Речовини поділяються напровідники, діелектрики і напівпровідники.

Тема 8. Електричне поле. Закони постійного струму. Струм у різних середовищах

План

Електричний заряд і електричне поле

Закони постійного струму

Електричний струм у різних середовищах

Електродинаміка – це розділ фізики, в якому розглядаються властивості та закономірності електромагнітного поля, завдяки якому здійснюється взаємодія між електрично зарядженими тілами і частинками. Розділ електродинаміки, присвячений вивченню нерухомих електрично заряджених тіл, називають електростатикою.

Усі тіла складаються з атомів і молекул. До складу атомів входять протони, нейтрони та електрони. Електрони несуть негативний заряд, величину якого визначено e = -1,6·10^-19 Кл. Протони мають позитивний заряд 1,6·10^-19 Кл. Нейтрони мають заряд, що дорівнює 0. Електричні заряди є дискретними, тобто будь-який заряд більший від елементарного і чисельно дорівнює q = ± Ne (N = 1, 2, 3, … ).

Електричний заряд – скалярна фізична величина, що є кількісною мірою здатності частинок до електромагнітної взаємодії і вимірюється в кулонах (Кл). Використовують менші одиниці. Величину заряду електрона знайдено з дослідів Р. Міллікена (1909-1914 рр.).

Про наявність зарядів на тілах можна судити із притягання, відштовхування тіл, яким надано заряди. Заряд тіл вимірюють за допомогою електроскопів і електрометрів.

Здатність електричних зарядів як до взаємного притягання, так і до взаємного відштовхування пояснюється передбаченням про існування двох різних видів зарядів. Один вид електричного заряду називають позитивним, а другий – негативним. Тіла, що мають заряди однакового знака, відштовхуються, а тіла із зарядами різних знаків притягуються. Наприклад, ядро атома має позитивний заряд. Заряд електронів негативний, тому електрони в атомі притягуються до ядра.

За нормальних умов тіла є електронейтральними, тому що заряди всередині них взаємно скомпенсовані, рівномірно розподілені в об’ємі тіла. Якщо тіло містить більшу кількість заряджених частинок одного знака, ніж іншого, воно є зарядженим. Саме цей надлишковий заряд визначає собою електричні властивості тіла і його називають зарядом тіла. Надлишкова кількість електронів приводить до появи на тілі негативного заряду і навпаки. Багато тіл складається з атомів, в яких зовнішні електрони легко можуть бути втрачені або ці тіла легко приймають зайві електрони, а заряд їх ядер при цьому залишається незмінним. Якщо привести в контакт два таких тіла (наприклад, потерти), то електрони з одного тіла перейдуть до другого, тобто перше тіло зарядиться позитивно, а друге негативно. Поділ на негативні і позитивні заряди умовний.

Процес, що приводить до появи на тілах або різних частинах одного тіла надлишку електричного заряду, називають електризацією. Електризація може відбуватися під дією світла й інших взаємодій, однак внаслідок електризації завжди виконується закон збереження заряду: в ізольованій системі заряджених тіл алгебраїчна сума зарядів – величина стала: q₁ + q₂ + … + q_n = const або Σq_n = const.

Цей закон є фундаментальним законом, як і закон збереження імпульсу, енергії.

Закон взаємодії точкових заряджених тіл установив 1785 року французький вчений Ш. Кулон. Це основний закон електростатики. Закон Кулона формулюється так: два нерухомі точкові заряджені тіла взаємодіють із силою, прямо пропорційною добутку цих зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Сили взаємодії заряджених тіл чисельно рівні між собою і напрямлені вздовж прямої, що з’єднує ці тіла.

Взаємодія зарядів за законом Кулона є експериментально встановленим фактом. Однак математичний вираз закону взаємодії зарядів не розкриває фізичного змісту самого процесу взаємодії, не пояснює, яким чином відбувається дія заряду q₁ на заряд q₂.

Теорія близькодії, створена на основі дослідження англійського фізика М. Фарадея, пояснює взаємодію електричних зарядів тим, що навколо кожного електричного заряду існує електричне поле – особливий вид матерії, що існує незалежно від наших знань про нього і має енергію. Електричне поле неперервне в просторі і здатне діяти на інші електричні заряди.

Електричне поле нерухомих зарядів називають електростатичним. Воно не змінюється з часом. Це поле створюється тільки електричними зарядами. Воно існує в просторі, що оточує ці заряди, і нерозривно з ними пов’язане. Головна властивість електричного поля – здатність діяти на внесені в нього електричні заряди з деякою силою.

2.Напрямлений рух електричних зарядів називають електричним струмом. За напрям електричного струму вважають напрям руху позитивних зарядів.

Рухів частинок в провіднику безпосередньо не видно, але доказами цих рухів є такі явища:

1) під час проходження електричного струму провідник нагрівається (теплова дія струму);

2) електричний струм змінює хімічний склад провідника (хімічна дія);

3) струм спричиняє силову дію на сусідні струми і намагнічені тіла (магнітна дія).

Величина, що дорівнює заряду, перенесеному за одиницю часу, є основною кількісною характеристикою струму і називається силою струму (І).

У СІ [I] = A (Ампер), 1 А = Кл/с. Вимірюють силу струму амперметром.

Німецький фізик Георг Ом 1827 року помітив, що відношення напруги U між кінцями металевого провідника, що є ділянкою електричного кола, до сили струму І в колі – величина постійна: U/I = R = const.

Цю величину R називають електричним опором провідника. У СІ [R] = Ом. Електричний опір 1 Ом має така ділянка кола, на якій напруга дорівнює 1 В, якщо сила струму 1А: 1 Ом = 1 В / 1 А.

Опір – це основна електрична характеристика провідника. Він виражає міру протидії речовини провідника напрямленому рухові вільних заряджених частинок у ньому.

Експериментально встановлену залежність сили струму I від напруги U і електричного опору R частини кола називають законом Ома для ділянки кола: сила струму I прямо пропорційна напрузі U і обернено пропорційна електричному опору R однорідної ділянки кола:

І = UR

Речовини поділяються напровідники, діелектрики і напівпровідники.

До провідниківналежать речовини, які мають заряджені частинки, що здатні рухатись впорядковано по всьому об’єму тіла під дією електричного поля. Заряди цих частинок називають вільними зарядами. Провідниками є всі метали, деякі хімічні сполуки, водні розчини солей, кислот, лугів, розплави солей, іонізовані гази.

Діелектриками або ізоляторами називають такі тіла, через які електричні заряди не можуть переходити від зарядженого тіла до незарядженого. Ця властивість діелектриків зумовлена тим, що у них за певних умов немає вільних носіїв заряду. Якщо умови змінюються, наприклад, під час нагрівання, в діелектрику можуть виникнути вільні носії заряду і він почне проводити електрику. Отже, поділ речовин на провідники і діелектрики є умовним.

До діелектриків належать усі гази за нормальних умов, рідини (гас, спирти, ацетон, дистильована вода та ін.), тверді тіла (скло, пластмаси, сухе дерево, папір, гума тощо).

У діелектриках електричні заряди не можуть (так як і вільні заряди провідника) переміщуватися під дією електричного поля по всьому об’єму тіла.

У металахносіями електричного струму є вільні електрони. Якщо немає зовнішнього електричного поля, електрони провідності здійснюють хаотичний тепловий рух із середньою квадратичною швидкістю, що залежить від температури металу. Якщо до металу прикладено зовнішнє електричне поле, електрони провідності починають рухатися впорядковано (здійснюють дрейф), тобто в металевому провіднику виникає електричний струм. Отже, електрична провідність металів зумовлена напрямленим рухом вільних електронів (електронна провідність).

Рідини, як і тверді тіла, можуть бути діелектриками, провідниками і напівпровідниками. Діелектриком є також дистильована вода. До провідників належать розплави і розчини електролітів: кислот, лугів і солей. Рідкими напівпровідниками є розплавлений селен, розплави сульфідів та ін.

Електрична провідність водних розчинів електролітів (іонна провідність). Під час розчинення електролітів під впливом електричного поля полярних молекул води відбувається розпад молекул електролітів на іони. Цей процес називають електролітичною дисоціацією, в результаті якої нейтральні молекули розпадаються на позитивні та негативні іони. В електроліті з’являються вільні носії зарядів і він починає проводити струм. Оскільки заряд у водних розчинах чи розплавах електролітів переноситься іонами, то таку провідність називають іонною. За іонної провідності проходження струму пов’язано із перенесенням речовини. На електродах відбувається виділення речовин, які входять до складу електроліту. На аноді негативно заряджені частинки віддають свої зайві електрони (окиснювальна реакція), а на катоді позитивні іони отримують електрони (реакція відновлення). Процес виділення на електроді речовини, пов’язаний із окиснювально-відновлювальними реакціями, називають електролізом; його широко застосовують у техніці.

За звичайних умов гази майже повністю складаються із нейтральних атомів чи молекул, тому є діелектриками. Для того, щоб газ почав проводити електричний струм, його потрібно забезпечити вільними електричними зарядами. Для цього можна:

1) нагріти газ (з підвищенням температури теплові рухи молекул газу призведуть до втрати електронів молекулами, а отже, й утворення позитивно заряджених іонів. Деякі нейтральні молекули приймуть вільні електрони і стануть негативно зарядженими іонами, крім того, самі вільні електрони зможуть створити струм. Чим вища температура, тим більше вільних електронів.);

2) помістити в газ джерело радіоактивного випромінювання;

3) помістити в газ нагріту металеву нитку, з якої будуть випаровуватись вільні електрони, які і створять струм.

Отже, щоб газ проводив електричний струм, в нього треба помістити іонізатор. Завдяки іонізації в газі утворюються вільні носії електричного заряду - іони та електрони.

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом. Провідність газів зумовлена наявністю позитивних іонів та електронів. Розряд, який припиняється після припинення дії іонізатора, називають несамостійним.

Розряд називають самостійним, коли він існує без дії іонізаторів. У разі самостійного розряду іони й електрони утворюються за рахунок іонізації електронним ударом, термоелектронної емісії тощо.

Широкого застосування в радіотехніці набули напівпровідники, опір яких зменшується з підвищенням температури і значною мірою залежить від наявності домішок. Легко здійснюване керування провідністю напівпровідників дає змогу використовувати їх у напівпровідникових діодах і транзисторах – приладах для підсилення й генерації електричних коливань; в термо- і фоторезисторах – приладах для вимірювання температури, освітленості, перетворення світлової енергії в електричну, автоматичного керування процесами тощо.

Домашнє завдання

Вивчити матеріал лекції, підготувати реферати за запропонованими темами.

Питання для самоперевірки:

1. Що таке електричний заряд?

2. Як взаємодіють однойменні і різнойменні електричні заряди?

3. Який заряд називають елементарним? Яким є його значення?

4. У чому полягає явище електризації? Поясніть це явище з погляду електронної теорії.

5. Сформулюйте закон збереження електричного заряду.

6. Що визначає закон Кулона? Як формулюють закон Кулона для взаємодії зарядів у вакуумі?

7. Що таке електричне поле?

8. Назвіть головну властивість електричного поля.

9. Яке поле називають електростатичним?

10. Що називають електричним струмом? Який напрям струму беруть за додатний?

11. Що називають силою струму? Яка одиниця сили струму в СІ?

12. Як записують і формулюють закон Ома для ділянки кола?

13. Чим відрізняються провідники електричного струму і діелектрики?

14. Як протікає електричний струм у металах?

15. Що таке явище електролізу?

16. Що називають газовим розрядом? В чому відмінність самостійного і несамостійного газового розряду?

Теми рефератів

1. Явище електролізу

2. Електричний струм у газах

3. Напівпровідники