Лекция 3 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ Электрические

Лекция 3
ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Электрические свойства у разных материалов разные. В некоторых материалах имеются
свободные, не связанных силами взаимного притяжения носители электрических зарядов.
Такие материалы называются проводниками. Если в таком материале создать
электродвижущую силу, то под ее воздействием свободные заряды материала придут в
упорядоченное движение. В контуре из проводников под действием ЭДС создаётся сквозное
перемещение зарядов, такой ток называется током проводимости.
1) Проводниками являются все металлы – в них имеется большее или меньшее количество
электронов, поток которых образует электрический ток. Проводники с электронной
проводимостью называются проводниками первого рода.
2) Проводниками также являются электролиты – водные растворы кислот, солей и щелочей,
также расплавы многих солей. В них свободные заряды существуют в виде ионов – частиц
молекул с положительным или отрицательным зарядом. Электрический ток в электролитах
образуется потоком ионов – электропроводность имеет ионный характер, электролиты
являются проводниками второго рода.
3) Газы и пары могут стать проводниками (со смешанной – электронной и ионной –
проводимостью) только при определённых условиях, например, при определенной
напряжённости электрического поля, при нагреве и др. Электроны в этом случае срываются
со своих орбит и становятся свободными носителями электрических зарядов.
Наибольшее применение в электротехнике имеют твёрдые проводниковые материалы –
чистые металлы и их сплавы.
Основными электрическими характеристиками проводниковых материалов являются удельная
электрическая проводимость γ (См/м) или обратная ей величина – удельное сопротивление ρ
(Ом.м) и температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ или αρ.
Удельное сопротивление и удельная проводимость обратно пропорциональны друг другу:
1
ρ=
(Сименс/м) – твёрдые проводниковые материалы обладают высокой проводимостью

из-за большого количества свободных электронов. Электрический ток – это поток
(упорядоченное движение, в данном случае направленное) электронов. Величина (сила) тока
тем больше, чем больше плотность и скорость движения потока свободных электронов, то
есть чем больше электрическая проводимость. Направленно движущиеся электроны при
своём движении в проводнике сталкиваются с атомами материала, отдавая при этом часть
своей энергии этим атомам. Атомы в результате столкновения приобретают часть энергии,
которая необратимо превращается в тепловую энергию, то есть энергию теплового
движения. Сами электроны при этом теряют скорость направленного движения за счёт
усиления их хаотического теплового движения. Таким образом, проводник как бы
противится, сопротивляется движению электронов. Величина, характеризующая
сопротивление проводника протеканию тока, сопровождающееся необратимыми
превращениями электрической энергии в тепловую (иногда в другие формы), называется
омическим (на постоянном токе) или активным (на переменном токе) сопротивлением.
Разные проводниковые материалы оказывают разное сопротивление – при одном и том же
напряжении в них текут разные токи. Характеристикой электрических свойств
проводниковых материалов является их удельное электрическое сопротивление ρ –
сопротивление провода из данного материала длиной в 1 м сечением 1 мм2 при температуре
20 оС (данные можно найти в справочниках). Тогда сопротивление проводника можно найти
по формуле: R = (ρ . l) / S . Так как сопротивление измеряется в омах (Ом), то в системе СИ
удельное сопротивление измеряется в Омах, умноженных на метр: [ρ] = Ом.м , что является
слишком большой по величине единицей, поэтому в технике используется другая единица
мм 2
измерения – 1 Ом
= 10-6 Ом.м = 1 мкОм.м.
м
Кроме геометрических размеров (длины и поперечного сечения проводника), на удельное
сопротивление влияет температура. Чем больше температура проводника, тем сильнее
хаотическое движение электронов и атомов в узлах кристаллической решётки, тем больше
сопротивление
проводника.
Эта
зависимость
характеризуется
температурным
коэффициентом удельного сопротивления α:
ρt = ρ20 [1 + αρ (t – 20 оС)],
где αρ – температурный коэффициент удельного сопротивления.
Удельное сопротивление для металлов αρ > 0, то есть сопротивление металлов
увеличивается с ростом температуры; для растворов и угля αρ < 0, то есть сопротивление
растворов и угля уменьшается при понижении температуры. Но в тех довольно узких
границах температурного диапазона, в котором практически работают проводники, его
можно считать постоянным. ТКρ или αρ для многих чистых металлов приблизительно
составляет 0,004 1/ К или 0,004 1/ оС. Желательно, чтобы величина ТКρ/αρ не зависела от
температуры.
Ниже в таблицах приведены данные для некоторых металлов и сплавов.
ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Всякое движение электрических зарядов мы называем электрическим током. В металлах
могут свободно перемещаться только электроны. Поэтому электрический ток в металлах
есть движение электронов проводимости. В проводящих растворах нет свободных
электронов, а подвижными заряженными частицами являются ионы. В газах могут
существовать в подвижном состоянии и ионы, и электроны.
Направлением тока условились считать направление движения положительных частиц.
Поэтому направление тока в металлах противоположно направлению движения электронов.
Линии, вдоль которых движутся заряженные частицы, названы линиями тока. За
направление линий тока принимают направление движения положительных зарядов.
Прочерчивая линии тока, мы получаем сразу наглядное
представление о движении электронов и ионов, образующем ток.
Если внутри проводника с током мысленно выделить трубку, у
которой боковая поверхность состоит из линий тока, то
заряженные частицы при движении не будут пересекать боковую
поверхность трубки и не будут ни выходить из трубки наружу, ни
входить извне в трубку. Такая трубка называется трубкой тока
(рис. 76). Поверхность металлической проволоки, находящейся в изоляторе, есть одна из
трубок тока.
Для количественной характеристики электрического тока служат две основные величины:
плотность тока и сила тока. Плотность тока равна заряду, проходящему в единицу времени
через единицу поверхности, перпендикулярной к линиям тока.
j = I / s.
Единица плотности тока есть ампер на квадратный метр (А/м2). По величине тока I и по
рекомендуемой плотности тока j рассчитывают площадь поперечного сечения проводника s,
мм2.
Сила тока I в каком-либо проводнике равна заряду, проходящему в единицу времени через
полное сечение проводника. Если q — заряд, прошедший через сечение проводника за
время t, то
I = q/t.
Так как заряд q и время t суть скаляры, то и сила тока есть скалярная величина.
Единицей силы тока служит ампер (А). Эта единица является одной из основных единиц
системы СИ. При токе в 1 А через полное сечение проводника протекает заряд 1 Кл за время
1 с. На практике употребляют и более мелкие единицы: 1 миллиампер (мА) = 10-3 А и
1 микроампер (мкА) = 10-6 А.
Если плотность тока и сила тока не меняются во времени, то мы говорим, что в проводнике
имеется постоянный, или стационарный, ток.
Закон Ома
Если в проводнике имеется ток, то потенциал в различных его точках уже не одинаков.
При наличии тока существует падение напряжения вдоль проводника. Для поддержания
постоянного тока, т.е. движения электронов с постоянной скоростью, необходимо
непрерывное действие силы. А это значит, что электроны в проводниках движутся с
трением, или, иначе говоря, проводники обладают электрическим сопротивлением.
Если состояние проводника остается неизменным (не меняется его температура и т.д.), то
для каждого проводника существует однозначная зависимость между напряжением U,
приложенным к концам проводника, и силой тока r в нем: r = f (U). Она называется вольтамперной характеристикой данного проводника.
Для многих проводников, в особенности для металлов, эта зависимость особенно проста —
сила тока I пропорциональна приложенному напряжению U, т.е.
I = U,
где коэффициент пропорциональности G является проводимостью проводника.
Этот закон носит название закона Ома.
Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца
Электрический ток совершает в любом участке цепи определенную работу. Пусть имеется
произвольный участок цепи (рис. 90), между концами которого
существует напряжение U.
По определению электрического напряжения работа, совершаемая
при перемещении единицы заряда между точками а и б, равна U.
Если сила тока в участке цепи равна I, то за время t пройдет заряд
I t, и поэтому работа электрического тока в этом участке будет
А = U I t.
Это выражение справедливо для постоянного тока в любом случае, для какого угодно
участка цепи, который может содержать проводники 1-го и 2-го рода, электромоторы и т.д.
Мощность тока, т.е. работа в единицу времени, равна
Р = A/t = U I.
Будем теперь считать, что участок цепи представляет собой неподвижный металлический
проводник. Тогда вся работа тока превращается в тепло, которое выделяется в проводнике.
Если проводник однороден и подчиняется закону Ома (сюда относятся все металлы и электролиты), то U = I r, где r —сопротивление проводника. В таком случае :
Q = I2 r t, Дж,
где Q – тепловая энергия, выделяющаяся в проводнике сопротивлением r при прохождении
через него тока I за время протекания тока t.
Этот закон был впервые установлен Э-Х. Ленцем и, независимо от него, Джоулем. Отметим,
что нагревание проводников током находит многочисленные технические применения.
Наиболее важное из них — осветительные лампы накаливания.
Современные лампы накаливания являются результатом настойчивых и длительных работ ряда
ученых. Большое значение в развитии ламп накаливания имели работы А.Н. Лодыгина, который
уже в 1873 г. Публично демонстрировал в Петербурге различные типы своих ламп. Первые
лампы Лодыгина имели форму стеклянного шара, в котором на двух медных стержнях был
укреплен стерженек специального угля. В поисках способов увеличения срока службы ламп им
была введена откачка воздуха из ламп и найдены более долговечные тела накала в виде
различных обугливаемых органических волокон. В 1890 г. Лодыгин ввел лампы накаливания с
металлической нитью из тугоплавких металлов: вольфрама, молибдена и др. Работы Эдисона,
поставленные в очень широком промышленном масштабе, привели к внедрению ламп
накаливания в практику. В последующее время были сделаны только два существенных
усовершенствования: тело накала стали изготовлять в виде тонкой спирали, что уменьшило
теплоотдачу, и баллоны ламп начали наполнять инертным газом, чтобы иметь возможность
повысить температуру нити накала без заметного ее распыления (Лэнгмюр).
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ
Электрической цепью называется совокупность устройств, образующих путь тока.
Отдельные устройства, выполняющие какие-либо функции, называются элементами
электрической цепи. Различают основные и вспомогательные элементы.
Основные элементы:
-
источник электроэнергии: химический, механический
-
электроприемники (потребители) электроэнергии.
-
соединительные провода, обычно медными или алюминиевыми
Таким образом создают замкнутый путь для электрического тока.
Вспомогательные элементы:
-
коммутационные аппараты (выключатели, рубильники, тумблеры и др.)
-
аппараты защиты
-
регулирующие устройства (реостаты, конденсаторы с изменяещейся емкостью)
-
измерительные приборы.
Графическое
изображение
электрической
цепи
в
виде
условных
обозначений,
показывающих последовательность соединения элементов, называется электрической
схемой.
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА
Источники тока
Для получения постоянного тока на заряды в электрической цепи должны действовать
какие-либо силы, отличные от сил электростатического поля. Такие силы получили общее
название сторонних сил. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, мы
называем источником энергии. Если воспользоваться гидростатической аналогией, то силы
электростатического поля можно уподобить силе тяжести, стремящейся выровнять уровни
жидкости в сообщающихся сосудах; источник же тока можно сравнить с насосом,
работающим против силы тяжести и восстанавливающим разность уровней в сосудах,
несмотря на наличие тока жидкости.
В замкнутой цепи ток протекает под действием электродвижущей силы (эдс) источника
энергии – обозначается Е. Эдс Е поддерживает разность потенциалов на зажимах источника
энергии. Численно эдс равна энергии, которую получает внутри источника единичный
электрический заряд.
Напряжение на зажимах приемника показывает, какая энергия расходуется в нем
единичным электрическим зарядом.
Напряжение и эдс выражают в вольтах [В], киловольтах [кВ], милливольтах [мВ].
Одному вольту соответствует работа в один джоуль, приходящаяся на заряд в один кулон.
Электрическая цепь оказывает противодействие прохождению электрического тока,
поскольку направленному движению электрических зарядов в любом проводнике
препятствуют молекулы и атомы. Это противодействие называют электрическим
сопротивлением.
Сопротивление выражают в омах. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник, в котором
напряжение в 1 В вызывает ток в 1 А. Более крупные единицы сопротивления килоом
(1000 Ом) и мегаом (1000000 Ом).