| Головна » Статті » Фізика | [ Додати статтю ] |
ЕЛЕКТРОНИ ТА ЇХ РОЛЬ В ЕЛЕКТРИЧНОМУ СТРУМІ
|
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. 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 ½*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 2,8,18,32,8В 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 . 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 . | |
| Переглядів: 746 | |
| Всього коментарів: 0 | |