Сравнительная характеристика электрического тока в различных средах

Актуальность проекта заключается в необходимости создать целостное представление у студентов о таком понятии как электрический ток.
Цель: Обобщить и систематизировать знания по темам «Постоянный электрический ток» и «Электрический ток в различных средах».
.

Задачи:
Изучить особенности протекания электрического тока в различных средах.
Подобрать теоретический материал по иллюстрации данного явления.
Решить типовые задачи по расчету параметров электрического тока.
Составить полную сравнительную таблицу характеризующую особенности протекания электрического тока в различных средах.
Результат проекта:
Презентация с гиперссылками, позволяющая в короткий срок вспомнить и обобщить здания по темам «Постоянный электрический ток» и «Электрический ток в различных средах».

Электрический ток в различных средах

Электрический ток в различных средах

Электроны и электрический ток.
Электрон - элементарная отрицательно заряженная частица.
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.
Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда, а значит и переноса вещества не происходит.

Ион- это атом, потерявший или захвативший электрон(-ы).
Ионы и электрический ток.
Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду),
отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду).
Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул это электролитическая диссоциация.
При этом происходит оседание вещества на электродах( перенос вещества).
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Электрический ток в газах.

Вакуум - состояние среды с полным отсутствием вещества.
Электрический ток в вакууме самостоятельно протекать не может, но его осуществление представляет большой практический интерес т.к. в нем отсутствует электрическое сопротивление и током легко управлять, из-за отсутствия электрического сопротивления.
Термоэлектронная эмиссия
– вырывание электронов с поверхности нагретых металлов.
Электрический ток в вакууме.

Термоэлектронная эмиссия
вырывания электронов с поверхности нагретых металлов.
Иногда электроны вылетают с поверхности металла «испаряются», но в результате сил притяжения со стороны положительных ионов остаются у поверхности металла образуя « - » облако, а поверхность металла приобретает «+» заряд, между ними образуется потенциальный барьер.
- потенциальный барьер.

На основании классической теории электропроводимости «электронный газ» участвует в тепловом хаотическом движении.
Термоэлектрические явления
- потенциальный барьер.
Потенциальный барьер препятствует нарастанию процесса вылета и требует совершить работу на его преодоление при удалении электрона от металла

Электроны и «дырки».
Электрический ток в полупроводнике может создаваться свободными электронами и «дырками».

Русские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси в 1913 году поставили оригинальный опыт. Взяли катушку с проводом и стали крутить ее в разные стороны. При постановке этих опытов исходили из следующей мысли: если в металле есть свободные заряды, обладающие массой, то они должны подчиняться закону инерции. Происходящее явление подобно тому, что наблюдается при внезапной остановке трамвая, когда «свободные», не прикрепленные к вагону предметы и люди по инерции некоторое время продолжают двигаться вперед.
Таким образом, краткое время после остановки проводника свободные заряды в нем должны двигаться в одну сторону. Но движение зарядов в определенную сторону есть электрический ток. Следовательно после внезапной остановки проводника надо ожидать появления в нем кратковременного тока.
Опыт Мандельштама - Папалекси (1913 г.).

Борис Семёнович Якоби.
Борис Семёнович Якоби (21 сентября 1801 - 27 февраля 1874) - немецкий и русский физик. Первооткрыватель гальванопластики
Рафинирование – получение на электроде чистого металла.
Гальваностегия - покрытие поверхностей трудно окисляемыми металлами (хромирование или никелирование). Покрытие серебром или золотом предметов искусства.
Гальванопластика - изготовление рельефных копий из металла.
Электрополировка - выравнивание поверхности металла. Анод начинает разрушаться с неровностей на поверхности. Таким образом, шлифуются зеркала.

Применение электрического тока в газах.
Определение плохой погоды по огням Святого Эльма
Использование дугового разряда в прожекторе
Использование неона в рекламных целях

ДИОД.
В 1879г. американский изобретатель Томас Эдисон предложил создать в вакуумной стеклянной трубке ток, используя явление термоэлектронной эмиссии.
Ток в вакуумных лампах создается свободными электронами, вылетевшими из металла.
Вакуумная лампа обладает односторонней проводимостью.
Используется для выпрямления переменного тока. (при подключении к катоду источника тока «-» полюсом -ток в цепи есть, при подключении «+» полюсом - тока нет.)

Диод – стеклянный баллон с двумя электродами.
Катод - металлический цилиндр, покрытый слоем оксидов щелочноземельных металлов (барий, стронций, кальций) - с их поверхности электроны уходят легко.
Нить накала - проводник в изоляционном слое. Нагревается переменным эл. током.
Анод - металлический цилиндр с общей осью с катодом.
Свойство односторонней проводимости используются в радиоприемниках для выпрямления переменного тока
В современном диоде давление 10-6 - 10-7 мм. рт. ст.
Вакуумный диод.

Транзистор
Состоит из двух p-n-переходов
Три части транзистора:
Эмиттер – поставляет основные носители заряда (стрелка совпадает с направлением тока)
База – принимает переменный сигнал (ее толщина мала)
Коллектор – собирает основные носители заряда
П/П приборы
Полупроводниковые приборы - принцип работы основан на p-n переходе
n-p- переход
- контакт двух п/п с разными проводимостями.
- через переход происходит диффузия основных носителей заряда (свободных электронов и «дырок»).
- в n - областях будет слой с избытком «+» ионов.
- в p - области слой с избытком «-» ионов.
между и областями возникает запирающий слой - препятствующий дальнейшей диффузии основных носителей заряда.
В зависимости о подключения n-p- перехода он пропускает электрический ток или нет. П/П диод обладает односторонней проводимостью. Он способен выпрямлять переменный ток, преобразуя его в пульсирующий.

В металле эл. ток создается свободными электронами.
Электроны рассматриваются как электронный газ, обладающий свойствами одноатомного идеального газа:
-выполняются законы Ньютона
-электроны взаимодействуют только с «+» ионами
-энергия электронов рассчитывается по уравнению Больцмана.
-Закон Ома. Вольт-амперная характеристика
-Закон Джоуля-Ленца
-зависимость сопротивления от геометрических размеров проводника; от температуры
Классическая теория не может объяснить факт не линейного возрастания сопротивления от температуры (сверхпроводимость) и то, что теплоемкость металлов и диэлектриков примерно равны. Данные факты объясняет квантовая физика.

Закон Ома.
Закон Ома для участка цепи:
- сила тока прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорционально электрическому сопротивлению R участка цепи.
Закон Ома для полной цепи:
- сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и внутреннего сопротивления источника тока.

Законы Фарадея.
I Закон Фарадея:
- Масса выделившегося вещества зависит от силы тока и от времени, за которое он прошёл через электролит.
II Закон Фарадея:
- Электрохимический эквивалент прямо пропорционален отношению атомной массе А к валентности n.

Самостоятельный разряд.

Электрический ток в полупроводниках.
Электрический ток может протекать в полупроводниках, если валентные электроны перемещаются из валентной зоны в зону проводимости через запрещённые зоны, при этом в валентной зоне остаются «дырки», что приводит к движению оставшихся в валентной зоне электронов по уровням валентной зоны. Для удобства говорят не о движении электронов в валентных зонах, а о движении «дырок». Движение дырок эквивалентно движению положительно заряженных частиц с зарядом, равным заряду электронов. Электропроводимость полупроводников определяется концентрацией «дырок» и электронов и их подвижностью. Так на электропроводимость влияет освещение( в результате увеличения им концентрации электронов и дырок) и температура ( при росте температуры подвижность электронов и «дырок» падает, а концентрация увеличивается). При этом не происходит перенос вещества.

Примеры решения задач по теме «электрический ток в различных средах.
Задача №1
Задача №2
Задача №3
Задача №4
Задача №5

Дано :
Iэ = 12 мА
Iб = 600 мкА
Найти :
Iк - ?
СИ
12 * 10-3 А
600 * 10-6 А
Решение:
1)Транзистор. Сила тока.
2) Iэ = Iк + Iб
Iк = Iэ – Iб
Iк = 12 * 10-3 А - - 600 * 10-6 А = 12 * 10-3А - 0,6 * 10-3 А=
= 11,4 мА
В усилителе, собранном на транзисторе по схеме с общей базой, сила тока в цепи эмиттера равна 12 мА, в цепи базы 600 мкА. Найти силу тока в цепи коллектора.
Ответ : 11,4 мА

Сила тока в лампочке карманного фонаря 0,32 А. Сколько электронов проходит через поперечное сечение нити накала за 0,1 с?
Дано:
I = 0, 32 A
t = 0,1 c
Найти :
N - ?
Решение :
1) Свойство электрического заряда. Сила тока.

Дано:
Найти:
- ?
Решение:
1) Концентрация частиц.
= =

В вакуумном диоде электрон подходит к аноду со скоростью 8 Мм/с. Найти анодное напряжение.
Дано :
Найти :
U - ?
СИ
Решение:
1) Кинетическая энергия частицы. Энергия ЭП.
U =
Ответ : 182 В