Pollife.ru

Стройка и ремонт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

III. Основы электродинамики

III. Основы электродинамики

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.

В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.

Второй закон Фарадея:

Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

Электрический ток в металлах

При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.

Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-273 0 C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.

Применение электрического тока в металлах

Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».

Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.

Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.

Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Электрический ток в вакууме

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum — пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии — испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) — приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток — катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны — анод.

Работа 19 изучение принципа действия и характеристик электронных ламп

Цель работы: Изучение принципа действия электронной лампы и снятие характеристик диода и триода; определение параметров триода в отсутствие сопротивления в цепи анода.

Приборы и принадлежности. Исследуемая лампа, выпрямитель, миллиамперметр, вольтметры.

Электронная лампа представляет собой стеклянный, металлический или керамический баллон с впаянными металлическими электродами. В баллоне создается разрежение воздуха до давления порядка мм рт. ст. (примерноПа). Один из электродов лампы (катод) накаливается пропусканием по нему электрического тока (прямой накал) или с помощью подогревного устройства (косвенный накал) и является источником электронов, покидающих поверхность металлического электрода.

Читайте так же:
Можно ли выключатели с подсветкой использовать с энергосберегающими лампами

Явление испускания электронов нагретыми телами лежит в основе работы электронной лампы и называется термоэлектронной эмиссией.

Катод лампы обычно изготавливается в виде нити из тугоплавкого металла. При нагревании катода электроны эмиссии образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд, так называемое электронное облако. Вблизи катода оно удерживается кулоновскими силами, которые возникают между электронным облаком и положительно заряженным в результате эмиссии электронов поверхностным слоем металла.

Второй электрод является анодом лампы. При положительном потенциале анода относительно катода электроны эмиссии движутся под действием электрического поля между катодом и анодом, и в лампе возникает электрический ток.

Присутствие пространственного заряда приводит к такому перераспределению потенциала между катодом и анодом, которое оказывает тормозящее действие на электроны. С возрастанием положительного потенциала анода плотность электронного облака постепенно уменьшается и при некотором напряжении между катодом и анодом обращается в ноль. При этом движение электронов определяется электрическим полем, зависящим только от разности потенциалов между катодом и анодом и конфигурации электродов лампы.

Диод. Простейшей электронной лампой является диод (двух электродная лампа). Для того, чтобы диод пропускал электрический ток, катод должен иметь отрицательный, а анод — положительный потенциал. Перемена знака потенциала анода позволяет «запереть» лампу, т.е. прекратить прохождение тока через нее. Односторонняя проводимость диода используется для выпрямления переменного тока.

Важнейшей характеристикой диода является зависимость силы тока, текущего через лампу (анодного тока), от разности потенциалов между катодом и анодом (анодного напряжения). Ее называют вольтамперной или анодной характеристикой диода (ВАХ).

Анодный ток зависит от анодного напряжения и от температуры катода. При постоянной температуре катода анодный ток возрастает с увеличением анодного напряжения. Поскольку механизм возникновения электрического тока в этом случае отличается от механизма возникновения тока в проводниках, то зависимость анодного тока от анодного напряжения не описывается законом Ома.

На рис.1 представлена типичная вольтамперная характеристика диода. Для участка кривой abc характерно нелинейное возрастание анодного тока, на участке cd анодный ток почти не изменяется при увеличении анодного напряжения. Это объясняется тем, что при некотором анодном напряжении подавляющее число электронов эмиссии достигает анода, и лишь незначительная их часть рассеивается, не достигнув анода.

Максимальное значение анодного тока при данной температуре катода называется током насыщения лампы. Сила тока насыщения численно равна заряду всех электронов, испускаемых катодом в единицу времени:

,

где n — число электронов, испускаемых катодом в единицу времени,

— величина заряда электрона.

Как возникает ток в лампе

Наведенные токи в цепях электродов

Для более правильного понимания работы электронных ламп на СВЧ необходимо познакомиться с наведенными токами в цепях электродов этих ламп.

При рассмотрении работы ламп обычно для упрощения считают, что ток в цепи какого-либо электрода возникает благодаря попаданию на этот электрод потока электронов, летящих внутри лампы. Такой поток электронов внутри лампы называют конвекционным током. Более глубокое изучение работы электронных ламп показало, что ток во внешней цепи любого электрода представляет собой наведенный (индуцированный) ток, сущность которого легко уяснить, если вспомнить явление электростатической индукции.

Схема электростатической индукции

Рис. 24.3. Схема электростатической индукции

Пусть имеется незаряженный проводник А (рис. 24.3), к одному концу которого приближается отрицательно заряженный конец проводника Б. Тогда некоторое число электронов проводника А, отталкиваемых зарядом проводника Б, уйдет на другой конец проводника А и там возникнет отрицательный заряд. На ближнем к индуцирующему заряду конце проводника А будет недостаток электронов, т.е. появится положительный заряд. При этом вдоль проводника А пройдет ток, который и будет наведенным током. Его значение тем больше, чем больше индуцирующий заряд и чем быстрее он приближается к проводнику А. Если удалять проводник Б от проводника А, то электроны будут возвращаться, и, следовательно, в проводнике А пройдет ток обратного направления, значение которого по-прежнему будет определяться скоростью движения проводника Б и индуцирующим зарядом.

Читайте так же:
Зарядное устройство орион 150 моргает лампочка тока 1

Итак, если электрический заряд приближается к какому-либо проводнику или удаляется от него, то в этом проводнике появляется наведенный ток.

В электронных лампах функцию индуцирующего отрицательного заряда выполняет поток электронов, т. е. конвекционный ток. Этот ток всегда возбуждает наведенные токи в проводах, соединенных с электродами лампы. Наведенный ток увеличивается при увеличении числа и энергии летящих электронов, а также при уменьшении расстояния между ними и данным электродом.

Пусть, например, на анод диода с накаленным катодом подается постоянное напряжение. Тогда от катода к аноду внутри лампы начнет двигаться поток электронов, который вызовет наведенный ток во внешней части анодной цепи. Таким образом, анодный ток возникает не в тот момент времени, когда электроны достигают анода, а в момент, когда они начинают удаляться от катода.

В статическом или квазистатическом режиме, когда tпр << Т, наведенный ток в анодной цепи диода равен конвекционному току. Это позволяет для данных режимов вообще не вводить понятие «наведенный ток». Но на СВЧ, когда за время пролета электронов от одного электрода к другому напряжения значительно изменяются, необходимо рассматривать наведенные токи в цепях электродов. Можно представить себе даже такой случай, когда электроны совершают колебания, например, в промежутке катод — анод, но из-за своей инерции не попадают на анод. Однако они создают в анодной цепи наведенный ток.

С учетом наведенного тока можно лучше понять преобразование энергии, совершающееся при движении электронов в электрическом поле. Рассмотрим для примера движение электронов в ускоряющем или тормозящем поле между двумя электродами, считая, что это поле создано источником ЭДС в виде батареи (рис. 24.4). Поток летящих внутри лампы электронов создает в цепи

Наведенный ток при движении электронов в поле, созданном постоянным напряжением

Рис. 24.4. Наведенный ток при движении электронов в поле, созданном постоянным напряжением

С учетом наведенного тока можно лучше понять преобразование энергии, совершающееся при движении электронов в электрическом поле. Рассмотрим для примера движение электронов в ускоряющем или тормозящем поле между двумя электродами, считая, что это поле создано источником ЭДС в виде батареи (рис. 24.4). Поток летящих внутри лампы электронов создает в цепи батареи наведенный ток, направление которого совпадает с направлением конвекционного тока. Здесь, как и везде далее, стрелки показывают направление движения электронов от минуса к плюсу, а не условное направление тока от плюса к минусу. Нетрудно видеть, что при ускоряющем поле (рис. 24.4, а) наведенный ток, проходящий через батарею, будет для нее разрядным током. Батарея разряжается, т. е. расходует свою энергию, которая с помощью электрического поля передается летящим электронам и увеличивает их кинетическую энергию. А при тормозящем поле (рис. 24.4,б) наведенный ток, наоборот, будет для батареи зарядным током, т. е. электроны отдают свою энергию, которая накапливается в батарее. Процессы заряда и разряда аккумуляторной батареи наведенным током, конечно, не имеют практического применения в технике СВЧ и описаны только в качестве примера.

Наведенный ток при движении электронов в поле, созданном переменным напряжением колебательного контура

Рис. 24.5. Наведенный ток при движении электронов в поле, созданном переменным напряжением колебательного контура

Следует учитывать также возникновение наведенных токов в колебательных контурах, подключенных к лампе. На рис. 24.5 изображен колебательный контур, состоящий из индуктивности L и емкости С, которой может быть емкость между двумя электродами лампы. Пусть в контуре происходят свободные затухающие колебания. Тогда на зажимах контура и на электродах лампы будет переменное напряжение. Предположим, что между электродами движется поток электронов (каким способом он получен, пока не имеет значения).

Если поле, созданное напряжением электродов, тормозит электроны (рис. 24.5, а), то наведенный ток будет током, питающим контур. Действительно, направление этого тока таково, что создаваемое им в контуре напряжение совпадает по фазе с напряжением, имеющимся в контуре от свободных колебаний. Это значит, что наведенный ток препятствует затуханию колебаний. Иначе говоря, часть кинетической энергии летящих электронов передается в контур и поддерживает там колебательный процесс.

Читайте так же:
Как подключить лампочку с трех проводов

Но если поле, созданное переменным напряжением, будет ускоряющим для электронов (рис. 24.5,б), то наведенный ток создает в контуре падение напряжения, противоположное по фазе переменному напряжению свободных колебаний, т. е. способствующее более быстрому их затуханию. В данном случае контур тратит часть своей энергии на увеличение скорости полета электронов, и поэтому затухание колебаний в контуре усиливается.

Таким образом, для ослабления затухания, т. е. для поддержания колебаний в контуре, подключенном к электродам лампы, необходимо направлять в пространство между электродами поток электронов в те промежутки времени, когда электрическое поле будет тормозящим.

Чтобы лучше представить себе возникновение наведенного тока, следует изучить этот процесс в диоде. Полученные при этом выводы будут справедливы и для любой другой системы из двух электродов. Для упрощения рассуждений рассмотрим случай, когда анодное напряжение представляет собой импульс прямоугольной формы, длительность которого соизмерима с временем пролета. Графики этого напряжения и наведенного тока в проводах анода и катода диода приведены на рис. 24.6, а. На рис. 24.6,б показано для различных моментов времени распределение электронного потока, т.е. конвекционного тока, в промежутке анод — катод.

Наведенный ток в диоде

Рис. 24.6. Наведенный ток в диоде

В момент t1 электроны начинают двигаться от катода (точнее, от «электронного облачка» около катода) и возникает наведенный ток. Промежуток анод — катод еще не заполнен электронами. Через некоторое время, в момент t2, значительная часть этого промежутка уже заполнена электронами. Так как они движутся в ускоряющем поле, то скорость их больше, чем в момент t1,. Благодаря этому наведенный ток становится больше и скорость его нарастания увеличивается. В момент t3 электроны достигают анода и все пространство анод — катод заполнено движущимися электронами. Наведенный ток становится максимальным. Такое положение сохраняется до конца импульса напряжения (момент t4). после чего новые электроны уже не будут двигаться от катода к аноду. А электроны, заполняющие промежуток анод — катод, продолжают по инерции двигаться к аноду. Число их уменьшается, т. е. промежуток «очищается» от электронов, и соответственно уменьшается наведенный ток (момент t5). Когда в момент t6 в промежутке анод — катод не остается электронов, наведенный ток становится равным нулю. Как видно, импульс наведенного тока растянут во времени по сравнению с импульсом напряжения и отстает от последнего, т. е. позже достигает максимума и позже спадает до нуля.

Если после положительного импульса анодного напряжения последует отрицательный импульс, то часть электронов все же долетит до анода, а другая часть затормозится настолько, что остановится и станет возвращаться на катод.

Следовательно, возникает конвекционный ток обратного направления и соответственно создается импульс обратного наведенного тока. Аналогичные явления происходят и при подаче на диод переменного синусоидального напряжения.

Для каждого усилительного каскада большую роль играет входное сопротивление лампы, т. е. то сопротивление, которое лампа оказывает источнику усиливаемого напряжения.

В усилительном каскаде, изображенном в общем виде на рис. 24.7, генератор усиливаемого напряжения Г, имеющий ЭДС и внутреннее сопротивление соответственно Е и Rr, нагружен входным сопротивлением лампы. Это сопротивление обычно имеет активную и емкостную составляющие. Будем рассматривать только активное входное сопротивление и обозначим его Rвх.

Всегда желательно, чтобы сопротивление Rвх было как можно большим. В идеальном случае Rвх = ∞, тогда цепь сетки разомкнута и сеточного тока нет. Следовательно, нет потери напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и вся его ЭДС передается на сетку (Ug = Е). В этом случае генератор может иметь сколь угодно малую мощность. Для получения Rвх = ∞ необходимо, чтобы электроны не попадали на сетку и не создавали сеточный ток, т. е. напряжение смещения Еg должно превышать амплитуду усиливаемого переменного напряжения: |Еg|Umg. Практически такой, близкий к идеальному, режим работы получается только на достаточно низких частотах, когда можно пренебречь емкостным током, проходящим через входную емкость лампы.

Читайте так же:
Как подключить лампочку через выключатель от автомата

На высоких частотах сопротивление Rвх не равно бесконечности. Чем оно меньше, тем больше переменный ток 1g в цепи сетки. С увеличением этого тока растет потеря напряжения на внутреннем сопротивлении генератора Rr и уменьшается полезное напряжение на сетке, так как Ug = ЕIgRr. Растут также потери мощности Рвх = I 2 g Rвх в самом входном сопротивлении и полная мощность, которую должен развивать генератор.

Усилительный каскад принято характеризовать коэффициентом усиления K, показывающим, во сколько раз усиливается напряжение. На высоких частотах важен также коэффициент усиления мощности Kp, показывающий, во сколько раз усиливается мощность:

где Рвых — полезная мощность, отдаваемая лампой.

При малом входном сопротивлении мощность Рвх может настолько возрасти, что Kp станет равен единице или будет еще меньше. Очевидно, нецелесообразно применять усилители, дающие усиление мощности меньше чем в 2 — 3 раза. С переходом на СВЧ входное сопротивление резко уменьшается и усиление мощности незначительно или даже совсем отсутствует. Уменьшение входного сопротивления на СВЧ объясняется возникновением наведенных токов в цепи сетки.

В зависимости от соотношения времени пролета и периода колебаний, расстояний катод — сетка и сетка — анод, а также напряжений электродов процессы в триоде могут протекать различно, но все же в любом случае из-за инерции электронов на СВЧ возникают большие наведенные сеточные токи, приводящие к резкому уменьшению входного сопротивления. Чтобы это было ясно, рассмотрим упрощенно процессы, протекающие в триоде в некотором частном случае.

Пусть на сетку подано переменное напряжение в виде положительных импульсов прямоугольной формы и запирающее напряжение смещения (рис. 24.8, а). При этом напряжение сетки остается все время отрицательным, т.е. электроны на сетку не попадают. Пусть время пролета электронов tg на участке сетка — катод равно времени пролета tag на участке анод — сетка и несколько меньше половины длительности импульса. На рисунке для этого режима показаны графики наведенных токов в цепях триода (рис. 24.8,б и в) и распределение электронного потока, т. е. конвекционного тока, в разные моменты времени (рис. 24.8, г). Сетку триода будем считать настолько густой, что участки сетка — катод и анод — сетка можно рассматривать как отдельные диоды.

Электрический ток в различных средах

Одним из параметров, характеризующих электрический ток, является его проводимость, которая меняется в зависимости от внешних условий. В каждом конкретном случае степень проводимости может меняться, поэтому, для изучения и более глубокого понимания протекающих процессов используется таблица электрического тока в средах. С ее помощью можно более наглядно узнать и представить себе, какими качествами обладает электрический ток в тех или иных случаях.

электрический ток в средах таблица

Фактически, электрический ток может протекать в пяти разных видах среды:

  1. Металлы.
  2. Вакуум.
  3. Полупроводники.
  4. Жидкости.
  5. Газы.

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение электронов, которые перемещаются в указанном направлении под воздействием электрического поля. Многочисленные проведенные опыты показали, что в процессе перетекания токов ионы самого металла остаются на месте и участия в перемещении заряда не принимают. Все металлы, находящиеся в твердом состоянии, обычно имеют кристаллическое строение. Положительные ионы закреплены в узлах кристаллической решетки, а все остальное пространство заполнено свободными электронами.

Электроны никак не связаны с ядрами. При этом ситуация внутри металла уравновешена, так как суммарный отрицательный заряд свободных электронов в нормальном состоянии по своему абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов, составляющих структуру решетки. Таким образом металлы в обычном своем состоянии электрически нейтральны, и все свободные электроны внутри структуры осуществляют хаотичное движение.

Читайте так же:
Будет ли гореть лампочка от постоянного тока

Как только в металле формируется электрическое поле, свободные электроны начинают, поз воздействием внешних электрических сил, совершать направленное движение. Так появляется электрический ток. Примечательно, что направленное движение этих электронов продолжается в хаотичном порядке.

электрический ток в разных средах

Как только в проводнике возникнет электрическое поле, оно распространяется по всей длине проводника с огромной скоростью (скорость перемещения электрического тока близка к скорости света, а это 300 тысяч км. в секунду)!

Электрический ток в вакуумной среде

Отличительная особенность вакуума – отсутствие заряженных частиц. Фактически – это диэлектрик. Свободные электроны в огромных количествах присутствуют в металлах. Если температура окружающей среды близка к комнатной, электроны (в соответствии с законами кулоновского притяжения) не могут покинуть металл, оставаясь в его структуре. Но как только начинается процесс нагрева металла, из него в больших количествах начинают вылетать электроны. Этот процесс получил название термоэлектронная эмиссия. Чтобы инициировать ее в вакуум в качестве одного из электродов помещают тончайшую проволочную нить, изготовленную из особо тугоплавкого типа металла (это, так называемая, нить накала). При подключении к источнику питания из этой нити начинают вылетать раскаленные электроны, которые попадают в электрическое поле, расположенное между двумя электродами. Начинается упорядоченное движение, создается электрический ток.

тема электрический ток в различных средах

Данное явление послужило основой для работы электронных ламп, диодов, триодов, работающих в вакууме.

Электрический ток в средах-полупроводниках

Полупроводники – это вещества, находящиеся в некоем среднем состоянии между проводниками и диэлектриками. (Типичный пример – кристаллы кремния или германия). Здесь при соединении атомов друг с другом существует ковалентная связь. Эта связь нарушается в момент нагревания материала, а атомы ионизируются. В результате появляется все больше свободных электронов, а также свободных мест («дырок») положительного заряда.

электрический ток в различных средах

Подобным образом «дырки» появляются и в соседних атомах. Более того, эти дырки, наряду со свободными электронами начинают свободно перемещаться по кристаллу. В результате, после помещения кристалла в электрическое поле, начинается упорядоченное движение вышеперечисленных частиц, возникает электрический ток.

Электрический ток в различных средах: жидкости

Жидкими проводниками второго типа считаются растворы солей, оснований и кислот. Отметим, что в данном перечне отсутствует вода. Дело в том, что в чистом виде молекулы в воде имеют полярность, что присуще диэлектрикам. Таким образом для создания условий существования электрического тока в жидкости необходимо привнести извне вещество, которое и предоставит свободные носители для перемещения заряда.

электрический ток в различных средах таблица

Электрический ток в различных средах: газы

В нормальных стандартных условиях гады представляют собой нейтральные молекулы, которые по сути являются диэлектриками. Чтобы получить ток, необходимо оторвать молекулы от атома, «ионизировать» среду. Это достигается как методом нагрева, так и различными способами облучения. В результате, формируется три типа носителей зарядов

  • положительные ионы;
  • отрицательные ионы;
  • электроны.

Упорядоченное движение этих частиц также начинается под воздействием внешнего электрического поля. Но здесь наблюдается разнонаправленное движение, одни движутся к катоду, другие – к аноду.

электрический ток в средах

Общие выводы

Таким образом, рассматривая тему как распространяется электрический ток в разных средах, можно отметить: в газах упорядоченное движение начинается под воздействием электрического поля.

Электрический ток в различных средах – растворы и расплавы электролитов. Многие электролиты в обычном своем состоянии являются диэлектриками. Но после растворения их в воде, эти вещества становятся проводниками. Данный процесс получил название электролитической диссоциации. Электрический ток в разных средах раствором протекает под воздействием внешнего электрополя. При этом одни ионы движутся к катоду, а другие – к аноду.

Подведем итог

Наиболее наглядно помогает увидеть, как протекает электрический ток в различных средах таблица. Очевидно, что условия протекания зависят от структуры материала, но процесс всегда начинается под воздействием внешним.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector