Реферат: Електрони та їх роль в електричному струмі

- 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 .