Электротехника: Основы


Электрический ток проводимости

Когда в обыденной жизни, мы слышим выражение электрический ток, то в первую очередь подразумевается под этим именно ток проводимости. Это всего лишь один из видов токов для среды, называемой проводниками.

Природа тока проводимости обусловлена свойством вещества под названием — проводники. Давайте разберёмся с тем, что такое проводники, как в них существует электрический ток и какие явления при этом происходят.

Начнём с того, что электрический ток определяется как поток электричества, а значит это поток зарядов, которые и несут то самое электричество в количественном измерении в кулонах (Кл).

Элементарный электрический заряд

Пожалуй самый трудный и в то же время простой вопрос. Что такое электричество? Есть у материи одно фундаментальное свойство — это электрический заряд. Фундаментальное — значит основное, базовое, неотъемлемое, практически догматическое, как аксиома в геометрии.

Электрические заряды имеют количественное измерение. Каждый заряд состоит из элементарных, а значит общее количество складывается ступенчато, дискретно. Элементарные частицы, а прежде всего электроны, которые нас интересуют больше всего — имеют электрический заряд, который выражается количественно и измеряется в кулонах (Кл). Какое бы ни было количество заряда, оно всегда кратно элементарному заряду.

Элементарный заряд электрона равен:

Элементарный заряд

Кроме электрона существуют ещё и протоны, которые имеют такое же количество заряда как и электрон, но они нас сейчас мало интересуют так как не являются свободными носителями заряда в проводниках.

Свободные и не свободные заряды

Самый простой ответ на вопрос. Что такое электричество? Это природа и поведение электрических зарядов. Заряды могут быть свободными и связанными, как и всё в природе, они также пребывают в движении. Вот такое движение электрических зарядов и есть электрический ток, или поток электричества.

Чем отличается свободный заряд от не свободного, то есть связанного? Свободные заряды под действием внешних электрических полей, или иных механических и прочих сил, могут изменять траекторию своего движения, скорость, характер движения, тормозится и ускорятся, увеличивать и уменьшать свою кинетическую энергию. Иначе говоря, свободные заряды под действием внешних сил меняют характер своего движения, то есть кинематику.

Как обстоят дела с несвободными зарядами? Раз существуют свободные заряды, тогда должны быть и несвободные. Это связанные заряды, которые под действием внешних сил, любых, или кулоновских, или механических и прочих, не могут изменить кинетическую энергию.

Эти заряды не меняют характер своего движения, а действующие на них силы испытывают противодействие, что имеет свой предел. Если взять кристалл соли, например, NaCl (поваренная соль), то в ней атомы натрия и хлора связаны, каждый атом в отдельности обладает своим электрическим зарядом, но в кристалле они связаны и как бы держат друг друга на привязи. Воздействие внешнего электрического поля может только повернуть кристаллы, но по мере роста напряжённости электрического поля оба атома будут взаимно противодействовать кулоновским силам. Такое противодействие имеет свой предел, свои границы, и как только напряжённость поля превысит определённый порог, молекула вещества NaCl разорвётся и каждый атом станет свободным зарядом. Такие заряды в виде атомов носят название ионов. До разрыва молекулы, силы поля будут совершать работу, которая приведёт к нагреву и расплавлению кристаллов соли.

Идеальный проводник электричества

Давайте представим идеальный проводник электричества, где имеются одни только свободные заряды — электроны. В реальности такого проводника не существует, есть лишь приближения к нему, но представить такой провайдер электричества вполне возможно.

Что же мы имеем в качестве идеального проводника? Проще всего его представить как показано на рисунке в виде прямоугольного бруска, в котором существуют свободные электроны. Этот брусок имеет объем V3), длину, высоту и протяжённость в глубину. Внутри бруска имеются равномерно распределенные заряды — электроны. На объем бруска V, есть некоторая величина плотности заряда σ (сигма), которая показывает сколько свободных зарядов на единицу объёма. Иначе говоря это величина кратная элементарному заряду и показывает сколько кулонов электричества в единице объёма равного 1 м3.

Проводник со свободными электронами

Так как в природе всё движется, свободные заряды в таком идеальном проводнике будут пребывать в хаотическом движении. Каждый будет двигаться казалось бы случайным образом по пути наименьшего сопротивления. Если сквозь брусок провести секущую плоскость S, то в любой момент времени количество зарядов проскочивших сквозь плоскость в одном и другом направлении, справа и слева от неё, будет примерно одинаковое. В таком случае говорят, что поток электричества сквозь плоскость отсутствует, так как вошло столько же зарядов, сколько и вышло.

Площадь сечения S похожа на решето, сквозь которого проходят заряды. Количество зарядов dq прошедших за время dt сквозь такое решето и будет тем самым потоком электричества, которое называется электрическим током. Фактически это статистическая скорость электричества сквозь сечение проводника.

Что же произойдёт если появится внешнее электрическое поле? Что будет происходить с зарядами в объёме бруска V, когда с торцов появятся источники электрического поля?

Будет происходить следующее.

Электрический ток проводимости

Под действием электрического поля источника свободные носители зарядов — электроны, начнут двигаться, потому как на них будет действовать кулоновская сила. Действие силы F приведёт к росту скорости движения зарядов, они начнут двигаться с ускорением, и с каждым моментом времени их скорость будет возрастать. Если бы наш брусок был очень большим, а электрическое поле неизменным, то за долгое время элементарные частицы разогнались бы до скорости близкой к скорости света. Такое возможно в идеальном проводнике, так как ничто не препятствует набору скорости электронами. Но в реальном проводнике из вещества, например, меди, такое не возможно так как электроны встретят на своём пути препятствие в виде кристаллической решётки.

Как только электроны проскочат сечение S, можно смело говорить о потоке электричества сквозь это сечение. В этом случае за промежуток времени dt, через сечение S пройдёт определённое количество электричества dq, а значит ток I будет иметь величину отличающуюся от нуля. Это и будет тот самый ток проводимости о котором говорилось в начале. Для идеального случая ток будет возрастать, так как скорость движения свободных зарядов возрастает. Величина тока в таком случае будет также расти как и скорость зарядов, но в реальном проводнике такого не происходит, так как электроны испытывают торможение при столкновении с электрическим полем кристаллической решётки.

От чего же зависит величина силы тока? От многих факторов. Один из них — это площадь сечения S, а на практике — это сечение провода. Другой фактор — это плотность свободных зарядов на единицу объёма, или иначе, концентрация зарядов в проводнике. Третий фактор — это величина напряжённости источника электрического поля, которая пропорциональна напряжению источника и его качеству. Четвёртый фактор — это различные преграды на пути движения свободных зарядов, например структура кристаллической решётки материала проводника.

Реальный проводник электричества

Практически все металлы являются проводниками электричества. Это обусловлено тем, что в них достаточная концентрация свободных электронов (второй фактор), чтобы быть хорошими проводниками электричества. Индивидуальные особенности кристаллической решётки металлов влияют на способность проводить ток (четвёртый фактор), а если выразится точнее препятствовать ему. Сечение проводника пропорционально улучшает проводимость (первый фактор). Третий фактор не упоминается, так как относится к источнику тока, а не к проводнику.

Электрическая проводимость материалов измеряется в сименсах (См). Величина в один сименс проводимости показывает какое количество электричества (Кл) пройдёт через сечение проводника за одну секунду при падении напряжения на этом участке в один вольт.

Величина проводимости у всех металлов разная. Самым распространенным материалом для изготовления проводников в электротехнических цепях является медь, но также применяется алюминий. Лучший показатель проводимости имеет серебро, а вот золото уступает меди. Особо в качестве проводника можно выделить неметалл — углерод.

Обычно классифицируют материалы как проводники (conductors) если их проводимость лежит в пределах от 10 до 104-108 сименс (См), всё что выше 108 — именуется сверхпроводниками (superconductors), материалы с проводимостью от 10 до 10-8 сименс — это чаще всего полупроводники (semiconductors), а всё что имеет проводимость меньше 10-8 — называется изоляторами (insulators).

Нагрев проводников при прохождении электрического тока

В реальном проводнике ток не нарастает до бесконечности, так как электроны разогнавшись ударяются о кристаллическую решётку материала и всю накопленную энергию отдают в виде кванта излучения. По этой причине происходит нагрев проводов под действием электрического тока.

Кристаллы решётки постоянно вибрируют, причём, чем больше температура материала проводника, тем сильнее колебания кристаллической решётки. С ростом температуры проводимость материала ухудшается, а прохождение тока ведёт к разогреву проводов.

Дата: 13.05.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)


Тег статьи: Электрический ток

Все теги раздела Электротехника:
Электричество Закон Ома Электрический ток Электробезопасность Устройства Биоэлектричество Характеристики Физические величины Электролиз Электрические схемы Асинхронные двигатели