В С Т У П
З початком відкриття електрона вченими Йоффе і
Мілікена , житті людства настала нова ера . Пізніше були виведені
закони постійного струму,розпочалося будівництво електростанцій.
На основі дії електричного струму людство почало застосовувати
нові технології і прилади , що змінили життя мільйонам, відбулась
індустріальна революція , погляди на життя змінилися. Тепер не
можливо уявити собі світ без напрямленого руху електронів.
Напрямлений рух електронів зумовлюється силами стаціонарного
електричного поля , наявність якого є однією з необхідних умов
існування струму.
Електричним струмом називається упорядкований рух заряджених
частинок під дією електричного поля. До заряджених частинок
відносяться електрони , іони , протони. Оскільки протони
знаходяться в ядрі атома , то вони ніякої ролі не можуть мати в
процесі передачі електричного струму . З технічної точки зору
електричний струм передається по металевих провідниках , у яких
основними носіями є електрони.
“ ЕЛЕКТРОНИ ТА ЇХ РОЛЬ В ЕЛЕКТРИЧНОМУ
СТРУМІ ”
( НАУКОВИЙ РЕФЕРАТ)
ПЛАН
1 . Як відкрили електрон ?
2 . Дрейф електронів в металах .
3 . Як Ом математично розробляв свій закон .
4 . Четвертий стан речовини .
– 1 –
1 . Як відкрили електрон ?
Існування найдрібніших частинок , що мають найменший електричний заряд
доведено багатьма дослідами. Електричний заряд одна з основних
властивостей електрона. Не можна собі уявити , що цей заряд можна “
зняти” з електрона , вони невіддільні один від одного.
Електрон частинка з найменшим від’ємним зарядом.
-31
Маса електрона м =9,1*10 кг.
-19
Заряд електрона е=1,6 *10Кл.
Перенесення заряду – це перехід з одного тіла на інше . Щоб уявлення про
заряд електрона зробити наочнішим , зазначимо , що коли в провіднику
сила струму дорівнює 1А , тобто за 1с
18
переноситься 6,288 *10 електронів. Через лампочку потужністю
18
60 Вт при напрузі 120 В за секунду проходить 3,144 *10 електронів!
Мимоволі виникає запитання , наскільки можна вірити наведеним числам .
Що це – сміливе припущення чи результат дійсних вимірювань ? Якщо
вимірювань , то ким , коли і як ці вимірювання зроблені.
Історія електрона починається з другої половини 19 ст. ,коли англійський
фізик Фарадей установив закон електролізу . Розкладання хімічних сполук
під дією електричного струму було відоме ще до Фарадея. Саме слово
“електроліз” він увів , так само як і терміни “електроліти” для розчинів
кислот , солей , лугів і основ , “електроди “ для полюсів , підводять до
рідини струм , “іони” для частинок , на які розпадається розчинена
речовина . Зазначимо , що слово “іон” грецьке , в перекладі означає
“подорожній” , “мандрівник”. Розкладання електролітів на іони –
електролітична дисоціація – зумовлюється не електричним струмом, а тим ,
що вода має властивість у 81 раз послаблювати притягання між іонами в
кристалічній решітці хімічних сполук.
Наша основна мета – з’ясувати , як зародилася думка про існування
електронів. Власне кажучи , на цю думку наштовхує вже закон електролізу
, встановлений Фарадеєм.
– 2 –
Закон електролізу формулюється так : маса речовини , яка виділяється на
електроді за час t під час проходження електричного струму ,
пропорційна силі струму і часу : m=klt , де k- коефіцієнт пропорційності
, що залежить від природи речовини .
У 1879 р. Уільям Крукс прочитав перед Лондонським Королівським
товариством доповідь під заголовком “Молекулярна фізика при великих
розрідженнях”. У цій доповіді він показав , що коли відкачати повітря в
трубці з впаяними електродами , то в трубці на протилежному до катода
кінці при високій напрузі виникає зеленувате світіння скла –
фосфоресценція. Якщо позитивний полюс впаяти в інше місце , то світіння
все одно виникає на кінці протилежному до поверхні катода , ніби від
катода йде потік проміння в прямому напрямі (катодне
проміння).Розміщуючи на шляху катодного проміння металевий екран ,
наприклад ,у вигляді зірки , можна дістати тінь його в
зеленувато-фосфореціюючій ділянці трубки ; це ще більше підтверджує
прямолінійність катодного проміння (мал.№1).
У Кембриджі працював один з найвидатніших фізиків 19 ст. Джозеф Джон
Томсон . Він ретельно дослідив катодне проміння .
Визначні в історії фізики досліди Томсона на відхилення катодного
Проміння в магнітному або електричному полі показали , що катодне
проміння – це пучок швидких електрично заряджених частинок. Томсону
довелося довести , що заряд цих частинок тотожний елементарному заряду,
виявленому Фарадеєм у дослідах з електролізу. Отже, катодне проміння –
це потік заряджених частинок-електронів. Оскільки електричний струм має
магнітні властивості, то природно, що електрони, які летять в трубці
,відхиляються під впливом магніту. Електричне поле також діє на
заряджену частину.
Томсон ставив досліди в багатьох варіантах. Малюнок № 2
показує одну з установок, які він застосував: на малюнку виділено
частину цієї установки, яка дасть змогу зрозуміти ідею досліду.
Камінь кинутий горизонтально, відхиляється від горизонтальної лінії
силою земного притягання. Так само електрон відхиляється силою, з якою
діє на нього магнітне чи електричне поле. Для
– 3 –
магнітного поля ця сила F=BeV , де В – магнітна індукція , е- заряд
електрона .V- швидкість його руху. Для електричного поля відхиляюча сила
дорівнюватиме Ее. Під дією цієї сили електрон набуде прискорення а= Ее/m
в напрямі до нижньої позитивно зарядженої пластинки конденсатора і
зміститься від горизонталі на
2
2
відстань S=1/2at=1/2*Ee/m*t.Час проходження між пластинками конденсатора
довжиною l знайдемо за формулою рівномірного руху
t=l/V.Підставляючи це значення у формулу для S , дістанемо :
2 2
2 2
1/2*Ee/m*t/V . Звідси e/m*1/V=2S/Et.
Величини правої частини рівняння можна визначити з досліду , а в лівій
частині залишаються дві невідомі : відношення e/m і швидкість V. Щоб
визначити швидкість , Томсон застосував метод зрівноважування дії
електричного поля дією відповідно підібраного магнітного поля . Тоді
світна пляма на екрані залишиться нерухомою на осі приладу . Оскільки
при цьому електрична і магнітні сили рівні , то Ee=BeV, звідки V=E/B.
Визначивши швидкість , можна за попередньою формулою знайти й відношення
e/m . Дослід повторювали багато разів ; тепер
11
приймають , що e/m =1,76*10 Кл/кг.
Томсону належить і перший метод визначення й маси електрона . Для цього
він спостерігав осадження в скляній посудині хмарки з дрібненьких
водяних краплинок , які сконденсувалися з насиченої водяної пари на
іонах водню.
Звідки ж беруться електрони в описаних дослідах з вакуумними трубками ?
Вони вибиваються з металу катода ударами іонів газу , невелика кількість
якого повинна залишатися в трубці .
Електрони – складова частина кожного атома кожної речовини . Але чому ж
тоді метали , наприклад , не заряджені ? Очевидно , до складу атома
входять ще й позитивні заряди , що зрівноважують заряд електронів .
Томсон зображав модель атома як суцільну кульку з рівномірно
розподіленим в об’ємі позитивним зарядом ;
усередині кульки , говорив він , містяться електрони , наче ізюм в
пудингу . Пізніше в результаті тонких і складних експериментів учені
прийшли до планетарної моделі атома , за якою атом являє
– 4 –
собою , ніби планетарну систему в малому масштабі . Роль Сонця в атомній
системі виконує позитивно заряджене ядро, навколо якого,
як планети в Сонячній системі , обертаються електрони . Цю модель атома
запропонував англійський фізик Резерфорд у 1911 р.
Найпростіший атом – атом водню має лише один електрон і відповідно до
цього найпростіше ядро з одним позитивним , зарядом , що дорівнює заряду
електрона . Ядро з таким зарядом назвали протоном . В електрично
нейтральному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів .
– 5 –
2 . Дрейф електронів в металах .
Слово “дрейф” запозичене з морської термінології від
англійського drift , що означає знесення , відхилення від курсу судна в
морі вітром або течією .
Що таке електричний струм ?
Струмом називають упорядкований рух заряджених частинок –
електронів у металевих провідниках , іонів у розчинах солей , лугів,
електронів та іонів у зо світних лампах ?Особливо в металах ,
бо якщо в рідинах і газах рух зарядів можна спостерігати за різними
світловими ефектами , то рух у металевих проводах залишається повністю
прихованим і можемо спостерігати лише теплову або магнітну дію
“електричного струму” .
Як же було доведено наявність руху електронів у металевих
проводах ? Ідея проведення перших якісних дослідів , які безсумнівно
довели , що струм у проводах – це рух електронів , належать академікам
Л.І.Мандельштаму, і М.О.Паплексі (1912) .
Ця ідея надзвичайно проста . Потрібно було тільки довести , що деякі з
електронів не зв’язані міцно з ядром атом , а вільно рухається в
просторі між атомами . Уявіть тепер , що кусок металевого дроту швидко
рухається в напрямі , показаному стрілкою (мал.№3) , несучи з собою
електрони , які містяться в цьому куску . Що станеться , коли його
раптово зупинити ? Вільні не зв’язані міцно з атомом електрони
відповідно до закону інерції зміщуються в напрямі руху дротини . Тому на
передньому кінці виникає надлишок електронів , а на протилежному –
нестача . Надлишок електронів створює на передньому кінці дротини
негативний заряд , нестача – позитивний . У тому , що виникають ці два
полюси можна переконатись , виявляючи чутливим приладом струм . У
дослідах Мандельштаму і Папалексі використовуючи не прямий провідник , а
котушку з дуже довгого і тонкого ізольованого дроту , яка здійснювала
крутильні коливання навколо своєї осі . Струм , який виникав під час
зміни напряму повертання котушки , йшов то в одному , то в протилежному
напрямі , залежно від того , який бік поверталася котушка . Цей змінний
струм виявили за допомогою телефону.
– 6 –
У 1916 р. дослід у трохи зміненому варіанті повторили Толмен і Стюарт ,
які виявили струм чутливим гальванометром . За відхилення стрілки
гальванометра можна було визначити , що струм утворювався рухом
негативних зарядів . У цьому ж досліді знову вдалося визначити
відношення заряду електрона до його маси .
Виникає запитання , звідкіля беруться вільні електрони в
металі , чому вони не надають йому негативного заряду , якщо вони вільні
? У кристалі металу вільні електрони рухаються між вузлами решітки
безладно , подібно до того , як рухається молекули газу (мал. № 4).Хоч
молекули мають велику швидкість , вони не проносяться , як кулі , від
однієї стінки до іншої . У результаті взаємодії із сусідами вони
виписують складні траєкторії . Так само й електрони описують подібні
складні траєкторії у результаті “зіткнень” з вузлами решітки і між собою
. Звідки виник вираз “електронний газ “ для того , в якому перебувають
вільні електрони в металі .
Зрозуміло , не треба спрощено уявляти собі “зіткнення “
електронів . У дійсності взаємодія полів окремих електронів та іонів
змінює напрям і модуль їхніх швидкостей . Під час ” зіткнень”
електрони розлітаються зовсім не від справжнього їх доторкання .
Внаслідок безладного руху вільних електронів у металі і
величезної кількості електронів в одиниці об’єму в одному якому-небудь
напрямі рухається стільки ж електронів , скільки їх рухається в
протилежному напрямі .
Тому , коли немає зовнішнього електричного поля , сумарний
заряд , що переноситься в будь-якому напрямі , дорівнює нулю , тобто
струму немає . А те , що сума всіх негативних зарядів електронів
дорівнює сумі всіх позитивних зарядів іоні , пояснює , чому загальний
заряд металу також дорівнює нулю .
Якщо до кінців дроту прикласти електричну напругу ,
приєднавши їх , наприклад , до полюсів акумулятора , то в провіднику
встановиться електричне поле . Воно діятиме на електричні заряди й
спричинюватиме їх додатковий рух . В електронному газі виникає
“електричний вітер” у напрямі до позитивного полюса , але при цьому
електрони збережуть і
– 7 –
безладний рух . Повна аналогія до того , як у повітряних масах , що їх
гонить вітер , зберігається хаотичний , тепловий рух молекул .
Перед нами “дрейф “ електронів . Внаслідок зіткнень , точніше
, впливу атомних полів , середня швидкість “ дрейфу “ електронів у
провіднику залишається сталою (мал. № 5 ) .Тут маємо випадок , подібний
до падіння в повітрі сніжинок або пушинок . Незважаючи на сталу дію сили
тяжіння , вони падають не в рівномірно прискореному русі , як це було б
безповітряному просторі , а в середньому рівномірному .
Яка ж швидкість електричного струму ?
Швидкість руху окремих електронів протягом їх вільного пробігу величезна
і досягає більше ста кілометрів за секунду , але швидкість
упорядкованого руху електронів мала .Весь час затримуючись і
відхиляючись від курсу , електрони переміщується
вперед повільніше , ніж равлик . Равлик проповзає за 1 с. в
2 середньому
1мм., електрон у мідному дроті перерізом 1мм при силі
струму 6 А переміщується в напрямі проводу з швидкістю0,03 см/c.
Але чи можна сказати , що швидкість електричного струму в
проводах мала ? Адже досить повернути вимикач , і електричні лампи
негайно засвічуються .Щоб зрозуміти це , потрібно з’ясувати для себе ,
що саме ми розуміємо під швидкістю струму. Це не швидкість поширення
руху електронів – це швидкість поширення електромагнітного поля, що
зумовлює напрямлений рух електронів.
Швидкість поширення електромагнітного поля дорівнює 300000м/c.
Електрони входять до складу всіх елементів . Але чому різні
речовини мають різну провідність щодо електричного струму ? Щоб
з’ясувати це , звернемося до теорії будови атомів . Тепер відомо понад
100 різних елементів . Вивчати їх властивості допомагає періодична
система Менделєєва . Розмістивши елементи за періодами , він склав
таблицю , в якій хімічно споріднені елементи утворили групи , подібні за
властивостями . Пізніше електронна атома розкрила фізичну причину
періодичного закону Менделєєва .
Хімічні властивості елементів залежать від характеристики
групування електронів навколо ядра . Електрони обертаються
– 8 –
навколо ядра , розміщуючись послідовно в різно віддалених від нього
шарах електронів може бути не більше ніж 2, 8, 18, 32.
При цьому на крайній зовнішній оболонці електронів не може бути більше
8. Це наочно показано в таблиці елементів нульової групи
(інертних газів ) .
ЕЛЕМЕНТ ПОРЯДКОВИЙ НОМЕР Кількість електронів у 1-6 оболонках
He 2 2
Ne 10 2,8
Ar 18 2,8,8
Kr 36 2,8,18,8
Xe 54 2,8,18,18,8
Rn 86 2,8,18,32,8
В елементів інших груп зовнішня оболонка не заповнена , тобто має
менше 8 електронів . У першій групі на зовнішній оболонці є один
електрон , у другій –2 і т.д. Схеми атомів нульової групи ( He
, Na ) і першої групи ( Li , Na ) показують , що єдиний електрон
обертається на зовнішній , найвіддаленішій орбіті елементів літію і
натрію , порівняно з розміщенням електронів в атомах гелію і неону .
Віддаленість від ядра означає й значне ослаблення зв’язку між зарядами
ядра і електрона . Такий електрон може покинути свій атом і перейти до
сусіднього атома , потім до іншого і т.д. Властивість втрачати свої
зовнішній електрони мають також інші метали . Цю особливість легко
пояснити , бо кількість електронів на зовнішній оболонках атомів металу
1,2,3.
Метали – “розтратники “ електронів . Вивільнені електрони й
надають металу доброї електропровідності . Кількість вільних електронів
у металах близька до кількості атомів у металі , в усякому разі вона
дуже велика .Це пов’язано з тим , що від кожного атома , як уже було
сказано , відокремлюється по одному або й більше електронів які й
“блукають “ між позитивними іонами решітки . Іони решітки перебувають
при цьому в коливальному стані . Під час проходження струму “дрейфуючі “
електрони , стикаючись з іонами , віддають набуту від зовнішнього поля
енергію , тому коливання решітки посилюється – металевий провідник
нагрівається струмом .
– 9 –
Опір металів залежить також від температури . З підвищенням температури
він збільшується , бо “пробиватись “ електронам серед іонів , які швидко
коливаються , важче , ніж у тому разі , якби іони рухалися повільніше
або зовсім були нерухомими .
– 10 –
3 . Як Ом математично розробляв свій закон .
Перші свої досліди Ом провадив , користуючись власноручно
виготовленим вольтовим стовпом і гальваноскопом. При цьому він помітив ,
що сила струму в електричному колі падає після його замикання . Після
розмикання кола батарея через якийсь час знову відновлюється . Даючи
відгук про одного з перших праць Ома , видавець журналу фізик Поггендорф
зазначив , що було б бажано , щоб автор повторив свої експерименти з
більш сталим джерелом струму , а саме з термоелементом . Ом почав
використовувати термоелемент із зігнутих під прямим кутом вісмутової і
мідної смужок , кінці яких скріплювалися гвинтами . Один кінець
термоелемента був у киплячій воді , а другий – обкладали танучим льодом
. Від полюсів дротини опускались в чашки з ртуттю . Коло замикалося
дротинами різної довжини , що приєднувалися до тих самих чашок . Силу
струму визначали його дією на магнітну стрілку , підвішену на нитці над
дротиною , що йде від термоелемента . Закручуючи нитку в бік ,
протилежний відхиляючий дії сили струму , вдавалося повернути її до
початкового положення , в площину магнітного меридіана . В одному з
дослідів Ома мідні дротини , які він вмикав в коло , послідовно
замінюючи їх , мали довжину 2,4,6,10,18,34,66,180 дюймів і товщину 7/8
лінії ( 1 лінія = 1/10 дюйма ). Силу струму вимірювали за кутом
закручування нитки. Це дало такі результати :
Довжина дроту в дюймах
2
4
6
10
18
34
66
130
Кут закручування нитки , градуси
305,25
281,5
259
224
178,5
124,75
79
47,5
Ці числа досить задовільно можна виразити за формулою X=a/b+x , де
х – це сила магнітної дії при довжині введеної дротини х ; а і b – сталі
величини , які залежать від збуджувальної сили і опору інших частин кола
. Якщо , наприклад , покласти ,
– 11 –
що b – дорівнює 20,25 і а=6800 , то дістанемо такі значення :
х,дюйми 2 4 6 10 18 34 66 130
Х,градуси 305,5 280,5 259 224 177 125,25 79 45
Якщо порівняти ці числа , здобуті розрахунками , з числами ,
здобутими раніше з досліду , то видно , що між цими двома рядами чисел є
лише незначна різниця , цілком допустима в подібних дослідженнях .
Силу струму в формулі Ома позначають буквою І ; а – електрорушійна
сила Е . Величини b й x мають бути в однакових мірах , оскільки додавати
можна тільки однорідні величини . Вони виражають собою : b – внутрішній
, х – зовнішній опір кола . Позначивши повний опір кола b+x буквою R ,
дістанемо формулу , що виражає закон Ома : І=Е/R. Залежність сили струму
від електрорушійної сили Ом показав , створюючи не одинакові різниці
температур на кінцях термоелемента , тобто занурюючи один з його кінців
у воду різної температури , внаслідок чого виникали різні ЕРС . При
цьому відповідно змінювалось і відхилення стрілки гальванометра .
У 1826 р. Ом добивається річного наукового відрядження в Берліні .
Він дуже добре використав час перебування в столиці для роботи . У 1827
р. з’являється основна його праця – “Гальванічне коло , розроблене
математично д-ром Г.С.Омом “, яка принесла йому славу . У цій праці
закон Ома виведений теоретично . На це виведення Ома наштовхнули праці
французького фізика Фур’є з теплопровідності , які незадовго до того
були опубліковані . Фур’є встановив , що швидкість поширення теплового
потоку залежить од різниці температур і від довжини шляху , на якому це
падіння відбувається , подібно до того , як швидкість водяного потоку
залежить від відношення зниження рівня до відстані по горизонталі, на
якій зниження відбувається . Порівнюючи гальванічний струм з тепловим
потоком або потоком води , Ом пише : “Перехід електрики від однієї
ділянки до найближчої я прийняв пропорційним електрорушійній силі в
кожній ділянці подібно до переходу теплоти, що пропорційний різниці
температур.” Ом позначає різницю потенціалів на ділянці словом “падіння
“ . Але падіння залежить ще й від довжини шляху ,
– 12 –
й від довжини шляху ,
по якому воно розподілене .
Так Ом приходить до висновку , що сила струму прямо пропорційна
електрорушійній силі і обернено пропорційна довжині шляху , або опору
кола . Залежність опору від довжини , площі поперечного перерізу й
матеріалу провідника також установив Ом на ряді дослідів .
Вже згадувалось , що Ом для встановлення закону про електричний
стум використав аналогію із струменем води . розглянемо схему
електричного кола ( мал. № 6 ) . Якщо коло замкнути , то по ньому піде
електричний струм – виникне впорядкований рух електронів у металевих
проводах . Струм ітиме в батареї , але там заряди переносяться іонами .
Якщо розімкнути коло , то струм припиниться , амперметр покаже ,
амперметр покаже нуль , зате вольтметр показуватиме тепер найбільшу для
даного кола різницю потенціалів – різницю електричних “ рівнів “ на
клемах батареї . Звідки ж взялася ця різниця потенціалів ? Це результат
хімічних реакцій в елементах . Замість хімічного джерела різниці
потенціалів – батареї хімічних елементів – могли б взяти термоелемент .
Тоді посилення теплового руху електронів в одному із спаїв двох металів
, що відбувається внаслідок нагрівання , спричинило б виникнення різниці
потенціалів . Можна було б узяти електричний генератор .Потрібна для
підтримування струму в колі різниця потенціалів виникає внаслідок
обертання якоря .
У часи Ома ще не було чіткого розуміння ні роботи , ні енергії . Усяку
невідому причину явища пояснювали дією сили . Ще Вольт в своїх дослідах
з різницею потенціалів при контакті двох різнорідних металів пояснював
її виникнення дією електрорушійної сили , а метали називав
електродвигунами . Слід визнати , що термін Вольта “ електрорушійна сила
“ досить наочний і тому виявився живучим , зберігся до наших днів .
Який зміст ми тепер вкладаємо у цей термін ? Звернемося до схеми
замкнутого кола ( мал. № 7 ) . У зовнішній частині кола струм проходить
у напрямі електричного поля ( від плюса до мінуса ) . У джерелі він
проходить проти поля , проти напряму електричних сил . Отже , цей рух не
може спричинюватися
– 13 –
електричними силами . Прийнято називати ці сили , що діють у джерелі ,
сторонніми силами . Термін “сторонні сили “ , був запропонований пізніше
. Робота сторонніх сил на внутрішній ділянці кола , тобто в елементах ,
спрямована на переміщення заряду 1 Кл , і характеризує електрорушійну
силу .
Якщо коло розімкнуте й сили струму немає , то робота
сторонніх сил спричинює тільки виникнення різниці потенціалів на полюсах
джерела . Звідси уже простий спосіб визначення електрорушійної сили –
потрібно виміряти різницю потенціалів на полюсах розімкнутого джерела .
Якщо користуватися вольтметром,
то вимірювання буде , природно , лише наближеним , бо вольтметр сам
замкне коло . Чим більший опір має вольтметр , тим ближчими будуть
покази до дійсного значення ЕРС .
У замкненому полі ЕРС проявляється в роботі переміщення
одиничного заряду по зовнішній і внутрішній частинах кола . У зовнішній
частині кола електрична енергія перетворюється в інші види енергії .
Провідники нагріваються в усіх цих випадках . На внутрішній частині
замкнутого кола робота сторонніх сил також спричинюватиме нагрівання
джерела . У такому випадку відбувається спад напруги в зовнішньому колі
і спад напруги у внутрішньому колі . Отже робота сторонніх сил
обов’язкова для даного кола , але вона складається з двох частин :
роботи в зовнішньому колі і роботи в внутрішньому колі . Коли
зменшується напруга на зовнішній частині кола , то збільшується напруга
на внутрішній частині кола . Внутрішній опір – величина стала , яка
залежить тільки від будови елемента , отже , при цьому має збільшуватися
сила струму . Спад напруги на зовнішній частині кола розраховують за
формулою : UЗ=IR .Так само можна визначити спад напруги на внутрішній
частині кола . Звідси E=IR + Ir , тому I=E/R+r . Розглянемо ще випадок ,
коли зовнішнє електричне коло , крім резисторів , має ділянку ЕРС , яка
діє проти ЕРС джерела . Таку ЕРС має , наприклад , увімкнений на
зарядження акумулятор або електродвигун постійного струму . У цьому
випадку для зовнішнього кола у формулу U=IR замість U треба підставити
U-E1 .
– 14 –
Тоді U- E1 =IR . Звідки I=U – E1 /R . Якщо подібну підстановку зробити у
формулу для повного кола , то E=IR – E1 +Ir +Ir1 , звідки E + E1 = IR +
Ir +Ir1 . Це рівняння відоме відоме під назвою другого правила Кіркгофа
і є узагальненим законом Ома . Читається так : у будь-якому замкненому
контурі алгебраїчна сума усіх електрорушійних сил дорівнює алгебраїчній
сумі спадів напруг на всіх ділянках кола .
– 15 –
5 . Четвертий стан речовини .
Плазма .
Кількість станів , у яких може бути речовина , не обмежується трьома .
Ще Фарадей понад 140 років тому говорив про особливий , відмінний від
звичайного стан – про “ електротонічний “ , тобто електрозбуджений стан
матерії , а в1879 р. англійський фізик Крукс назвав свою доповідь так :
“Про променисту матерію , або Четвертий стан матерії “ .
Що ж таке плазма ? Плазма – це іонізований газ , у якому густини
позитивних і негативних зарядів практично збігаються . Властивості
плазми настільки відрізняються від звичайних газів , що цілком
справедливо фізики відносять її до особливого , четвертого стану
речовини . Як відомо газ поганий провідник електрики . Заряджений
електроскоп у сухому повітрі дуже довго не розряджається , у місці
розриву електричного кола через повітряний проміжок струм не проходить і
т.д.
Щоб середовище могло проводити струм , потрібно носії електричних
зарядів : у металах це електрони , в рідинах – позитивні й негативні
іони , які утворюються в результаті електролітичної дисоціації . Щоб
зробити газ провідним , потрібно спричинити розщеплення його молекул і
атом на іони й електрони . Іонізацію можна збудити нагріванням
ультрафіолетом і рентгенівським промінням , і промінням радіоактивними
речовинами .
Дуже ефективні досліди з світінням трубок Гейслера . У трубках міститься
розріджений газ . Під дією високої напруги газ у трубках світився гарним
сяйвом . Залежно від природи газу колір сяйва різний .
Уважно розглядаючи світіння в темряві , можна помітити , що між
рожево-фіолетовим світним стовпом , який іде від позитивного електрода ,
і голубуватим світінням навколо катода є темний простір . Позитивний
стовп займає більшу частину трубки .
У повітрі , яке заповнює трубку , завжди є хоч один позитивний іон . Під
впливом електричного поля він прямує
– 16 –
до катода і вибиває з нього електрон . Дістаючи прискорення від
електричного поля , цей електрон набуває значної енергії , і під час
зіткнення його з молекулою утворюється новий електрон і позитивний іон .
Електрони , які утворюються в такий спосіб , при достатньому розрідженні
газу в трубці можуть розривати під час вільного пробігу досить велику
швидкість і розбивати нові молекули .
Кількість іонів і електронів лавиноподібно зростає . Ударяючись об
нейтральні молекули й атоми , вони збуджують їх . Це означає , що
електрони атомів переходять на віlдаленіші від ядра орбіти , запасаючи
додаткову потенціальну енергію . Повертаючись на основну орбіту ,
електрони віддають цю енергію у вигляді світла . Спектральні дослідження
плазми дають змогу зробити висновок і про її структуру . Виявилася , що
в плазмі газового розряду швидкості теплового руху електронів і іонів ,
а також нейтральних атомів дуже відрізняється . Найбільшу швидкість
хаотичного руху в газорозрядній трубці мають електрони . Маса електронів
у тисячі й десятки раз менша від маси атома або іона , тому під час
зіткнення з іонами чи нейтральними атомами електрони майже не змінюють
своєї кінетичної енергії . Електрони відлітають від атомів або іонів
подібно до того , як відлетів маленький гумовий м’ячик від масивного
чавунного ядра , не змінюючи ні швидкості , ні напрямку руху ядра . Це
дає підставу говорити про власну величезну температуру електронного газу
плазми . Хоч світіння в газосвітній трубці холодне , температура
електронного газу досягає сотень тисяч градусів . Така газорозрядна
плазма внаслідок неоднорідності температур її складових частин дістала
назву неізотермічної . Ізотермічною плазму називають , коли в ній
температури електронного й іонного газів однакові .
За фізичними властивостями плазма відрізняється від газу . Вона має
добру електро- і теплопровідність . Проте якщо порівняти
електропровідність плазми з електропровідністю металів, то виявилося
суттєва відмінність . Як відомо , для металів залежність сили струму від
напруги визначається законом Ома . Для плазми закон Ома переважно не
застосований . Характеристика
– 17 –
плазми не пряма лінія , а падаюча крива ( мал. № 8 ) . Із зростанням
температури і збільшенням сили струму збільшується і кількість
електронів у плазмі , а тому напруга , потрібна для розряду ,
зменшується . Зменшення опору плазми може привести до небезпечного
зростання сили струму , тому до плазми послідовно приєднують додатковий
резистор . Щодо цього властивості плазми подібні до властивостей
напівпровідників . У напівпровідників опір, так само як і у плазми , тим
більший , чим нижча температура.
Неізотермічна плазма може зберігатися тільки при наявності електричного
поля , а ізотермічна стійка .
Постає питання , як і в якій посудині тримати речовину з
температурою в сотні тисяч і мільйон градусів ? Здавалось би задача
нерозв’язна , оскільки будь-яка речовина при такій температурі
переходить у плазму . Виявилось , що плазма може бути “ підвішеною “ в
магнітному полі всередині вакуумної камери так , щоб не доторкалось її
стінок .
ТЕЗИ
– 1 –
1 . Як відкрили електрон ?
Існування найдрібніших частинок , що мають найменший електричний
заряд , доведено багатьма дослідами . Визначними є досліди Йоффе і
Міллікена , які призвели до відкриття зарядженої частинки . Одна з
основних властивостей електрона – електричний заряд . Маса електрона і
його заряд сталий . Це довів фізик Дж. Томсон у своїх дослідах , він
також визначив масу електрона і його заряд . Для цього він спостерігав
осадження в скляній посудині хмарки з дрібненьких водяних краплинок ,
які сконденсувалися з насиченої водяної пари на іонах водню . Визначні
з історії фізики досліди Томсона на відхилення катодного проміння в
магнітному або електричному полі показали , що катодне проміння – це
пучок швидких електрично заряджених частинок , отже це потік електронів
.
2 . Дрейф електронів в металах .
Існування руху електронів в металах було доведено дослідами
вчених Л .І .Мандельштама і М .О .Папалексі , а також Стюартом і
Толменом . Вони визначили , що коли немає зовнішнього електричного поля
, сумарний заряд , що переноситься в будь-якому напрямі , дорівнює нулю
. Це тому , що сума всіх негативних зарядів дорівнює сумі всіх
позитивних зарядів . Якщо до кінців металевого дроту прикласти
електричну напругу , то в провіднику встановиться електричне поле . Воно
діятиме на електричні заряди й спричинюватиме їх додатковий рух .
Утвориться напрямлений рух електронів в напрямку до позитивного полюса
джерела , але при цьому електрони збережуть і безладний рух , отже
утвориться електричний струм . Швидкість електронів під дією струму дуже
мала . Швидкість електричного струму створюється не за рахунок швидкості
електронів , а завдяки швидкості поширення електромагнітного поля . Вона
дорівнює 300000 км / с .
Різні речовини неоднаково проводять електричний струм , ця
властивість речовини характеризується опором . Опір металів залежить
також від температури , з підвищенням він збільшується , бо пробиватися
електронам серед іонів , які швидко коливаються важче , ніж в тому разі
якби іони рухалися повільніше .
– 2 –
3 . Як Ом математично розробляв свій закон ?
Досліди проведені Омом з термоелементом , дали змогу визначити
залежність сили струму від електрорушійної сили . Цей закон записується
так : I=E/R , де І – сила струму , Е – електрорушійна сила , R – сума
внутрішнього і зовнішнього опорів . Він прийшов до висновку , що сила
струму прямо пропорційна електрорушійній і обернено пропорційна довжині
шляху , або опору кола . Також була встановлена залежність опору від
площі поперечного перерізу й матеріалу провідника . Ось основний його
дослід , що призвів до вищесказаних тверджень . Він склав термоелемент
із зігнутих під прямим кутами вісмутової і мідної смужок , кінці яких
скріплювались гвинтами . Один кінець термоелемента був у киплячій воді ,
а другий – обкладали танучим льодом . Від полюсів дротини опускалися в
чашки з ртуттю . Коло замикали дротинами різної довжини , що
приєднувалися до тих самих чашок . Силу струму визначали його дією на
магнітну стрілку , підвішену на нитці над дротиною , що йде від
термоелемента . Закручуючи нитку в бік , протилежний до відхиляючій сили
струму , вдавалося повернути її до початкового положення , в площину
меридіана .
4 . Четвертий стан речовини .
Існує четвертий стан речовини – це плазма або іонізований газ , в якому
густини позитивних і негативних зарядів збігаються . Плазма має
властивість добре проводити електричний струм і має добру
теплопровідність . Проте якщо порівняти електропровідність плазми з
електропровідністю металів , то виявиться різка відмінність . До неї не
застосуєш закон Ома . В плазмі із зростанням температури і збільшенням
сили струму збільшується і кількість електронів у плазмі , а тому
напруга , потрібна для розряду , зменшується . Виявилось , що в плазмі
газового розряду швидкості теплового руху електронів і іонів дуже
відрізняється . Найбільшу швидкість хаотичного руху в газорозрядній
трубці мають електрони . Таку плазму в якій існує неоднорідність
температур її складових частин дістала назву неізотермічна . Ізотермічна
плазма є тоді , коли в ній температури електронного і іонного газів
одинакові .
Список використаної літератури .
1 . В. Г . Кривцов – фізика 1989 р . Москва . На допомогу вступаючим у
вуз .
2 . К . В . Корсак – фізика 1994 р . Київ “ Вища школа “ .
3 . М .І . Блудов – бесіди з фізики 1989 р . Київ “Радянська школа “.
4 . Дж . Б . Мерлон – фізика і фізичний світ . 1975 р .
ВИСНОВКИ
Опрацювавши цей матеріал можна зробити висновок , що одна з основних
властивостей електрона є електричний заряд . Електрон – це частинка з
найменшим від’ємним зарядом . Маса електрона і його заряд сталий . Фізик
Дж.Томсон у своїх дослідах визначив,
– 31
що маса електрона дорівнює : m = 9,1* 10 кг . , а його заряд e = 1,6 *
-19
10 Кл.
Рух електронів в металах був доведений дослідами вчених Папалексі і
Мандельштамом , а також Стюартом і Толменом . Вони довели , що коли
немає зовнішнього електричного поля , сумарний заряд , що переноситься в
будь-якому напрямі , дорівнює нулю , тобто струму немає , бо сума всіх
негативних зарядів дорівнює сумі всіх позитивних зарядів .
Напрямлений рух електронів в напрямку до позитивного полюса називається
електричним струмом . Швидкість електричного струму не залежить від
швидкості руху електронів , а залежить від швидкості поширення
електромагнітного поля .
Різні речовини неоднаково проводять електричний струм , цю властивість
речовини характеризують опором . Опір металів залежить також від
температури , з підвищенням він збільшується .
Досліди Ома дали змогу визначити залежність сили струму від
електрорушійною сили . Цей закон записується так : I = E/R , І –сила
струму , Е –електрорушійна сила , R – опір . Він встановив залежність
опору від площі поперечного перерізу й матеріалу провідника .
Плазма – це іонізований газ , в якому густини позитивних і негативних
зарядів збігається . Плазма має такі властивості : добру електро- і
теплопровідність , закон Ома до плазми не застосовний , бо із зростанням
сили струму збільшується і кількість електронів у плазмі , а тому
напруга , потрібна для розряду , зменшується . Буває плазма ізотермічна
і неізотермічна . Ізотермічна – це плазма , коли в ній температури
електронного і іонного газів однакова , а неізотермічна , коли
температури цих газів неоднакові .
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
