Пищови по техническа физика 2-ра част

[Mozo]

При протичане на електричен ток в проводник токовите носители изпитват съпротивление при насоченото си движение. Съпротивлението R на проводник, чиито специфично съпротивление ρ и напречно сечение S са едни и същи по цялата му дължина l се определя от израза
.
Специфичното съпротивление на проводника зависи от вида на веществото, което го изгражда и от температурата му. Реципрочната стойност на ρ се нарича специфична проводимост ( = 1/ρ).
Измерителната единица за съпротивление се нарича ом (Ω).
Разгледаното електрично съпротивление се нарича активно (или омово) съпротивление. Освен него има индуктивно и капацитивно съпротивления , които се проявяватт само при протичане на променлив ток. Закон на Ом за част от електрическата веригасе отнася за част от електрическа верига.
За такава част ще смятаме проводник (резистор) със съпротивление R, през който тече ток с големина I. Напрежението в краищата на резистора е U = 1 - 2, като 1 и 2 са потенциалите в двата края на проводника
Законът на Ом гласи, че големината на тока през проводника е правопропорционална на напрежението, приложено в краищата му с коефициент на пропорционалност 1/R, т.е.
За проводник или елемент от проводник с дължина l, напречно сечение S и специфично съпротивление ρ (респективно специфична проводимост ) .За плътността j на електрическия ток се получава и във векторен вид .В този вид се нарича закон на Ом в диференциална форма.Законът на Ом за затворена електрическа верига съдържаща източник с електродвижещо напрежение U* и с вътрешно съпротивление r. В краищата на източника е включена верига с общо активно съпротивление R (фиг. 2).
Законът на Ом в този случай има вида
,
като R0 е общото съпротивление на веригата.
При протичане на електрически ток през проводник в него се отделя топлина. При липса на други разходи на енергия, извършената от източника работа А за пренасяне на заряд q през проводника е равна на отделното количество топлина Q в него, т.е.
A = Q = q(1 - 2) = qU = UIt,
където 1 и 2 са потенциалите в краищата на проводника, U напрежението между тях, I – големината на електрическия ток, а t времето за пренасяне на заряд q през проводника.
Равенството (15) за топлината Q може да се запише във вида
,
като R е съпротивлението на проводника, което изразява и закона на Джаул-Ленц, за топлинното действие на електрическия ток.Величината Р определена чрез топлината Q и приведена към единица време се нарича топлинна мощност.

5.Електричен ток в газове. Несамостоятелна проводимост
Йонизацията е процес, при който от атомите или молекулите се отделят един или повече електрони под влияние на външно въздействие (йонизатор). Йонизатори са: лъчения с достатъчно висока енергия (ултравиолетови, рентгенови, γ - лъчи и др.), ускорени частици и частици с достатъчно голяма топлинна скорост. Чрез йонизатора на атома/молекулата се придава енергия, която трябва да бъде по-голяма или равна на работата Ai за отделяне на електрона. Тази работа е различна за различните електрони на атома и е най-малка за валентните електрони. Величината Ai/е = i (“е” е заряда на електрона) има смисъл на потенциал и се нарича йонизационен потенциал.
В резултат на йонизацията се образува двойка положителен йон – електрон или двойка положителен и отрицателен йон, ако отделеният електрон се захване от атом или молекула. Получените положителни и отрицателни частици са свободни и могат да участват в протичане на електрически ток. Както и при електролитите, концентрацията на двойките йони n, на положителните (n+) и отрицателните (n-) йони са равни т.е. n = n+ = n-. Ще обърнем внимание, че наименованието “отрицателен йон” условно ще употребяваме когато става въпрос за свободен електрон или за електрон захванат от неутрален атом. В такъв случай n- е сумарната концентрация на свободните електрони и отрицателните йони. Ако n0 е концентрацията на неутралните молекули/атоми преди да започне йонизацията (начална концентрация) величината се нарича степен на йонизация.
Броят Δn на йонизираните молекули за единица време в единица обем се нарича скорост на йонизация.Обратният на йонизацията процес, при който се образуват неутрални атоми /молекули когато положителният йон се неутрализира при удар с електрон или отрицателен йон, се нарича рекомбинация. Броят nр на изчезналите двойки йони в единица обем за единица време се нарича скорост на рекомбинация. Тази скорост е пропорционална както на n+ така и на n-, т.е.
nр = β n+ n- = β n2,
където β е величина, определяща способността на йоните да се неутрализират при удар и се нарича коефициент на рекомбинация.
В равновесно (стационарно) състояние скоростта на йонизация и рекомбинация са равни и концентрацията на двойките йони остава постоянна с течение на времето. Равновесната (стационарната) концентрация на двойките йони nст се определя от условието β = nст, като
.
Електрическата проводимост на газа се определя от стационарната концентрация на двойките йони nст, т.е. от стационарните концентрации на положителните и отрицателните йони и тяхната подвижност.
Създаването на свободни токови носители в случая се реализира под действие на йонизатор. Този вид проводимост се нарича несамостоятелна. При спиране на действието на йонизатора концентрацията на свободните токови носители намалява поради рекомбинацията и в крайна сметка газът става непроводящ.
При прилагане на напрежение, чрез поставяне на електроди в йонизирания газ, през него протича електрически ток. Този ток се дължи на пренасянето на положителни йони към катода и електрони или отрицателни йони към анода. При достигане на катода положителния йон приема електрон от него и се неутрализира. Аналогично анодът приема електрон достигнал до него или електрон от отрицателен йон ако такива има в газа. В крайна сметка можем да смятаме, че електронът приет от анода и преминал през електрическата верига се приема от положителния йон достигнал до катода и го неутрализира. Електрическият заряд преминал през електрическата верига за единица време (големината на тока) се определя от равенството
,
където S е сечението на електродите, d – разстоянието между тях, а V = S d – обемът на газа между електродите. По-нататък за скоростта на рекомбинация чрез електродите се получава
,
като е плътността на електрическия ток.
В стационарно състояние скоростта на йонизация трябва да бъде равна на сумата от скоростите на рекомбинация чрез удар и чрез електродите .
6.Самостоятелен газов разряд, видове, плазма
Силни електрични полета. В този случай се смята, че електричното поле е толкова силно, че рекомбинацията чрез електродите преобладава (j/qd >> βn2). Тогава за плътността на тока се получава j = jН = n0 q d = const,
т.е. jН остава постоянна с течение на времето (ток на насищане).
В преходната област изменението на плътността на тока с увеличаване на напрежението е по-сложно. Зависимостта на плътността на тока от приложеното напрежение е известна като волт-амперна характеристика.
При напрежения по-големи от UИ (йонизационно напрежение) започва ударна йонизация на газа.
Ударната йонизация се наблюдава когато кинетичната енергия на ускорените от електричното поле електрони надвишава енергията Еi, необходима за отделяне на електрон от атома или молекулата (йонизационна енергия). Процесът ударна йонизация се осъществява в резултат на удар между електрон и неутрален атом. Енергията за йонизиране на атома се доставя от електричното поле, като преносители на тази енергия от източника на полето до атома са електроните.
В условията на ударна йонизация се наблюдава лавинообразно нарастване на концентрацията на свободните токови носители (електрони и положителни йони), на което се дължи и рязкото увеличение на плътността на тока при U > UИ. Ако при ударната йонизация електричното поле не генерира свободни електрони в прикатодната област проводимостта на газа все още е несамостоятелна.
В условията на самостоятелна проводимост електричното поле само си създава токовите носители чрез ударна йонизация. Ударната йонизация обуславя самостоятелната проводимост само тогава когато свободни електрони се създават при катода, които по-нататък имат възможност да натрупат достатъчно енергия при ускоряването си в електричното поле. Най-често тези електрони се отделят от катода в резултат на ударите на положителните йони, които го бомбардират. Ясно е, че енергията на тези йони трябва да превишава отделителната работа на повърхността на катода. Натрупването на тази енергия също става чрез ускоряване на положителните йони в електричното поле. Генерацията на електрони в прикатодната област може да се дължи и на йонизация на атомите или молекулите при удар с достатъчно ускорени положителни йони.

Целият материал: