Постоянный ток

Более точным методом, объясняющим  такие явления в металлах, является подход с использованием квантовой статистики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрический ток в растворах и расплавах  электролитов.

Электрический ток может  выделять в некоторых проводниках  их химические составные части. Это  явление получило название электролиза. Согласно первому закону Фарадея для электролиза, масса вещества выделившаяся на каком-либо из электродов, пропорциональна величине заряда, прошедшего через электролит.

m=Kq,

где K - электрохимический  эквивалент.

Фарадей обратил внимание на то, что электрохимический эквивалент любого вещества всегда пропорционален атомному весу А и обратно пропорционален валентности Z этого вещества. Это второй закон Фарадея. Отношение A/Z называется химическим эквивалентом вещества. 
Оба закона можно выразить одной формулой:

m=Aq/(ZF),

где F=96500 кулонов - число  Фарадея.

При наличии электрического поля ион обретает такую скорость установившегося движения, при которой  сила трения и сила еЕ со стороны поля уравновешены. 
Отсюда получаем, что

v=bE.

Через b обозначена подвижность иона. Вообще говоря, подвижность анионов и катионов различна, поэтому вводят обозначения b₊ b_-. 
Число переноса катионов

p_k= b₊/(b₊+b_-).

Соответственно, число  переноса анионов

p_а= b_-/(b₊+b_-).

 

Электрический ток в газах.

В обычном состоянии  газы не проводят электричества. Однако под влиянием различных внешних  факторов (высокая температура, различные  излучения) газы становятся электропроводящими. Это происходит вследствие того, что от нейтральных атомов отделяются электроны и образуются проводящие частицы - положительные ионы и свободные электроны. Часть свободных электронов может быть захвачена нейтральными атомами и образуются отрицательные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Ионизация атома (отрыв электрона) требует определенной энергии, величина которой зависит от строения атома и называется энергией ионизации.

Если ионизацию не поддерживать, например, бомбардируя  атомы электронами, ускоренными  во внешнем электрическом поле, то со временем происходит рекомбинация ионов - положительный и отрицательный ион в результате теплового движения сталкиваются и избыточный электрон переходит к положительному иону. В результате образуется два нейтральных атома. Рассмотрим принципиальную схему, изображенную на рисунке:

 

Пусть на отрицательный  электрод падают ультрафиолетовые лучи, обеспечивающие ионизацию газа. Если увеличивать напряжение между электродами (например, плавно уменьшая сопротивление r) то сила тока будет увеличиваться, пока не достигнет максимума (тока насыщения), при котором все свободные электроны достигают противоположного электрода.

Сила тока насыщения  зависит только от интенсивности  процесса ионизации (в нашем случае, от интенсивности ультрафиолетовых лучей). Если снять внешнюю ионизацию, разряд между электродами исчезнет. Такие разряды называются несамостоятельными. Если же продолжать уменьшать сопротивление (увеличивая тем самым напряжение) произойдет резкое (в сотни раз) увеличение силы тока, в газе появятся световые и тепловые эффекты. Если прекратить действие ионизатора, то разряд будет продолжаться. Это значит, что новые ионы для поддержания разряда образуются благодаря процессам в самом разряде. Такие разряды называют самостоятельными.

Дело в том, что с увеличением напряжения возрастает скорость и кинетическая энергия электрона, и он при столкновении с атомом сам способен произвести его ионизацию - высвободить еще один электрон. На следующем этапе два электрона образуют уже четыре и т.д. Происходит лавинообразное увеличение количества носителей. Это явление получило название электронной (или ионной) лавины, а напряжение, при котором это происходит - напряжением пробоя газового промежутка (напряжением зажигания газового разряда).

В зависимости от свойств и внешнего вида разрядов различают коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды.

В различных формах газового разряда иногда образуется сильно ионизированный газ, в котором концентрация электронов приблизительно равна концентрации положительных ионов. Такая система получила название ионной плазмы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ток в вакууме.

Как известно, в металлах имеются электроны проводимости, образующие "электронный газ" и участвующие в тепловом движении. Для того, чтобы свободный электрон мог выйти из металла, должна быть совершена определенная работа, различная для разных металлов и названная работой выхода.

Существование работы выхода показывает, что в поверхностном  слое металла существует электрическое  поле, значит, электрический потенциал при переходе через этот слой изменяется на некоторую величину, также специфичную для разных металлов. Эта поверхностная разность потенциалов связана с работой выхода соотношением:

A=ef.

Поскольку выйти из металла  могут только "самые быстрые" электроны, то можно записать условие выхода так:

mv²/2>ef.

В обычных условиях работа выхода в сотни раз больше энергии  теплового движения электронов, поэтому  подавляющее большинство их остается в металле. Но если сообщить электронам дополнительную энергию, можно наблюдать явление испускания электронов или электронной эмиссии. В зависимости от того, каким образом сообщена дополнительная энергия, различают термоэлектронную эмиссию, фотоэмиссию, вторичную электронную эмиссию и др.

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии  используется принципиальная схема, содержащая вакуумный диод (см. рис.).

В такой цепи возникнет ток, только если катод раскалить до высокой температуры. Вольт-амперная характеристика диода показывает, что при нулевой разности потенциалов ток очень мал. В дальнейшем, при увеличении потенциала на аноде, увеличивается и ток, пока не достигнет некоторого постоянного значения - тока насыщения Is. Его значение увеличивается с увеличением температуры катода. Также с увеличением температуры растет и напряжение Us, при котором достигается ток насыщения.

По графику наглядно видно, что зависимость между  током и напряжением для диода  носит нелинейный характер, то есть диод не подчиняется закону Ома. Богуславский и Лэнгмюр независимо друг от друга показали, что зависимость тока диода от потенциала анода имеет вид:

I=CU^3/2,

Где С зависит от формы  и размеров электродов.

Зависимость плотности  тока насыщения от температуры известна под названием формулы Ричардсона:

Js=CT^1/2exp(-ef/kT),

где С - константа, различная  для разных металлов. Эта формула  выведена на основании классической электронной теории. Квантовая теория металлов дает следующее соотношение:

Js=АT²exp(-ef/kT).

Заметим, что это различие не существенно, так как зависимость  плотности тока от температуры определяется главным образом экспоненциальным множителем exp(-ef/kT).

 

 

 

 

 

 

3.ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Простейшим источником постоянного тока является химический источник (гальванический элемент или аккумулятор), поскольку полярность такого источника не может самопроизвольно измениться.

Для получения постоянного  тока используют также электрические машины - генераторы постоянного тока.

В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения пульсирующего тока используют выпрямитель. Далее для уменьшения пульсаций может быть использован сглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор напряжения.

Усилитель постоянного  тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток).

На верхнюю границу  частотного диапазона усилителя  никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в  области очень высоких частот. Таким образом, термин УПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе.

В подавляющем большинстве  случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. Путаница обусловлена тем, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще.

Машины постоянного тока

Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижного статора (индуктора) с полюсами и вращающегося ротора (якоря) с коллектором. Статор является источником магнитного поля и механическим остовом машины, якорь- часть машины, в обмотке которой индуцируется э. д. с.

 

На одном валу с  якорем жестко закрепляется коллектор, электрически соединенный с его  обмоткой. Коллектор - характерная деталь машины постоянного тока. Его медных пластин касаются неподвижные угольно-графитовые щетки, размещенные в щеткодержателях на траверсе и электрически соединенные с внешней цепью. Во избежание искрения щетки тщательно притираются к коллектору, а их умеренный нажим должен быть отрегулирован.

Принцип действия машин  постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции и законе Ампера. Магнитное поле машины создается постоянным током (током возбуждения) в обмотке полюсов или постоянными магнитами в машинах малой мощности. Его силовые линии замыкаются через стальные станину, сердечники полюсов и сердечник якоря, дважды преодолевая на своем пути воздушный зазор между ними. Магнитная цепь четырехполюсной машины постоянного тока разветвленная, симметричная. Плоскость, проходящую через ось машины под углом а, при котором она перпендикулярна к силовым линиям, называют геометрической нейтралью (при а. = 0 и 772).

Существует два режима работы эл. двигателей

а: режим генератора  
б: режим двигателя

В режиме генератора машина преобразует механическую энергию в электрическую: к обмотке возбуждения статора подводится постоянный ток возбуждения, а якорь вращается каким-либо первичным двигателем. При этом провода обмотки якоря пересекают магнитные силовые линии полюсов и в них индуцируются э. д. с. С помощью коллектора и щеток, которые являются механическим выпрямителем, эти переменные пульсирующие э. д. с. суммируются в постоянную по значению и направлению э. д. с. машины Е. Если к щеткам подключить приемник, то в нем установится постоянный ток I.

В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в механическую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится постоянный ток от источника. Взаимодействие магнитного поля полюсов статора с током обмотки якоря создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит в движение якорь (ротор).

 

 

 

 

 

 

 

4.ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

До 60-х годов основным источником электрической энергии на автомобилях являлись генераторы постоянного тока.

Схема электроснабжения автомобиля показана на рис. 4.1.

Генератор постоянного тока состоит из статора — неподвижного корпуса, вращающегося якоря с обмотками и коллектора со щеточным узлом. Вращающийся якорь, снабженный обмотками, пересекающими магнитное поле статора, индуцирует в обмотках ЭДС. В каждой секции обмотки якоря ЭДС меняется и по величине и по направлению в зависимости от ее положения относительно магнитного поля.

Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока, где подводимая механическая энергия преобразуется в электрическую энергию постоянного тока. Для этого воспользуемся упрощенной схемой генератора постоянного тока (рис. 4.2). В магнитном поле постоянного магнита вращается стальной сердечник, в продольных пазах которого расположен диаметральный виток abcd Начало d конец а этого витка присоединены к двум взаимно изолированным медным полукольцам. Образующим коллектор, который вращается вместе со стальным цилиндром. По коллектору скользят неподвижные контактные щетки А и В, от которых отходят провода к потребителю энергии R. Стальной сердечник с витком (обмоткой) и коллектором образует вращающуюся часть машины постоянного тока — якорь.

Рис. 4.1. Структурная схема системы электроснабжения автомобиля

 

 

 

 

 

 

 

 

Если с помощью какой-либо внешней силы вращать якорь, то стороны витка будут пересекать магнитное поле и в обмотке якоря будет возникать ЭДС:

e = 2Blu

где В — индукция; l — длина стороны витка; u — скорость перемещения пазовых сторон витка.

Рис. 4.2. Упрощенная схема генератора постоянного тока.

 

 

Так как длина и скорость перемещения пазовых сторон обмотки якоря неизменны, то е обмотки якоря прямо пропорциональна В, а форма графика ЭДС определяется законом распределения магнитной индукции S, размещенной в воздушном зазоре между поверхностью якоря и полюсом самого магнита. Так, например, магнитная индукция в точках зазора, лежащих на оси полюсов, имеет максимальные значения (рис. 4.3, а): под северным магнитным полюсом (N) — положительное значение и под южным магнитным полюсом (S) — отрицательное. В точках n и n’ лежащих на линии, проходящей через середину межполисного пространства, магнитная индукция равна нулю.