Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 3
Электрический ток. Закон Ома
Если изолированный проводник поместить в электрическое поле , то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила . В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, не скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника равно нулю.
Однако в проводниках может при определенных условиях возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:
(1)
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.
В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током.
Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачки жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.
Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
(2)
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.
Цепь постоянного тока можно разбить на определенные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.
При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе 12, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна
U12 = φ1 – φ2 + 12. (3)
Величину U12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:
U12 = φ1 – φ2. (4)
Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:
, или (5)
где R = const.
Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.
Согласно закону Ома, выраженному в наиболее общей, локальной (дифференциальной) форме, в любой точке проводника вектор плотности тока j линейно связан с напряжённостью электрического поля Е соотношением
(6)
где -удельная электрическая проводимость, характеризующая способность материала проводника проводить электрический ток.
Предполагается, что поле в общем случае складывается из электростатического поля и поля сторонних сил
. (7)
Единицей удельной электропроводности в СИ является сименс на метр (См/м). В практических расчётах часто используется физическая величина , обратная удельной электропроводности,
(8)
Её принято называть удельным электрическим сопротивлением материала. Единицей удельного сопротивления в СИ является Ом-метр (Ом∙м).
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат.
Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:
IR = U12 = φ1 – φ2 + = Δφ12 + . (9)
Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома.
На рисунке изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd) является однородным.
По закону Ома IR = Δφcd
Участок (ab) содержит источник тока с ЭДС, равной .
По закону Ома для неоднородного участка Ir = Δφab + .
Сложив оба равенства, получим: I(R + r) = Δφcd + Δφab + .
Но Δφcd = Δφba = – Δφab. Поэтому
(10)
Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.
Сопротивление r неоднородного участка на рисунке можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока. В этом случае участок (ab) на рисунке является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (R << r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания
(11)
Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r.
Электрический ток в металлах
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси (1913 г.).
По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен
а его удельный заряд есть
Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.
При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени Δt через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме .
Число таких электронов равно , где n – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δt пройдет заряд . Отсюда следует:
или
Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 1028–1029 м-3.
Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм2, по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения
Электрический ток в полупроводниках
По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся
изоляторами.
Такой ход зависимости ρ(T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.
Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.
При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов:
I = In + Ip.
Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.
Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.
Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.
Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).
На рисунке показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.
В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.
Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рисунке показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.
Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.
Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.
Для полупроводников n- и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.
Электрический разряд в газе.
Процесс протекания электриче ского тока через газ называют га зовым разрядом.
Ионизация газов. При комнатной температуре воз дух очень плохой проводник. При нагревании проводимость воздуха возрастает. Увеличение проводимо сти воздуха можно вызвать и иными способами, например действием из лучений: ультрафиолетового, рентге новского, радиоактивного и др.
При обычных условиях газы поч ти полностью состоят из нейтраль ных атомов или молекул и, следо вательно, являются диэлектриками. Вследствие нагревания или воздей ствия излучением часть атомов иони зуется — распадается на положи тельно заряженные ионы и электро ны. В газе могут обра зовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря при соединению электронов к нейтраль ным атомам.
Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагре вания молекулы движутся быстрее. При этом некоторые молекулы на чинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура, тем больше образуется ионов.
Проводимость газов. Механизм проводимости газов похож на меха низм проводимости растворов и рас плавов электролитов. Разница со стоит в том, что отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, как в вод ных растворах или расплавах элект ролитов, а электронами.
Таким образом, в газах сочета ется электронная проводимость, по добная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобней проводимости водных растворов или расплавов электролитов. Существен но еще одно различие. В газах образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счет действия внешних иони заторов, например излучений.
Рекомбинация. Если ионизатор перестанет действовать, то ток прекращается после того, как все ионы и электроны достигнут элект родов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряжен ного иона они могут вновь образовать нейтральный атом. Такой процесс называют ре комбинацией заряженных частиц.
В отсутствие внешнего поля за ряженные частицы исчезают только вследствие рекомбинации и газ ста новится диэлектриком. Если дейст вие ионизатора неизменно, то уста навливается динамическое равнове сие, при котором число вновь обра зующихся пар заряженных частиц равно среднему числу пар, исчезаю щих вследствие рекомбинации.
При комнатных температурах га зы являются диэлектриками. Нагре вание газа или облучение ультра фиолетом, рентгеновскими и други ми лучами вызывает ионизацию атомов или молекул газа. Газ ста новится проводником.
НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ И САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯДЫ
Несамостоятельный разряд. Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно исполь зовать стеклянную трубку с двумя электродами.
Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в се кунду определенное число пар заря женных частиц: положительных ионов и электронов.
При небольшой разности потен циалов между электродами трубки положительно заряженные ионы пе ремещаются к отрицательному элект роду, а электроны и отрицательно заряженные ионы — к положитель ному электроду. В результате в труб ке возникает электрический ток, т. е. происходит газовый разряд.
Не все образующиеся ионы дости гают электродов; часть их воссоеди няется с электронами, образуя нейт ральные молекулы газа. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля за ряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. Возрас тает и сила тока в цепи. Наконец, наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом даль нейшего роста тока не происходит. Ток, как говорят, дости гает насыщения. Если действие иони затора прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников ионов нет. По этой причине разряд называют несамостоятельным разрядом.
Самостоятельный разряд. Что бу дет происходить с разрядом в газе, если продолжать увеличивать раз ность потенциалов на электродах?
Казалось бы, что сила тока и при дальнейшем увеличении разно сти потенциалов должна оставаться неизменной. Однако опыт показыва ет, что в газах при увеличении раз ности потенциалов между электро дами, начиная с некоторого значе ния, сила тока снова возрастает. Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число ионов, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний иони затор будет уже не нужен для под держания разряда. Если убрать внешний ионизатор, то разряд не прекратится. Так как разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его назы вают самостоятельным разрядом.
Ионизация электронным ударом. Каковы же причины резкого увели чения силы тока в газе при больших напряжениях?
Рассмотрим какую-либо пару за ряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего иони затора. Появившийся таким обра зом свободный электрон начинает двигаться к положительному элект роду — аноду, а положительный ион — к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные ато мы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля. Чем больше разность потен циалов между электродами, тем больше напряженность электриче ского поля.
Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением про порциональна напряженности поля и длине свободного пробега элект рона (пути между двумя последова тельными столкновениями):
Если кинетическая энергия элект рона превосходит работу А„ которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом, т. е.
то при столкновении электрона с атомом происходит ионизация. В результате вместо одного свободного электрона оказываются два (налетающий на атом и вырван ный из атома). Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т.д. Вследствие этого число за ряженных частиц резко возрастает, возникает электронная лавина. Опи санный процесс называют иониза ция электронным ударом. Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить длительный само стоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким обра зом электроны движутся по направ лению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для существования разряда необходима эмиссия электронов с катода (эмис сия означает испускание). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами. Положи тельные ионы, образовавшиеся при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетиче скую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхно сти последнего выбиваются элект роны.
Кроме того, катод может испус кать электроны при нагревании до высокой температуры (термоэлект ронная эмиссия). При самостоя тельном разряде нагрев катода может происходить за счет бом бардировки его положительными ионами.
В газах при больших напряженностях электрических полей электро ны достигают таких больших энер гий, что начинается ионизация элект ронным ударом.
Разряд становится самостоятель ным и продолжается без внешнего ионизатора.
РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА
В зависимости от свойств и со стояния газа, а также от характера и расположения электродов и приложенного к электродам напряжения возникают различные виды само стоятельного разряда в газах.
Тлеющий разряд. При низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) в труб ке наблюдается тлеющий разряд. Для возбуждения тлеющего разряда достаточно напряжения между элект родами в несколько сотен (а иногда и значительно меньше) вольт. При тлеющем разряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода, заполнена однородным свечением, называемым положитель ным столбом.
Тлеющий разряд используют в трубках для реклам. Красное свече ние возникает при наполнении труб ки неоном. Положительный столб в аргоне имеет синевато-зеленоватый цвет. В лампах дневного света используют разряд в парах ртути. Важнейшее применение тлеющий разряд получил в сравнительно не давно созданных квантовых источни ках света — газовых лазерах.
Электрическая дуга. При сопри косновении двух угольных стержней в месте их контакта из-за большого сопротивления выделяется большое количество теплоты. Температура повышается настолько, что начина ется термоэлектронная эмиссия. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними начинается разряд. Между углями возникает столб ярко светящегося газа—электрическая дуга. Проводимость газа в этом случае значительна и при атмосферном дав лении, так как число электронов, испускаемых отрицательным элект родом, очень велико.
Сила тока в небольшой дуге дос тигает нескольких ампер, а в боль ших дугах — нескольких сотен ампер при напряжении порядка 50 В.
Электрическая дуга была впер вые получена в 1802 г. русским ака демиком В. В. Петровым.
Высокая температура катода при горении дуги поддерживается бом бардирующими катод положительны ми ионами. Газ в самой дуге также сильно разогревается под действием соударений с электронами и ионами, ускоряемыми полем. Из-за этого происходит термическая ионизация газа.
На положительном электроде ду ги под влиянием бомбардировки электронами образуется углубле ние — кратер. Температура в крате ре при атмосферном давлении дости гает 40000 С, а при давлении 2•106 Па превышает 7000 °С. Чтобы предста вить себе, насколько велика эта температура, заметим, что темпера тура поверхности Солнца равна приблизительно 6000°С.
Электрическая дуга может возни кать не только между угольными, но и между металлическими элект родами.
Если увеличивать силу тока при тлеющем разряде, то темпе ратура катода за счет бомбарди ровки ионами увеличится настоль ко, что начнется дуговой разряд. Таким образом, для возникнове ния дугового разряда не обязатель но предварительное сближение элект родов.
Дуговой разряд — мощный источ ник света, его используют в прожек торах, проекционных ап паратах и киноаппаратах.
В металлургии широко применя ют электропечи, в которых источни ком теплоты служит дуговой разряд. Дуговой разряд используют также для сварки металлов.
Другие типы самостоятельного разряда. При атмосферном давлении вблизи заостренных участков про водника, несущего большой электри ческий заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся область кото рого напоминает корону. Этот разряд, называемый коронным, вызывается высокой (около 3∙106 В/м) напряженностью элект рического поля вблизи заряженного острия.
При такой большой напряженно сти поля ионизация посредством электронного удара происходит при атмосферном давлении. По мере удаления от поверхности проводни ка напряженность быстро убывает. Поэтому ионизация и связанное с ней свечение газа наблюдаются в ограниченной области пространства. Заряженное грозовое облако ин дуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды про тивоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время ее нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называли огня ми святого Эльма.
Особенно часто свидетелями это го явления становятся альпинис ты. Иногда не только металличе ские предметы, но даже и кончи ки волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточ ками.
С коронным разрядом прихо дится считаться, имея дело с вы соким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тон ких проводов может начаться ко ронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.
При большом напряжении между электродами в воздухе возникает искровой разряд, имеющий вид пуч ка ярких зигзагообразных полосок, разветвляющихся от тонкого канала. Этот вид разряда возни кает тогда, когда мощность источни ка тока недостаточна для поддержа ния дугового или тлеющего разряда. Пример гигантского искрового раз ряда— молния. Мол нии возникают либо между двумя облаками, либо между облаком и Землей. Сила тока в молнии дости гает 500 000 А, а разность потен циалов между облаком и Землей — 1 млрд. В.
Одним из видов газового разряда является свече ние верхних слоев атмосферы, бом бардируемых заряженными космиче скими частицами (полярное сияние).
При низких давлениях происхо дит тлеющий разряд. При атмосфер ном давлении можно получить элект рическую дугу, наблюдать коронный и искровой разряды.
Аэроионы и их лечебно-профилактическое действие
Электрический заряд в воздухе может об разоваться и при распылении в нем полярных жидкостей (балло-электрический эффект), т.е. таких жидкостей, молекулы кото рых имеют постоянный электрический дипольный момент. Так, например, при дроблении в воздухе вода распадается на заряжен ные капельки. Знак заряда крупных капель (положительный для чистой воды) противоположен по знаку заряду мельчайших капелек. Более крупные капли сравнительно быстро оседают, и в воздухе остаются отрицательно заряженные частицы воды. Такое явление наблюдается у фонтана.
Приведем значения наименьшего ионизационного потенциала, соответствующего отрыву внешних электронов, для некоторых газов
|
φи , В |
φи , В |
||
|
Пары натрия Пары ртути Кислород Углекислый газ |
5,1 10,4 12,5 14,4 |
Азот Водород Гелий |
15,5 15,6 21,5 |
Ионизационный потенциал внутренних электронов значитель но выше.
В земных условиях воздух практически всегда содержит неко торое количество ионов благодаря природным ионизаторам, глав ным образом радиоактивным веществам в почве и газах, и косми ческому излучению. Ионы и электроны, находящиеся в воздухе, могут, присоединяясь к нейтральным молекулам и взвешенным частицам, образовать более сложные ионы. Эти ионы в атмосфере называют аэроионами.
Они различаются не только знаком, но и массой, их условно делят на легкие (газовые ионы) и тяжелые (взвешенные заряжен ные частицы — пылинки, частицы дыма и влаги).
Тяжелые ионы вредно действуют на организм. Легкие и в основ ном отрицательные аэроионы оказывают благотворное влияние. Их используют, в частности, для лечения — аэроионотерапия.
Различают естественную аэроионотерапию, связанную с пре быванием больного в природных условиях с повышенной иониза цией воздуха (горы, водопады пр.), и искусственную, проводи мую с помощью специальных устройств — аэроионизаторов, ко торым может быть любой ионизатор, создающий ионы в воздухе. Изменение ионного состава воздуха в связи с солнечной активно стью является, вероятно, одной из причин влияния Солнца на земные биологические организмы. Оно изучается в разделе биофизики, называе мом гелиобиологией. Однако, используемый для лечебных целей, он не должен вызы вать побочного вредного воздействия на организм. Разновидно стью искусственной аэроионотерапии является электростатиче ский душ (франклинизация).
При франклинизации применяют постоянное электрическое поле высокого напряжения (до 50 кВ). Лечебное действие оказы вают образующиеся при этом аэроионы и небольшое количество озона. Франклинизацию проводят в виде общих и местных проце дур. При общей франклинизации больной сидит на изолирован ном деревянном стуле с металлической пластиной, соединенной с положительным полюсом аппарата. Над головой больного на рас стоянии 10—15 см устанавливают электрод в виде паука, подклю ченный к отрицательному полюсу аппарата.
ПОСТОЯННЫЙ ТОК В БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ
В реальных телах, как твердых, так и жидких, проводимость, как правило, смешанная, но в большинстве слу чаев с резким преобладанием электронной или ионной компо ненты.
В биологических объектах чисто электронная проводимость отсутствует, так как они в основном представляют собой или диэлектрики, или растворы электролитов; к последним относят ся кровь, цитоплазма и различные тканевые жидкости. Так, на пример, плазма крови содержит 0,32% поваренной соли и не большое количество других солей, а также 6—7% белков. Мож но было бы предположить, что такие системы, содержащие большое количество свободных ионов, будут иметь малое удель ное сопротивление. Однако опыты показывают, что удельное сопротивление цитоплазмы постоянному току довольно вели ко— от 1 до 3 Ом-м, а удельное сопротивление большинства тканей имеет величины от 10 до 100 кОм-м. Это можно объяс нить тем, что в состав цитоплазмы входят, помимо электроли тов, жиры и белки, а на электрические свойства клеток и тка ней оказывают значительное влияние клеточные мембраны. Ве личины удельных сопротивлений различных тканей довольно сильно отличаются друг от друга. Лучше всего проводят элект рический ток спинномозговая жидкость, кровь, лимфа; несколь ко хуже — мышцы, печень, легочная ткань. Очень большое со противление имеют жировая и костная ткани, кожа. Сопротив ление ткани зависит от внешних причин. Например, удельное сопротивление влажной кожи значительно меньше, чем сухой; различные повреждения (ссадины, ожоги) понижают сопротив ление кожи.
Измерение электросопротивле ния тканей и органов животных представляет значительную труд ность поскольку биологические объекты имеют самую различную конфигурацию, и при вычислении их удельного сопротивления необходимо прибегать к сложным расчетам.
Кроме того, органы и ткани неоднородны по своему составу. Так, при наложении электродов на участок тела животного ли нии тока проходят через кожу, жировую и мышечную ткани, через кровеносные сосуды, причем ток идет преимущественно по тем участкам, сопротивление которых наименьшее (вдоль потоков тканевой жидкости, по кровеносным сосудам, нервным волокнам и т. п.), и судить по таким измерениям о сопротивле нии ткани в целом крайне трудно, а порой невозможно.
Проведение электрических измерений с живыми объектами связано с рядом дополнительных специфических трудностей, суть которых в том, что физические параметры живых существ не остаются постоянными с течением времени. Они изменяются как в связи с физиологическими процессами, протекающими в организме животных, так и под воздействием протекающего че рез них тока. При проведении опытов необходимо следить за физиологическим состоянием животного, за тем, чтобы прохо дящий через него ток не оказывал на него не только поврежда ющего действия, но и сильного раздражения, которое приводит к изменению электрических параметров организма. При изме рениях, проводимых на изолированных от организма тканях, необходимо учитывать ионный характер электропроводности тканей и поддерживать в них постоянную влажность. Для это го на время измерений ткани помещают в специальные влажные камеры. Однако образующийся при этом поверхностный слой влаги может шунтировать объемное сопротивление тканей и искажать результаты измерений. Следует помнить, что каждое предыдущее измерение, раздражая объект, может оказывать влияние на результат последующего измерения, и поэтому при повторных измерениях получаются не всегда совпадающие экспериментальные данные. Не менее сложны измерения электри ческих параметров отдельных клеток. Введение микроэлектро дов в клетку не может не оказывать на нее опредетенного влияния, вследствие чего происходит изменение ее проводимо сти. Прохождение постоянного тока приводит к диссоциации цитоплазмы, а это ведет к гибели клетки, если диссоциация до статочно велика. Поэтому при измерении электросопротивления клетки, как и вообще живых объектов, необходимо использо вать как можно меньшие токи, а это снижает точность изме рений.
Если, однако, учесть все вышеуказанные факторы и, соблю дая предосторожности, измерить ток в какой-либо ткани, то окажется, что при постоянном напряжении на электродах сила тока меняется со временем. После присоединения электродов к источнику напряжения сила тока быстро уменьшается в сотни и даже в тысячи раз, и лишь после этого устанавливается ка кое-то постоянное значение тока. Резкое уменьшение силы тока в биологических объектах, а следовательно, резкое возрастание их электросопротивления через некоторое время после замыка ния электрической цепи объясняется поляризационными эффек тами.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Физиологическое действие постоянного тока в значительной степени связано с процессами, происходящими в электролитах, заполняющих клетки и ткани. Если приложить к поверхности тела два электрода, то даже при слабых токах ощущается жжение, а при увеличении тока на коже по является ожог. Объясняется это тем, что ионы натрия и хлора, в большом количестве содержащиеся в цитоплазме и в межклеточных жидкостях, в результате вторичных реакций на электродах образуют такие вещества, как НС1 и NaOH, действие которых на ткани и при водит к ожогу Для предупрежде ния этого явления при лечении электрическим током и при био электрических измерениях исполь зуют неполяризующиеся электроды, а также помещают между металлическими электродами и кожей марлевую прокладку, смоченную физиологическим раствором.
В медицинской и ветеринарной практике обычно применяют свинцовые электроды. Пластичные свинцовые пластинки легко принимают форму того органа, к которому их прикладывают Это существенно, так как если электрод касается тела только в нескольких точках, то плотность тока в этих точках возрастает, что может привести к ожогу. Кроме того, тяжелые ионы свинца обладают малой подвижностью и не проникают в организм при прохождении слабого тока.
Однако и при использовании неполяризующихся электродов увеличение силы тока приводит сначала к слабому, а затем к более сильному раздражению клеток и тканей. Это ведет к бо левым ощущениям, шоку и при определенной величине тока — к гибели животного. Причина раздражения клеток сводится к поляризационным эффектам, так как при прохождении тока на противоположных концах клетки накапливаются разноименно заряженные ионы. Возбуждение клетки происходит тогда, ког да концентрация ионов на противоположных поверхностях мембраны достигает определенного предельного значения и про исходит «пробой» диэлектрической мембраны. Очевидно, этот процесс будет тем более интенсивным, чем больше плотность тока в ткани. При слабых токах «пробоя» мембраны вообще не будет, так как накапливающиеся на ее поверхностях в неболь ших количествах ионы будут разбрасываться в стороны тепло вым движением. Таким образом, раздражение ткани электри ческим током имеет определенный порог, ниже которого дейст вие тока живым организмом не ощущается Поскольку для до стижения порогового значения необходимо накопление на мембране определенного электрического заряда, величина по рогового тока должна быть тем больше, чем меньше время действия тока. При малом времени действия тока, т. е. при про хождении через ткань кратковременного импульса, обладающие определенной инерцией ионы практически не успевают прийти в движение, скопление их у мембраны незначительно и раздраже ние ткани невелико. Зависимость величины порогового тока и напряжения от времени их действия выражается формулами Вейсса
где А, В, a, b — эмпирические константы. Константу В, определяющую минимальную силу порогового тока (или мини мальное пороговое напряжение), необходимую для раздраже ния при длительном воздействии тока, называют реобазой (греч. реос — течение). Время t, необходимое для раздражения при силе тока, равной двум реобазам, называют хронаксией (греч. хронос — время, аксиа — мера). Величина хронаксии яв ляется показателем скорости возникновения возбуждения и го ворит об уровне возбудимости ткани. Для скелетных мышц и нервов млекопитающих хронаксия равна примерно десяти ты сячным долям секунды, для гладких мышц — десятым долям секунды. Внешние воздействия могут приводить к изменению хронаксии, что может служить показателем определенных фи зиологических процессов. Например, действие шумов свыше 70 дБА на кур-несушек ведет к изменению хронаксии и одно временному снижению яйценоскости.
Слабые токи обладают терапевтическим действием. Метод лечения слабым постоянным током называют гальванизацией. Этот метод начали применять еще в начале XIX в., когда по стоянный ток называли гальваническим. В зависимости от мес та приложения электродов раздражение передается от кожи по нервам на тот или иной внутренний орган, в котором происхо дят изменения его обменных и функциональных свойств. В ка честве ответной реакции на раздражение рефлекторно расши ряются капилляры, изменяется проницаемость клеточных мемб ран; электролиз в клетках и тканях приводит к возникновению новых веществ с иной физиологической активностью и т. п. Что касается теплового эффекта, то при гальванизации он ничтож но мал, так как при терапевтических процедурах применяют токи, плотность которых не превышает 0,5 мА/см2.