите на заряд с околната среда, придружено от предаване на енергия към последната под формата на топлина. Ролята на източника на ЕМП е именно да компенсира топлинните загуби във веригите.

Електрическият ток в металите се дължи на движението на относително свободни електрони през кристалната решетка. Причините за съществуването на свободни електрони в проводящите кристали могат да бъдат обяснени само на езика на квантовата механика.

Опитът показва, че силата на електрическия ток, протичащ през проводника, е пропорционална на потенциалната разлика, приложена към неговите краища (закон на Ом). Коефициентът на пропорционалност между тока и напрежението, който е постоянен за избрания проводник, се нарича електрическо съпротивление:

(3)

Съпротивлението се измерва в ома (съпротивлението на човешкото тяло е около 1000 ома). Големината на електрическиясъпротивлението на проводниците се увеличава леко с повишаване на температурата. Това се дължи на факта, че при нагряване възлите на кристалната решетка увеличават хаотичните топлинни вибрации, което предотвратява насоченото движение на електроните. В много проблеми директното отчитане на вибрациите на решетката се оказва много трудоемко. За да се опрости взаимодействието на електрони с осцилиращи възли, се оказва удобно да се заменят със сблъсъци с газови частици на хипотетични частици - фонони, чиито свойства са избрани така, че да получат описание възможно най-близко до реалността и могат да се окажат много екзотични. Обекти от този тип са много популярни във физиката и се наричат квазичастици. В допълнение към взаимодействията с вибрациите на кристалната решетка, движението на електроните в кристала може да бъде възпрепятствано от дислокации - нарушения на редовността на решетката. Взаимодействията с дислокации играят решаваща роля при ниски температури, когато топлинните вибрации практически липсват.

Някои материали при ниски температури напълно губят електрическото си съпротивление, преминавайки в свръхпроводящо състояние. Токът в такива среди може да съществува без ЕМП, тъй като няма загуби на енергия при сблъсъци на електрони с фонони и дислокации. Създаването на материали, които запазват свръхпроводящото състояние при относително високи (стайни) температури и ниски токове, е много важна задача, чието решение би направило истинска революция в съвременната енергетика, т.к. ще позволи пренос на електроенергия на дълги разстояния без загуба на топлина.

Понастоящем електрическият ток в металите се използва главно за преобразуване на електрическата енергия в топлинна енергия (нагреватели, източници на светлина) или механична енергия (електродвигатели).В последния случай електрическият ток се използва като източник на магнитни полета, взаимодействието с които други токове предизвикват появата на сили.

Електрическият ток във вакуум е строго погледнато невъзможен поради липсата на свободни електрически заряди в него. Въпреки това, някои проводими вещества, когато се нагряват или облъчват със светлина, са способни да излъчват електрони от повърхността си (топлинна емисия и фотоемисия), които са в състояние да поддържат електрически ток, движещ се от катода към друг (положителен) електрод - анода. Когато към анода се приложи отрицателно напрежение, токът във веригата прекъсва. Описаното свойство причинява широкото използване на електровакуумни устройства в електронни устройства за коригиране на променлив ток. До сравнително наскоро електровакуумните устройства бяха широко използвани като усилватели на електрически сигнали. В момента те са почти напълно заменени от полупроводникови устройства.

На пръв поглед електрическият ток в газовете не може да съществува поради липсата на свободни заредени частици (електроните в атомите и молекулите на газовете са здраво „свързани“ с ядрата чрез електростатични сили). Въпреки това, когато енергия от порядъка на 10 eV се прехвърли на атом (енергията, придобита от свободен електрон при преминаване през потенциална разлика от 10 V), последният преминава в йонизирано състояние (електронът напуска ядрото на произволно голямо разстояние). В газовете при стайна температура винаги има много малко количество йонизирани атоми, възникнали под действието на космическо лъчение (фотойонизация). Когато такъв газ се постави в електрическо поле, заредените частици започват да се ускоряват, прехвърляйки натрупаната кинетична енергия към неутралните атоми и ги йонизирайки. В резултат на това се развива лавинообразен процесувеличаване на броя на свободните електрони и йони - възниква електрически разряд. Характерното сияние на разряда е свързано с освобождаването на енергия по време на рекомбинацията на електрони и положителни йони. Видовете електрически разряди са много разнообразни и силно зависят от състава на газа и външните условия.

Вещество, съдържащо смес от неутрални атоми, свободни електрони и положителни йони, се нарича плазма. Плазмата в резултат на електрически разряди с относително нисък ток (напр. в тръби с „дневна светлина“) се характеризира с много ниски концентрации на заредени частици в сравнение с неутралните ( ). Обикновено се нарича нискотемпературен, тъй като температурата на атомите и йоните е близка до стайната. Средната енергия на много по-леките електрони се оказва много по-висока. Че. нискотемпературната плазма е по същество неравновесна, отворена среда. Както беше отбелязано, в такива медии са възможни процеси на самоорганизация. Добре известен пример е генерирането на високо подредено кохерентно лъчение в плазмата на газовите лазери.

Плазмата може да бъде и в термодинамично равновесие. За неговото съществуване е необходима много висока температура (при която енергията на топлинното движение е сравнима с йонизационната енергия). Такива температури съществуват на повърхността на Слънцето, могат да възникнат по време на много мощни електрически разряди (мълнии), по време на ядрени експлозии. Такава плазма се нарича гореща.

атмосферно електричество.

Земята е доста добър проводник на електричество (в сравнение със сухия въздух). На височина около 50 км йонизиращото космическо лъчение предизвиква наличието на йоносфера – слой от силно йонизиран газ. Измерванията показват, че има огромна разлика между йоносферата и земната повърхностпотенциали (около 5 000 000 V), а йоносферата има положителен заряд по отношение на Земята. Наличието на потенциална разлика между Земята и „небето“ води до появата на ток с много ниска плътност (A /) дори в такъв лош проводник като въздуха. Общият ток, идващ на повърхността на планетата, е много голям (прибл. A), а мощността, която отделя, е сравнима с мощността на всички построени електроцентрали (W). Възникват естествени въпроси за механизма за поддържане на тази потенциална разлика и за причините, поради които нейното присъствие все още не е използвано от хората.

Вече е установено, че основният механизъм, който зарежда „небето“ спрямо Земята, са гръмотевичните бури. Капки вода и ледени кристали, движещи се надолу към основата на гръмотевичния облак, събират отрицателни заряди в атмосферата и по този начин зареждат долната част на гръмотевичния облак с отрицателно електричество до потенциали, многократно по-големи от потенциала на Земята. В резултат на това между Земята и облака възниква много голямо електрическо поле, насочено в обратна посока в сравнение с полето, което съществува при безоблачно време. В близост до проводими обекти, излизащи от повърхността на Земята, това поле все още е засилено и е достатъчно за йонизация на газа, която расте по лавинообразен закон. Резултатът е много мощен електрически разряд, наречен мълния. Противно на общоприетото схващане, мълнията започва от Земята и удря облаците, а не обратното.

Електрическо поле от 100 V/m, което е характерно за ясното време, не може да се използва или дори да се почувства, въпреки че на височина, равна на ръста на човек, при липсата му създава потенциална разлика от около 200 V. Причината за това е ниската проводимост на въздуха и вследствие на това ниските плътности на токаПовърхностни течения на Земята. Въвеждането на добър проводник (човек) в електрическата верига, шунтиращ двуметров въздушен стълб, практически не променя общото съпротивление на веригата „небе-Земя“, токът в който остава непроменен. Причиненият от него спад на напрежението върху човешкото тяло е около U = IR = 0,2 μV, което е значително под прага на чувствителност на нашето тяло.

Електрически ток в живи тъкани.

Важната роля на електрическите импулси за живота на организмите се приема преди повече от 200 години. Сега е известно, че тези импулси се използват за осигуряване на контрол върху работата на органите и преноса на информация между тях в процеса на живот. Ролята на кабели за предаване на сигнала в най-сложния "биологичен компютър" играят нервите, чиято основа са високоспециализирани клетки - неврони. Основните функции на тези клетки са приемане, обработка и усилване на електрически сигнали. Невроните комуникират помежду си в „мрежа“ с помощта на специални удължени израстъци - аксони, които действат като проводници. Изследванията на разпространението на електрически сигнали в аксоните бяха проведени съвместно от биолози, химици и физици през 30-60-те години на нашия век и бяха един от първите успешни примери за ползотворно сътрудничество между представители на сродни природни науки.

Както се оказа, свойствата на електрическите импулси, разпространяващи се в аксоните, се различават значително от тези, познати на електротехниката: 1) скоростта на разпространение на импулси по аксона се оказва с няколко порядъка по-ниска от тази, характерна за металните; 2) след преминаването на електрически импулс има "мъртво" време, през което разпространението на следващия импулс е невъзможно; 3) има прагова стойност на напрежението (импулси с амплитуда подпрагът не се прилага); 4) с бавно увеличаване на напрежението, дори до стойност, надвишаваща прага, импулсът не се предава по аксона („настаняване“).

Изброените особености на проводимостта на аксоните, които не са характерни за традиционната електротехника, бяха обяснени в рамките на много специфичен електрохимичен механизъм, централната роля в който принадлежи на полупропускливата за йони клетъчна мембрана, която разделя вътрешния обем на клетката (и нейния аксон), съдържащ необичайно висока концентрация на K+ йони и ниска концентрация на Na+ йони от околната среда, пълна с физиологичен разтвор. В резултат на хаотичното топлинно движение на частиците през границата между региони с различна концентрация на положителни йони възникват дифузионни потоци (K + - от клетката, Na + - вътре в нея), чиито скорости се регулират от пропускливостта на клетъчната мембрана и разликата в електрическия потенциал от двете страни на нея. Промените в пропускливостта на мембраната за всеки от йоните водят до промяна в броя на заредените частици, пресичащи границата, и следователно до промяна в електрическия потенциал на аксона спрямо външната среда. Експериментите показват, че проводимостта на част от мембраната варира в зависимост от потенциалната разлика, приложена към нея. Че. електрическият импулс, приложен към секцията на аксона, променя проводимостта на мембраната за кратко време (в зависимост от свойствата на аксона), което води до преразпределение на зарядите, усилване на импулса и образуване на задния му фронт. В този случай аксонът едновременно играе ролята на проводник и „усилващи подстанции - повторители“, което позволява да се избегне затихването на сигналите, предавани в тялото на достатъчно дълги разстояния.

Интересно е, че проблемът е много подобен на този, който е решен от природата, малко преди откриването на механизмаПроводимостта на аксона трябваше да бъде решена в радиотехниката, когато се опитваше да организира трансатлантическа кабелна връзка. За да се избегне затихване и изкривяване на сигнала в дълга линия, кабелът трябваше да бъде разделен на относително къси връзки, между които бяха поставени усилватели. Опитът, натрупан от физиците при създаването на дълги кабелни комуникационни линии, значително улесни решаването на проблема с механизма на електрическата проводимост на аксона.