Предисловие.
Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени?
Слово «ток» означает движение или течение чего-то. Электричес-ким током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в провод-нике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электричес-кий ток в проводнике существовал длительное время, необходи-мо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Элек-трическое поле в проводниках создается и может длительное вре-мя поддерживаться источниками электрического тока . В настоя-щее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводнико-вый(солнечные батареи), но во всяком из них совершается рабо-та по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источни-ка тока, — так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой — отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то под действием поля свободные заря-женные частицы в проводнике будут двигаться, возникнет электрический ток.
Электрический ток.
Источники электрического тока.
До 1650 года — времени, когда в Европе пробудился боль-шой интерес к электричеству, — не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов.
Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с неменьшим успехом мог бы пос-лужить его целям. Затем Герике укрепил серный шар так, как показано на рис.1, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой — прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потен-циал шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.
Эта машина оказала боль-
шую помощь в эксперименталь-
ном изучении электричества, но
еще более трудные задачи «хра-
нения» и «запасания» электри-
ческих зарядов удалось решить
лишь благодаря последующему
прогрессу физики. Дело в том, что мощные заряды, которые
можно было создавать на телах с помощью электростатической
машины Герике, быстро исчезали. Вначале думали, что причиной этого является «испарение» зарядов. Для предотвращения
«испарения» зарядов было предложено заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изолирующего материала. Естественно, в качестве таких сосудов были выбраны стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала — вода, поскольку ее было легко наливать в бутылки. Чтобы можно было зарядить воду, не открывая бутылку, сквозь пробку был пропущен гвоздь. Замысел был хорош, но по причинам, в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно. В результате интенсивных экспериментов вскоре же было открыто, что запасенный заряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить, если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкими листами фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего проводника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись без воды. Это новое «хранилище» электричества было изобретено в 1745 году в голландском городе Лейдене и получило название лейденской банки (рис.2 ).
Первый кто открыл иную возможность полу-чения электричества, не-жели с помощью электри-зации трением, был италь-янский ученый Луиджи Гальвани (1737-1798). Он был по специальности биолог, но работал в лаборатории, где прово-дились опыты с электричеством. Гальвани нблю-дал явление, которое было известно многим еще до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электрической машины, то начинала сокращаться вся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скаль-пелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения при-чины электрического тока. Один из экспериментов был поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток — только в тканях тела лягушки, только разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения.
Другой итальянский ученый Алессандро Вольта(1745-1827) окончательно доказал, что если поместить лягушачьи лапки в водные растворы некоторых веществ, то в тканях лягушки гальванический ток не возникает. В частности, это имело место для ключевой или вообще чистой воды; этот ток появляется при добавлении к воде кислот, солей или щелочей. По-видимому, наибольший ток возникал в комбинации меди и цинка, помещенных в разбавленный раствор серной кислоты. Комбинация двух пластин из разнородных металлов, погруженных в водный раствор щелочи, кислоты или соли, называется гальваническим (или химическим) элементом.
Если бы средствами для получения электродвижущей силы служили только трение и химические процессы в гальванических элементах, то стоимость электрической энергии, необходимой для работы различных машин, была бы исключительно высокой. В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.
В начале 19 века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле. Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадей сделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Наведённая ЭДС меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Когда проводник пересекает 100000000 силовых линий за 1 сек, наведённая ЭДС равна 1 Вольту. Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока, и активно используется человечеством в настоящее время. Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота.
Солнце представляет собой удалённый от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерный реактор, излучающий энергию, которая поступает на Землю главным образом в виде электромагнитного излучения. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной части спектра. Солнечная радиация — это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на землю солнечной энергии, т.е. 1,62 *10 16 киловатт\часов в год, что эквивалентно огромному количеству условного топлива — 2 *10 12 т.
Усилия конструкторов идут по пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотопреобразователи, называемые также солнечными батареями, состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Если преобразователь должен заряжать аккумулятор, питающий, например, радиоустройство в облачное время, то его подключают параллельно к выводам солнечной батареи ( рис. 3). Элементы применяемые в солнечных батареях, должны обладать большим КПД, выгодной спектральной характеристикой, малой стоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. К сожалению, только немногие из известных на сегодня фотоэлементов отвечают хотя бы частично этим требованиям. Это прежде всего некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов. Простейший из них — селеновый. К сожалению, КПД лучших селеновых фотоэлементов мал(0,1...1 %).
Основой солнечных батарей являются кремниевые фото-преобразователи, имеющие вид круглых или прямоуголь-ных пластин толщиной 0,7 — 1 мм и площадью до 5 — 8 кв.см. Опыт показал, что хорошие результаты дают небольшие элементы, площадью около 1 кв. см., имеющие КПД около 10 %. Созданы также фотоэлементы из полупро- водниковых металлов с теоретическим КПД 18 %. Кстати, практический КПД фотоэлектрических преобразователей ( около 10 %) превышает КПД паровоза ( 8 %), коэффициент полезного использования солнечной энергии в растительном мире (1 %), а также КПД многих гидротехнических и ветровых устройств. Фотоэлектрические преобразователи имеют практически неограниченную долговечность. Для сравнения можно привести значения КПД различных источников электрической энергии ( в процентах): теплоэлектроцентраль — 20-30, термоэлектрический преобра-зователь — 6 — 8, селеновый фотоэлемент — 0,1 — 1, солнечная бата-рея — 6 — 11, топливный элемент — 70, свинцовый аккумулятор — 80 — 90.
В 1989 г. фирмой Боинг (США) создан двухслойный фотоэлемент, состоящий из двух полупроводников — арсенида и антимонида галлия — с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций. Недавно удалось доказать, что фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии теоретически позволяет использовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93 %! А ведь первоначально считалось, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляет не более 26 %, т.е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин.
Солнечные батареи пока используются в основном в кос-мосе, а на Земле только для электроснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной
и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.
www.ronl.ru
Если соединить проволокой два проводника, между которыми была создана разность потенциалов, то потенциалы будут выравниваться, при этом заряды на проводниках перераспределяются, а в соединительной проволоке происходит направленное перемещение зарядов, называемые током. Ток под действием приложений разности потенциалов возникает в любой среде, где имеются свободные электроны. В зависимости от вида и природы зарядоносителей проводимость бывает электронной, ионной и дырочной. Электронной проводимостью обладают металлы. Существует такая проводимость и в верхних слоях атмосферы, где плотность вещества невелика, благодаря чему электроны могут свободно перемещаться, не соединяясь с положительно заряженными ионами. Жидкие электроны обладают ионной проводимостью. Ионы, являющиеся зарядоносителями, при движении перемещают вещество, в результате чего происходит выделение его на электродах. Возможен механизм проводимости, обусловленный разрывом валентной связи, приводящим к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Такое «пустые» место с отсутствующими электронами связи получило название - дырка. Возникновение дырки в кристалле проводника создаёт дополнительную возможность для переноса заряда. Этот процесс, сопровождающийся перемещением электронов, получил название дырочной проводимостью. Плазма, под которой понимается газ, имеющий концентрацию зарядоносителей, намного превышающую незаряженных частиц, обладает электронной и ионной проводимостью.
2.Ток в жидкостях.
Происхождение электрического тока (движение электрических зарядов) через раствор существенно отличается от движения электрических зарядов по металлическому проводнику. Различие, прежде всего в том, что зарядоносителями в растворах являются не электроны, а ионы, т.е. сами атомы или молекулы, потерявшие или захватившие один или несколько электронов. Естественно, это движение, так или иначе, сопровождается изменением свойств самого вещества. Рассмотрим электрическую цепь, элементом которой является сосуд с раствором поваренной соли и с вставленными в него электродами любой формы из пластины. При подключении к источнику питания в цепи появляется ток, представляющий собой в растворе движение тяжелых заряженных частиц – ионов. Появление ионов уже означает возможность химического разложения раствора на два основных элемента – Na и Cl. Натрий, потерявший электрон, представляет собой положительно заряженный ион, движущийся к электроду, который подключен к отрицательному полюсу источника питания, электрической цепи. Хлор, «узурпировавший» электрон, представляет собой отрицательный ион. Отрицательные ионы хлора движутся к электроду, который подключен к положительному полюсу источника питания эл. цепи. Образование положительных и отрицательных ионов происходит вследствие самопроизвольного распада молекулы поваренной соли в водном растворе (электролитическая диссоциация). Движение ионов обусловлено напряжением, поданным на электроды, опущенные в раствор. Достигнув электродов, ионы забирают или отдают электроны, образуя соответственно молекулы Cl и Na. Подобные явления наблюдаются в растворах многих других веществ. Молекулы этих веществ, подобно молекулам поваренной соли, состоят из противоположно заряженных ионов, на которые они и распадаются в растворах. Количество распавшихся молекул, точнее, число ионов, характеризует электрическое сопротивление раствора. Ещё раз подчеркнём, что происхождение электрического тока по цепи, элементом которой является раствор, вызывает перемещение вещества этого элемента электрической цепи, и, следовательно, изменение его химический свойств, в то время, как при прохождении электрического тока по металлическому проводнику никаких изменений в проводнике не происходит. От чего зависит количество вещества, выделяющегося при электролизе на электродах? Впервые на этот вопрос ответил Фарадей. Фарадей показал экспериментально, что масса выделяемого вещества связана с силой тока и временем его протекания t соотношением (закон Фарадея):
M = kq
Масса выделяющегося вещества при электролизе вещества прямо пропорциональна количеству прошедшего через электролит электричества и не зависит от других причин, кроме рода вещества. Указанную закономерность можно проверить на следующих опытах. Нальём в несколько ванн один и тот же электролит, но разной концентрации. Опустим в ванны электроды, имеющие разную площадь, и расположим их в ванных на разных расстояниях. Соединим все ванны последовательно и пропустим через них ток. Тогда через каждую из ванн, очевидно, пройдёт одинаковое количество электричества. Взвесив катоды до и после опыта, мы обнаружим, что на всех катодах выделилось одинаковое количество вещества. Соединив все ванны параллельно и пропустив через них ток, можно убедиться, что количество вещества, выделившегося на катодах, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через каждую из них. Наконец, соединив последовательно ванны с различными электролитами, легко установить, что количество выделившегося вещества зависит от рода этого вещества. Величина, характеризующая зависимость количества выделяющегося при электролизе вещества от его рода, называется электрохимическим эквивалентом и обозначается буквой к. Электрохимический эквивалент вещества измеряется массой вещества, выделяющегося на электроде при прохождении через электролит единицы количества электричества,
Масса вещества, выделяющегося при электролизе, представляет собой общую массу всех разрядившихся на электроде ионов. Подвергая электролизу разные соли, можно на опыте установить количество электричества, которое должно пройти через электролит, чтобы выделился один килограмм – эквивалент данного вещества. Такие опыты впервые проделал Фарадей. Он нашел, что для выделения одного килограмм – эквивалента любого вещества при электролизе требуется одинаковые количества электричества, равные 9,65·107 к. Количество электричества, необходимое для выделения при электролизе килограмм – эквивалента вещества, называется числом Фарадея и обозначается буквой F: F = 9,65·107 к.
В электролите ион оказывается окруженным молекулами растворителя (воды), обладающими значительными дипольными моментами. Взаимодействуя с ионом, дипольные молекулы поворачиваются к нему своими концами, имеющими заряд, знак которого противоположен заряду иона, поэтому упорядочное движение иона в электрическом поле затрудняется, и подвижность ионов значительно уступает подвижности электронов проводимости в металле. Так как и концентрация ионов обычно не велика по сравнению с концентрацией электронов в металле, то электрическая проводимость у электролитов всегда существенно меньше электрической проводимости металлов. Вследствие сильного нагревания током в электролитах достижимы лишь незначительные плотности тока, т.е. небольшие напряженности электрического поля. При повышении температуры электролита упорядоченная ориентация диполей растворителя ухудшается под влиянием усилившегося беспорядочного движения молекул, поэтому дипольная оболочка частично разрушается, подвижность ионов и проводимость раствора увеличивается. Зависимость удельной электрической проводимости от концентрации при неизменной температуре сложна. Если растворение возможно в любых пропорциях, то при некоторой концентрации электрическая проводимость имеет максимум. Причина этого такова: вероятность распада молекул на ионы пропорциональна числу молекул растворителя и числу молекул растворимого вещества в единице объёма. Но возможен и обратный процесс: (рекомбинация ионов в молекулы), вероятность которого пропорциональна квадрату числа пар ионов. Наконец, электрическая проводимость пропорциональна числу пар ионов в единице объёма. Поэтому, при малых концентрациях диссоциация полная, но общее число ионов мало. При очень больших концентрациях диссоциация слабая и число ионов также невелико. Если растворимость вещества ограничена, то обычно максимума электрической проводимости не наблюдается. При замораживании вязкость водного раствора резко возрастает, подвижность ионов резко уменьшается, и удельная электрическая проводимость падает в тысячу раз. При затвердевании же жидких металлов подвижность электронов и удельная электрическая проводимость почти не изменяется. Электролиз широко применяется в различных электрохимических производствах. Важнейшие из них: электролитическое получение металлов из водных растворов их солей и из их расплавленных солей; электролиз хлористых солей; электролитическое окисление и восстановление; получение водорода электролизом; гальваностегия; гальванопластика; электрополировка. Методом рафинирования получают чистый металл, очищенный от примесей. Гальваностегия – покрытие металлических предметов другим слоем металла. Гальванопластикой – получение металлических копий с рельефных изображений каких-либо поверхностей. Электрополировка – выравнивание металлических поверхностей.
Литература: 1. Электричество С.Г. Калашников Москва 1977г. 2.Лекции по эл. свойствам материалов издательство «Мир» 1991г. 2. Электричество и человек В.Е.Манойлов. 1988г. стр. 15 3.Диэлектрики.
Поляризация – важнейшая характеристика диэлектрика. В зависимости от того, преобладает ли движение свободных зарядов, или происходит поляризация, вещества делятся на два класса – проводники и диэлектрики. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом и не могут смещаться только в пределах одной молекулы (по-другому сказать, у диэлектриков целиком заполнена энергетическая зона). При отсутствии воздействия внешнего электрического поля заряды разных знаков распределены по объёму диэлектрика равномерно. Под действием внешнего поля заряды, входящие в каждую молекулу, смещаются в противоположных направлениях. Это смещение проявляется в виде появления зарядов на поверхности диэлектрика, помещенного в электрическое поле, - поляризация. Поляризация протекает по-разному, в зависимости от вида химической связи в веществе диэлектрика. Так, например, в алмазе химическая связь ковалентная, и поляризация происходит лишь благодаря деформации электронных атомных оболочек в электрическом поле. В ионных кристаллах, таких, как каменная соль, в электрическом поле сдвигаются относительно друг друга ионы. В них происходит и деформация электронных оболочек, но это явление вносит незначительный вклад в полную поляризацию ионного кристалла по сравнению с вкладом ионов. Удельное сопротивление выше удельного сопротивления проводников. Использование. Используются для изоляции элементов электротехнических устройств. В квантовой электронике из диэлектрических материалов изготавливают основные элементы квантовых генераторов; широко используются в оптике. Использование в конденсаторах. Справочник для школьника. Физика. Стр. 231-233 4.Ток в металлах и проводниках.
Экспериментально показано, что в металлах ионы не принимают участия в перенесении электрических зарядов, так как в противном случае электрический ток обязательно сопровождался бы переносом материала, что не наблюдалась. В опытах с инерцией электронов было установлено, что электрический ток в металлах обусловлен упорядоченным движением свободных электронов. Если внутри металла нет электрического тока, то электроны проводимости совершают беспорядочное движение (тепловое): в каждый момент времени они имеют неодинаковые скорости и различные направления. Суммарный заряд, проходящий через любую площадку внутри металла, в отсутствие внешнего поля равен нулю. Если к концам проводника присоединить разность потенциалов, т.е. создать внутри проводника поле напряженностью Э, то на каждый электрон будет действовать сила, направленная противоположно полю. В результате возникает электрический ток. На основании представлений об электрическом газе легко объясняется большая теплопроводимость металлов. В самом деле, свободные электроны, участвуя в тепловом движении и обладая большой подвижностью, будут способствовать выравниванию различий в температуре тела. В металлах концентрация электронов проводимости почти не зависит от температуры. Существует группа материалов, в которых электрический ток также обусловлен перемещением свободных электронов, однако концентрация этих электронов зависит от температуры: удельное сопротивление таких материалов при понижении температуры сильно возрастает, а при повышении температуры – значительно уменьшается. Такие материалы являются электронными проводниками. К полупроводником относятся: кремний, германий, селен и многие соединения металлов с серой, селеном, теллуром, а также некоторые органические соединения. В полупроводниках, как и в металлах, при прохождении тока не происходит никаких химических изменений. Это свидетельствует о том, что ионы не принимают участия в перенесении зарядов. Для того чтобы увеличить концентрацию свободных электронов в полупроводниках, необходимо затратить некоторую энергию для отрыва связанных электронов. Её называют энергией ионизации. При повышении температуры увеличивается количество электронов с тепловой энергией, превышающей, т.е. растёт доля свободных электронов. Справочник для школьника. Физика. Стр. 239 Словарь юного физика. Стр. 241-242
5.Сверхпроводники.
Нидерландский ученый Г. Камерлинг-Оннес в 1911 году, исследуя электропроводимость ртути при очень низких температурах, обнаружил явление сверхпроводимости. Оно состоит в том, что вблизи абсолютного нуля температура сопротивления ртути, свинца, цинка, алюминия и некоторых других чистых металлов и сплавов скачком уменьшается до нуля. Ток, возникший в замкнутом сверхпроводящем кольце, не исчезает в течение многих часов. Однако в сильных магнитных полях сверхпроводимость разрушается. При переходе в сверхпроводящее состояние основные механические и оптические свойства, а также коэффициент теплового расширения не изменяются. Словарь юного физика. Стр. 241
6.Электрический разряд в газах.
Все газы в естественном состоянии не проводят электрического тока. В чем можно убедиться из следующего опыта: Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается – положение стрелки электрометра не изменяется. Чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Данный опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока. Видоизменим опыт: нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки. Тогда угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т.е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора – конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником, и в нем устанавливается электрический ток. Изолирующие свойства газов объясняются тем, что в них нет свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными. Ионизация газов. Вышеописанный опыт показывает, что в газах под влиянием высокой температуры появляются заряженные частицы. Они возникают вследствие отщепления от атомов газа одного или нескольких электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов. Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, ?-, ?- и ?-лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени. Ионизация атома требует затраты определенной энергии – энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации Ai. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле. После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течением времени уменьшается и в конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они могут воссоединиться в нейтральный атом. Точно также при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов. При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Этот процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны (об этом будет рассмотрено позднее). Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах. Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.
Несамостоятельный газовый разряд. Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.
Самостоятельный газовый разряд. Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа. Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать. Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда.
Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны. Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов. При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии. Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применение. В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда. Рассмотрим несколько из них.
Тлеющий разряд. Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше. Если рассмотреть трубку с тлеющим разрядом, то можно увидеть, что основными частями тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом. Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Характерной особенностью этого типа разряда является резкое падение потенциала вблизи катода, которое связано с большой концентрацией положительных ионов на границе I и II областей, обусловленной сравнительно малой скоростью движения ионов у катоду. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией ионов и электронов. Протяженность катодного темного пространства определяется свойствами газа и материала катода. В области положительного столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, что обуславливает большую электропроводность положительного столба и незначительное падение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В ряде случаев положительный столб распадается на отдельные светящиеся участки – страты, разделенные темными промежутками. Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда, поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается и он может исчезнуть совсем. Иначе обстоит дело с длиной катодного темного пространства, которая при сближении электродов не изменяется. Если электроды сблизились настолько, что расстояние между ними станет меньше длины катодного темного пространства, то тлеющий разряд в газе прекратится. Опыты показывают, что при прочих равных условиях длина d катодного темного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные, или катодные лучи. Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков. Если в катоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами. Широко используется явление катодного распыления, т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку. Таким способом изготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновые фотоэлементы. Коронный разряд. Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения). При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходят лишь вблизи коронирующих электродов. В случае коронирования катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода при бомбардировке его положительными ионами. Если коронируют анод (положительная корона), то рождение электронов происходит вследствие фотоионизации газа вблизи анода. Корона – вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Для уменьшения коронирования увеличивают радиус кривизны проводников, а их поверхность делают возможно более гладкой. При достаточно высоком напряжении между электродами коронный разряд переходит в искровой. При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает вид исходящих из острия и перемежающихся во времени светлых линий. Эти линии, имеющие ряд изломов и изгибов, образуют подобие кисти, вследствие чего такой разряд называют кистевым. Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время грозы нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма. Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками. С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.
Искровой разряд. Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных разветвляющихся нитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясь новыми. Исследования показали, что каналы искрового разряда начинают расти иногда от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и от какой-нибудь точки между электродами. Это объясняется тем, что ионизация ударом в случае искрового разряда происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам, проходящим в тех местах, в которых концентрация ионов случайно оказалась наибольшей. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом. Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 107?108 Па, и повышению температуры до 10000 ?С. Характерным примером искрового разряда является молния. Главный канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см., а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер. При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла. Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях). Если вблизи линии проходит сильный кратковременный ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжении и токи, которые могут разрушить электрическую установку и опасны для жизни людей. Во избежание этого используются специальные предохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых присоединен к линии, а другой заземлен. Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и обрывается. Наконец, электрическая искра применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на них подается измеряемая разность потенциалов. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт. Дуговой разряд. Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 году. Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт). Основной причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало. Если уменьшить сопротивление внешней цепи, увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка столь сильно возрастет, что напряжение между электродами уменьшается. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающую вольт - амперную характеристику. При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 ?C. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление (кратер) и нагревают его. Температура кратера около 4000 ?С, а при больших давлениях воздуха достигает 6000-7000 ?С. Температура газа в канале дугового разряда достигает 5000-6000 ?С, поэтому в нем происходит интенсивная термоионизация. В ряде случаев дуговой разряд наблюдается и при сравнительно низкой температуре катода (например, в ртутной дуговой лампе). В 1876 году П. Н. Яблочков впервые использовал электрическую дугу как источник света. В «свече Яблочкова» угли были расположены параллельно и разделены изогнутой прослойкой, а их концы соединены проводящим «запальным мостиком». Когда ток включался, запальный мостик сгорал и между углями образовывалась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойка испарялась. Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, окиси азота и т.д. В 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла. Дуговой разряд нашел применение в ртутном выпрямителе, преобразующем переменный электрический ток в ток постоянного направления. Плазма. Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой. Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степенью ионизации плазмы ? называют отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную (? составляет доли процентов), частично ионизованную (? порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную (? близка к 100%). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы – ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака – это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре. Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут значительно отличаться одна от другой. Поэтому плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т; различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Т? (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы. Плазма также разделяется на высокотемпературную и низкотемпературную!!! Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза. Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества. Из-за большой подвижности заряженный частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю. В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленные убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам. Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света – в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах – квантовых источниках света. Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах. Недавно был создан новый прибор – плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д. Курс физики «электричество и магнетизм» Стр. 264-285 Метод. пособие по физики. 7.Литература:
а) Курс физики. Л. С. Жданов, В. А. Маранджян б) Электричество и Человек. В. Е. Манойлов 1988 г. в) Методическое пособие по физике. г) Курс физики «электричество и магнетизм» д) Словарь юного физика. 1994 г. е) Электричество С. Г. Калашников. 1977 г. ж) Лекции по эл. свойствам материалов. 1991 г. з) Справочник для школьника. Физика. и) Энциклопедия для детей. Физика.
12
12
www.ronl.ru
Предисловие. Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени? Слово «ток» означает движение или течение чего-то. Электричес-ким током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в провод-нике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электричес-кий ток в проводнике существовал длительное время, необходи-мо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Элек-трическое поле в проводниках создается и может длительное вре-мя поддерживаться источниками электрического тока. В настоя-щее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводнико-вый(солнечные батареи), но во всяком из них совершается рабо-та по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источни-ка тока, - так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то под действием поля свободные заря-женные частицы в проводнике будут двигаться, возникнет электрический ток. Электрический ток. Источники электрического тока. До 1650 года - времени, когда в Европе пробудился боль-шой интерес к электричеству, - не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов. Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с неменьшим успехом мог бы пос-лужить его целям. Затем Герике укрепил серный шар так, как показано на рис.1, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой - прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потен-циал шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров. Эта машина оказала боль- шую помощь в эксперименталь- ном изучении электричества, но еще более трудные задачи «хра- нения» и «запасания» электри- ческих зарядов удалось решить лишь благодаря последующему прогрессу физики. Дело в том, что мощные заряды, которые можно было создавать на телах с помощью электростатической машины Герике, быстро исчезали. Вначале думали, что причиной этого является «испарение» зарядов. Для предотвращения «испарения» зарядов было предложено заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изолирующего материала. Естественно, в качестве таких сосудов были выбраны стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала - вода, поскольку ее было легко наливать в бутылки. Чтобы можно было зарядить воду, не открывая бутылку, сквозь пробку был пропущен гвоздь. Замысел был хорош, но по причинам, в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно. В результате интенсивных экспериментов вскоре же было открыто, что запасенный заряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить, если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкими листами фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего проводника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись без воды. Это новое «хранилище» электричества было изобретено в 1745 году в голландском городе Лейдене и получило название лейденской банки (рис.2 ). Первый кто открыл иную возможность полу-чения электричества, не-жели с помощью электри-зации трением, был италь-янский ученый Луиджи Гальвани (1737-1798). Он был по специальности биолог, но работал в лаборатории, где прово-дились опыты с электричеством. Гальвани нблю-дал явление, которое было известно многим еще до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электрической машины, то начинала сокращаться вся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скаль-пелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения при-чины электрического тока. Один из экспериментов был поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток - только в тканях тела лягушки, только разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения. Другой итальянский ученый Алессандро Вольта(1745-1827) окончательно доказал, что если поместить лягушачьи лапки в водные растворы некоторых веществ, то в тканях лягушки гальванический ток не возникает. В частности, это имело место для ключевой или вообще чистой воды; этот ток появляется при добавлении к воде кислот, солей или щелочей. По-видимому, наибольший ток возникал в комбинации меди и цинка, помещенных в разбавленный раствор серной кислоты. Комбинация двух пластин из разнородных металлов, погруженных в водный раствор щелочи, кислоты или соли, называется гальваническим (или химическим) элементом. Если бы средствами для получения электродвижущей силы служили только трение и химические процессы в гальванических элементах, то стоимость электрической энергии, необходимой для работы различных машин, была бы исключительно высокой. В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию. В начале 19 века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле. Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадей сделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Наведённая ЭДС меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Когда проводник пересекает 100000000 силовых линий за 1 сек, наведённая ЭДС равна 1 Вольту. Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока, и активно используется человечеством в настоящее время. Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота. Солнце представляет собой удалённый от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерный реактор, излучающий энергию, которая поступает на Землю главным образом в виде электромагнитного излучения. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной части спектра. Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на землю солнечной энергии, т.е. 1,62 *10 16 киловатт\часов в год, что эквивалентно огромному количеству условного топлива - 2 *10 12 т. Усилия конструкторов идут по пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотопреобразователи, называемые также солнечными батареями, состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Если преобразователь должен заряжать аккумулятор, питающий, например, радиоустройство в облачное время, то его подключают параллельно к выводам солнечной батареи ( рис. 3). Элементы применяемые в солнечных батареях, должны обладать большим КПД, выгодной спектральной характеристикой, малой стоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. К сожалению, только немногие из известных на сегодня фотоэлементов отвечают хотя бы частично этим требованиям. Это прежде всего некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов. Простейший из них - селеновый. К сожалению, КПД лучших селеновых фотоэлементов мал(0,1...1 %). Основой солнечных батарей являются кремниевые фото-преобразователи, имеющие вид круглых или прямоуголь-ных пластин толщиной 0,7 - 1 мм и площадью до 5 - 8 кв.см. Опыт показал, что хорошие результаты дают небольшие элементы, площадью около 1 кв. см., имеющие КПД около 10 %. Созданы также фотоэлементы из полупро- водниковых металлов с теоретическим КПД 18 %. Кстати, практический КПД фотоэлектрических преобразователей ( около 10 %) превышает КПД паровоза ( 8 %), коэффициент полезного использования солнечной энергии в растительном мире (1 %), а также КПД многих гидротехнических и ветровых устройств. Фотоэлектрические преобразователи имеют практически неограниченную долговечность. Для сравнения можно привести значения КПД различных источников электрической энергии ( в процентах) : теплоэлектроцентраль - 20-30, термоэлектрический преобра-зователь - 6 - 8, селеновый фотоэлемент - 0,1 - 1, солнечная бата-рея - 6 - 11, топливный элемент - 70, свинцовый аккумулятор - 80 - 90. В 1989 г. фирмой Боинг (США) создан двухслойный фотоэлемент, состоящий из двух полупроводников - арсенида и антимонида галлия - с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций. Недавно удалось доказать, что фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии теоретически позволяет использовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93 %! А ведь первоначально считалось, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляет не более 26 %, т.е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин. Солнечные батареи пока используются в основном в кос-мосе, а на Земле только для электроснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.
www.ronl.ru
На сегодняшней встрече мы поведем разговор об электричестве, которое стало неотъемлемой частью современной цивилизации. Электроэнергетика вторглась во все сферы нашей жизни. А присутствие в каждом доме бытовых приборов, использующих электрический ток настолько естественная и неотъемлемая часть быта, что мы принимаем это как должное.
Итак, вниманию наших читателей предлагаются основные сведения об электрическом токе.
Под электрическим током понимают направленное движение заряженных частиц. Вещества, содержащие достаточное количество свободных зарядов, называют проводниками. А совокупность всех устройств, соединенных между собой помощью проводов называют электрической цепью.
В повседневной жизни мы используем электричество, проходящее по металлическим проводникам. Носителями заряда в них являются свободные электроны.
Обычно они хаотично мечутся между атомами, но электрическое поле вынуждает их двигаться в определенном направлении.
Поток электронов в цепи можно сравнить с потоком воды, ниспадающей с высокого уровня на низкий. Роль уровня в электрических цепях играет потенциал.
Для Протекания тока в цепи на её концах должна поддерживаться постоянная разность потенциалов, т.е. напряжение.
Его принято обозначать буквой U и измерять в вольтах (B).
Благодаря приложенному напряжению в цепи устанавливается электрическое поле, которое и придаёт электронам направленное движение. Чем больше напряжение, тем сильнее электрическое поле, а значит и интенсивность потока направленно движущихся электронов.
Скорость распространения электрического тока равна скорости установления в цепи электрического поля, т. е. 300 000 км/с, однако скорость электронов едва достигает лишь нескольких мм в секунду.
Принято считать, что ток течёт от точки с большим потенциалом, т. е. от (+) к точке с меньшим потенциалом, т. е. к (−). Напряжение в цепи поддерживается источником тока, например батарейкой. Знак (+) на её конце означает, недостаток электронов, знак (−) их избыток, поскольку электроны — носители именно отрицательного заряда. Как только цепь с источником тока становиться замкнутой, электроны устремляются от места, где их избыток, к положительному полюсу источника тока. Их путь пролегает через провода, потребители, измерительные приборы и другие элементы цепи.
Обратите внимание, направление тока противоположно направлению движения электронов.
Просто направление тока по договоренности учёных определили до того как была установлена природа тока в металлах.
Сила тока. Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 сек, называют силой тока. Для её обозначения используют букву I, измеряют в амперах (A).
Сопротивление. Следующая величина, о которой необходимо знать — это сопротивление. Оно возникает из-за столкновений направленно движущихся электронов с ионами кристаллической решетки. В результате таких столкновений электроны передают ионам часть своей кинетической энергии. В результате чего проводник нагревается, а сила тока уменьшается. Сопротивление обозначается буквой R и измеряется в омах (Ом).
Сопротивление металлического проводника тем больше, чем длиннее проводник и меньше площадь его поперечного сечения. При одинаковой длине и диаметре провода наименьшим сопротивлением обладают проводники из серебра, меди, золота и алюминия. По вполне понятным причинам на практике используют провода из алюминия и меди.
Мощность. Выполняя расчёты для электрических цепей, иногда требуется определить потребляемую мощность (P).
Для этого следует силу тока, протекающую по цепи умножить на напряжение.
P=IU
Единицей измерения мощности служит ватт (Вт).
Ток, даваемый разнообразными батарейками и аккумуляторами, является постоянным. Это означает, что силу тока в такой цепи можно изменять лишь по величине, меняя различными способами её сопротивление, а его направление при этом сохраняется неизменным.
Но большинство электробытовых приборов потребляют переменный ток, т. е. ток величина и направление которого непрерывно изменяются по определенному закону.
Он вырабатывается на электростанциях, а затем через линии высоковольтных передач попадает в наши дома и на предприятия.
В большинстве стран частота изменения направления тока равна 50 Гц, т. е происходит 50 раз в секунду. При этом каждый раз сила тока постепенно нарастает, достигает максимума, затем убывает до 0. Затем этот процесс повторяется, но уже при противоположном направлении тока.
В США все приборы работают на частоте 60 Гц. Интересная ситуация сложилась в Японии. Там на одной трети страны используют переменный ток с частотой в 60 Гц, а на остальной части — 50 Гц.
Поражения электрическим током можно получить при использовании электробытовых приборов и от ударов молнии, поскольку человеческий организм хороший проводник тока. Нередко электротравмы получают, наступив на лежащий на земле провод или отодвинув руками отвисшие электрические провода.
Напряжение свыше 36 В считается опасным для человека. Если через тело человека пройдет ток всего лишь в 0,05 А, он может вызвать непроизвольное сокращение мышц, которое не позволит человеку самостоятельно оторваться от источника поражения. Ток в 0,1 А смертелен.
Ещё опаснее переменный ток, поскольку оказывает более сильное воздействие на человека. Этот наш друг и помощник в ряде случаев превращается в беспощадного врага, вызывая нарушение дыхания и работу сердца, вплоть до его полной остановки. Он оставляет страшные метки на теле в виде сильнейших ожогов.
Как помочь пострадавшему? Прежде всего, отключить источник поражения. А затем уже позаботиться об оказании первой медицинской помощи.
Наше знакомство с электричеством подходит к концу. Добавим лишь несколько слов о морских обитателях, обладающих «электрическим оружием». Это некоторые виды рыб, морской угорь и скат. Самым опасным из них является морской угорь.
Не стоит подплывать к нему на расстояние менее 3 метров. Удар его не смертелен, но сознание можно потерять.
Автор: Драчёва Светлана Семёновна
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:Вы можете оставить комментарий к докладу.
www.doklad-na-temu.ru
Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени? Слово «ток» означает движение или течение чего-то. Электричес-ким током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в провод-нике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электричес-кий ток в проводнике существовал длительное время, необходи-мо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Элек-трическое поле в проводниках создается и может длительное вре-мя поддерживаться источниками электрического тока. В настоя-щее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводнико-вый(солнечные батареи), но во всяком из них совершается рабо-та по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источни-ка тока, - так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то под действием поля свободные заря-женные частицы в проводнике будут двигаться, возникнет электрический ток.
Электрический ток. Источники электрического тока.
До 1650 года - времени, когда в Европе пробудился боль-шой интерес к электричеству, - не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов. Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с неменьшим успехом мог бы пос-лужить его целям. Затем Герике укрепил серный шар так, как показано на рис.1, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой - прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потен-циал шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.
Эта машина оказала боль- шую помощь в эксперименталь- ном изучении электричества, но еще более трудные задачи «хра- нения» и «запасания» электри- ческих зарядов удалось решить лишь благодаря последующему прогрессу физики. Дело в том, что мощные заряды, которые можно было создавать на телах с помощью электростатической машины Герике, быстро исчезали. Вначале думали, что причиной этого является «испарение» зарядов. Для предотвращения
«испарения» зарядов было предложено заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изолирующего материала. Естественно, в качестве таких сосудов были выбраны стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала - вода, поскольку ее было легко наливать в бутылки. Чтобы можно было зарядить воду, не открывая бутылку, сквозь пробку был пропущен гвоздь. Замысел был хорош, но по причинам, в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно. В результате интенсивных экспериментов вскоре же было открыто, что запасенный заряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить, если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкими листами фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего проводника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись без воды. Это новое «хранилище» электричества было изобретено в 1745 году в голландском городе Лейдене и получило название лейденской банки (рис.2 ).
Первый кто открыл иную возможность полу-чения электричества, не-жели с помощью электри-зации трением, был италь-янский ученый Луиджи Гальвани (1737-1798). Он был по специальности биолог, но работал в лаборатории, где прово-дились опыты с электричеством. Гальвани нблю-дал явление, которое было известно многим еще до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электрической машины, то начинала сокращаться вся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скаль-пелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения при-чины электрического тока. Один из экспериментов был поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток - только в тканях тела лягушки, только разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения.
Другой итальянский ученый Алессандро Вольта(1745-1827) окончательно доказал, что если поместить лягушачьи лапки в водные растворы некоторых веществ, то в тканях лягушки гальванический ток не возникает. В частности, это имело место для ключевой или вообще чистой воды; этот ток появляется при добавлении к воде кислот, солей или щелочей. По-видимому, наибольший ток возникал в комбинации меди и цинка, помещенных в разбавленный раствор серной кислоты. Комбинация двух пластин из разнородных металлов, погруженных в водный раствор щелочи, кислоты или соли, называется гальваническим (или химическим) элементом.
Если бы средствами для получения электродвижущей силы служили только трение и химические процессы в гальванических элементах, то стоимость электрической энергии, необходимой для работы различных машин, была бы исключительно высокой. В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.
В начале 19 века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле. Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадей сделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Наведённая ЭДС меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Когда проводник пересекает 100000000 силовых линий за 1 сек, наведённая ЭДС равна 1 Вольту. Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока, и активно используется человечеством в настоящее время. Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота.
Солнце представляет собой удалённый от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерный реактор, излучающий энергию, которая поступает на Землю главным образом в виде электромагнитного излучения. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной части спектра. Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на землю солнечной энергии, т.е. 1,62 *10 16 киловатт\часов в год, что эквивалентно огромному количеству условного топлива - 2 *10 12 т. Усилия конструкторов идут по пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотопреобразователи, называемые также солнечными батареями, состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Если преобразователь должен заряжать аккумулятор, питающий, например, радиоустройство в облачное время, то его подключают параллельно к выводам солнечной батареи ( рис. 3). Элементы применяемые в солнечных батареях, должны обладать большим КПД, выгодной спектральной характеристикой, малой стоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. К сожалению, только немногие из известных на сегодня фотоэлементов отвечают хотя бы частично этим требованиям. Это прежде всего некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов. Простейший из них - селеновый. К сожалению, КПД лучших селеновых фотоэлементов мал(0,1...1 %).
Основой солнечных батарей являются кремниевые фото-преобразователи, имеющие вид круглых или прямоуголь-ных пластин толщиной 0,7 - 1 мм и площадью до 5 - 8 кв.см. Опыт показал, что хорошие результаты дают небольшие элементы, площадью около 1 кв. см., имеющие КПД около 10 %. Созданы также фотоэлементы из полупро- водниковых металлов с теоретическим КПД 18 %. Кстати, практический КПД фотоэлектрических преобразователей ( около 10 %) превышает КПД паровоза ( 8 %), коэффициент полезного использования солнечной энергии в растительном мире (1 %), а также КПД многих гидротехнических и ветровых устройств. Фотоэлектрические преобразователи имеют практически неограниченную долговечность. Для сравнения можно привести значения КПД различных источников электрической энергии ( в процентах) : теплоэлектроцентраль - 20-30, термоэлектрический преобра-зователь - 6 - 8, селеновый фотоэлемент - 0,1 - 1, солнечная бата-рея - 6 - 11, топливный элемент - 70, свинцовый аккумулятор - 80 - 90.
В 1989 г. фирмой Боинг (США) создан двухслойный фотоэлемент, состоящий из двух полупроводников - арсенида и антимонида галлия - с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций. Недавно удалось доказать, что фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии теоретически позволяет использовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93 %! А ведь первоначально считалось, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляет не более 26 %, т.е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин.
Солнечные батареи пока используются в основном в кос-мосе, а на Земле только для электроснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.
1
www.ronl.ru
Предисловие.
Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени?
Слово «ток» означает движение или течение чего-то. Электричес-ким током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в провод-нике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электричес-кий ток в проводнике существовал длительное время, необходи-мо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Элек-трическое поле в проводниках создается и может длительное вре-мя поддерживаться источниками электрического тока . В настоя-щее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводнико-вый(солнечные батареи), но во всяком из них совершается рабо-та по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источни-ка тока, — так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой — отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то под действием поля свободные заря-женные частицы в проводнике будут двигаться, возникнет электрический ток.
Электрический ток.
Источники электрического тока.
До 1650 года — времени, когда в Европе пробудился боль-шой интерес к электричеству, — не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов.
Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с неменьшим успехом мог бы пос-лужить его целям. Затем Герике укрепил серный шар так, как показано на рис.1, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой — прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потен-циал шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.
Эта машина оказала боль-
шую помощь в эксперименталь-
ном изучении электричества, но
еще более трудные задачи «хра-
нения» и «запасания» электри-
ческих зарядов удалось решить
лишь благодаря последующему
прогрессу физики. Дело в том, что мощные заряды, которые
можно было создавать на телах с помощью электростатической
машины Герике, быстро исчезали. Вначале думали, что причиной этого является «испарение» зарядов. Для предотвращения
«испарения» зарядов было предложено заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изолирующего материала. Естественно, в качестве таких сосудов были выбраны стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала — вода, поскольку ее было легко наливать в бутылки. Чтобы можно было зарядить воду, не открывая бутылку, сквозь пробку был пропущен гвоздь. Замысел был хорош, но по причинам, в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно. В результате интенсивных экспериментов вскоре же было открыто, что запасенный заряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить, если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкими листами фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего проводника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись без воды. Это новое «хранилище» электричества было изобретено в 1745 году в голландском городе Лейдене и получило название лейденской банки (рис.2 ).
Первый кто открыл иную возможность полу-чения электричества, не-жели с помощью электри-зации трением, был италь-янский ученый Луиджи Гальвани (1737-1798). Он был по специальности биолог, но работал в лаборатории, где прово-дились опыты с электричеством. Гальвани нблю-дал явление, которое было известно многим еще до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электрической машины, то начинала сокращаться вся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скаль-пелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения при-чины электрического тока. Один из экспериментов был поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток — только в тканях тела лягушки, только разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения.
Другой итальянский ученый Алессандро Вольта(1745-1827) окончательно доказал, что если поместить лягушачьи лапки в водные растворы некоторых веществ, то в тканях лягушки гальванический ток не возникает. В частности, это имело место для ключевой или вообще чистой воды; этот ток появляется при добавлении к воде кислот, солей или щелочей. По-видимому, наибольший ток возникал в комбинации меди и цинка, помещенных в разбавленный раствор серной кислоты. Комбинация двух пластин из разнородных металлов, погруженных в водный раствор щелочи, кислоты или соли, называется гальваническим (или химическим) элементом.
Если бы средствами для получения электродвижущей силы служили только трение и химические процессы в гальванических элементах, то стоимость электрической энергии, необходимой для работы различных машин, была бы исключительно высокой. В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.
В начале 19 века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле. Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадей сделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Наведённая ЭДС меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Когда проводник пересекает 100000000 силовых линий за 1 сек, наведённая ЭДС равна 1 Вольту. Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока, и активно используется человечеством в настоящее время. Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота.
Солнце представляет собой удалённый от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерный реактор, излучающий энергию, которая поступает на Землю главным образом в виде электромагнитного излучения. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной части спектра. Солнечная радиация — это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на землю солнечной энергии, т.е. 1,62 *10 16 киловатт\часов в год, что эквивалентно огромному количеству условного топлива — 2 *10 12 т.
Усилия конструкторов идут по пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотопреобразователи, называемые также солнечными батареями, состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Если преобразователь должен заряжать аккумулятор, питающий, например, радиоустройство в облачное время, то его подключают параллельно к выводам солнечной батареи ( рис. 3). Элементы применяемые в солнечных батареях, должны обладать большим КПД, выгодной спектральной характеристикой, малой стоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. К сожалению, только немногие из известных на сегодня фотоэлементов отвечают хотя бы частично этим требованиям. Это прежде всего некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов. Простейший из них — селеновый. К сожалению, КПД лучших селеновых фотоэлементов мал(0,1...1 %).
Основой солнечных батарей являются кремниевые фото-преобразователи, имеющие вид круглых или прямоуголь-ных пластин толщиной 0,7 — 1 мм и площадью до 5 — 8 кв.см. Опыт показал, что хорошие результаты дают небольшие элементы, площадью около 1 кв. см., имеющие КПД около 10 %. Созданы также фотоэлементы из полупро- водниковых металлов с теоретическим КПД 18 %. Кстати, практический КПД фотоэлектрических преобразователей ( около 10 %) превышает КПД паровоза ( 8 %), коэффициент полезного использования солнечной энергии в растительном мире (1 %), а также КПД многих гидротехнических и ветровых устройств. Фотоэлектрические преобразователи имеют практически неограниченную долговечность. Для сравнения можно привести значения КПД различных источников электрической энергии ( в процентах): теплоэлектроцентраль — 20-30, термоэлектрический преобра-зователь — 6 — 8, селеновый фотоэлемент — 0,1 — 1, солнечная бата-рея — 6 — 11, топливный элемент — 70, свинцовый аккумулятор — 80 — 90.
В 1989 г. фирмой Боинг (США) создан двухслойный фотоэлемент, состоящий из двух полупроводников — арсенида и антимонида галлия — с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций. Недавно удалось доказать, что фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии теоретически позволяет использовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93 %! А ведь первоначально считалось, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляет не более 26 %, т.е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин.
Солнечные батареи пока используются в основном в кос-мосе, а на Земле только для электроснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной
и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.
www.ronl.ru
Предисловие.
Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени?
Слово «ток» означает движение или течение чего-то. Электричес-ким током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в провод-нике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электричес-кий ток в проводнике существовал длительное время, необходи-мо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Элек-трическое поле в проводниках создается и может длительное вре-мя поддерживатьсяисточниками электрического тока. В настоя-щее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводнико-вый(солнечные батареи), но во всяком из них совершается рабо-та по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источни-ка тока, - так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно.Если полюсы соединить проводником, то под действием поля свободные заря-женные частицы в проводнике будут двигаться, возникнет электрический ток.
Электрический ток.
Источники электрического тока.
До 1650 года - времени, когда в Европе пробудился боль-шой интерес к электричеству, - не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов.
Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с неменьшим успехом мог бы пос-лужить его целям. Затем Герике укрепил серный шар так, как показано на рис.1, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой - прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потен-циал шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.
Эта машина оказала боль-
шую помощь в эксперименталь-
ном изучении электричества, но
еще более трудные задачи «хра-
нения» и «запасания» электри-
ческих зарядов удалось решить
лишь благодаря последующему
прогрессу физики. Дело в том , что мощные заряды, которые
можно было создавать на телах с помощью электростатической
машины Герике, быстро исчезали. Вначале думали, что причиной этого является «испарение» зарядов. Для предотвращения
«испарения» зарядов было предложено заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изолирующего материала. Естественно, в качестве таких сосудов были выбраны стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала - вода, поскольку ее было легко наливать в бутылки. Чтобы можно было зарядить воду , не открывая бутылку, сквозь пробку был пропущен гвоздь. Замысел был хорош, но по причинам , в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно. В результате интенсивных экспериментов вскоре же было открыто, что запасенный заряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить , если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкими листами фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего проводника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись без воды. Это новое «хранилище» электричества было изобретено в 1745 году в голландском городе Лейдене и получило название лейденской банки (рис.2 ).
Первый кто открыл иную возможность полу-чения электричества, не-жели с помощью электри-зации трением, был италь-янский ученый Луиджи Гальвани (1737-1798). Он был по специальности биолог, но работал в лаборатории, где прово-дились опыты с электричеством. Гальвани нблю-дал явление, которое было известно многим еще до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электрической машины, то начинала сокращаться вся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то , что между электрической машиной и скаль-пелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения при-чины электрического тока. Один из экспериментов был поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток - только в тканях тела лягушки, только разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению , что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения.
Другой итальянский ученый Алессандро Вольта(1745-1827) окончательно доказал, что если поместить лягушачьи лапки в водные растворы некоторых веществ, то в тканях лягушки гальванический ток не возникает. В частности, это имело место для ключевой или вообще чистой воды; этот ток появляется при добавлении к воде кислот, солей или щелочей. По-видимому, наибольший ток возникал в комбинации меди и цинка, помещенных в разбавленный раствор серной кислоты. Комбинация двух пластин из разнородных металлов, погруженных в водный раствор щелочи, кислоты или соли, называется гальваническим (или химическим) элементом.
Если бы средствами для получения электродвижущей силы служили только трение и химические процессы в гальванических элементах, то стоимость электрической энергии, необходимой для работы различных машин, была бы исключительно высокой. В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.
В начале 19 века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле. Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадей сделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Наведённая ЭДС меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Когда проводник пересекает 100000000 силовых линий за 1 сек, наведённая ЭДС равна 1 Вольту. Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока, и активно используется человечеством в настоящее время.Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота.
Солнце представляет собой удалённый от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерный реактор, излучающий энергию, которая поступает на Землю главным образом в виде электромагнитного излучения. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной части спектра. Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на землю солнечной энергии, т.е. 1,62 *1016киловатт\часов в год, что эквивалентно огромному количеству условного топлива - 2 *1012т.
Усилия конструкторов идут по пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотопреобразователи, называемые также солнечными батареями, состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Если преобразователь должен заряжать аккумулятор, питающий, например, радиоустройство в облачное время, то его подключают параллельно к выводам солнечной батареи ( рис. 3). Элементы применяемые в солнечных батареях, должны обладать большим КПД, выгодной спектральной характеристикой, малой стоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. К сожалению, только немногие из известных на сегодня фотоэлементов отвечают хотя бы частично этим требованиям. Это прежде всего некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов. Простейший из них - селеновый. К сожалению, КПД лучших селеновых фотоэлементов мал(0,1...1 %).
Основой солнечных батарей являются кремниевые фото-преобразователи, имеющие вид круглых или прямоуголь-ных пластин толщиной 0,7 - 1 мм и площадью до 5 - 8 кв.см. Опыт показал, что хорошие результаты дают небольшие элементы, площадью около 1 кв. см., имеющие КПД около 10 %. Созданы также фотоэлементы из полупро- водниковых металлов с теоретическим КПД 18 %. Кстати, практический КПД фотоэлектрических преобразователей ( около 10 %) превышает КПД паровоза ( 8 %), коэффициент полезного использования солнечной энергии в растительном мире (1 %), а также КПД многих гидротехнических и ветровых устройств. Фотоэлектрические преобразователи имеют практически неограниченную долговечность. Для сравнения можно привести значения КПД различных источников электрической энергии ( в процентах) : теплоэлектроцентраль - 20-30, термоэлектрический преобра-зователь - 6 - 8, селеновый фотоэлемент - 0,1 - 1, солнечная бата-рея - 6 - 11, топливный элемент - 70, свинцовый аккумулятор - 80 - 90.
В 1989 г. фирмой Боинг (США) создан двухслойный фотоэлемент, состоящий из двух полупроводников - арсенида и антимонида галлия - с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций. Недавно удалось доказать, что фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии теоретически позволяет использовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93 %! А ведь первоначально считалось, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляет не более 26 %, т.е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин.
Солнечные батареи пока используются в основном в кос-мосе, а на Земле только для электроснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной
и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения , т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.
superbotanik.net
