Урок 2. Электричество: как пересчитать электроны

— А откуда у вас электричество?

— Два гигантских хомяка крутят колёса в секретном бункере.

«Остаться в живых (Lost)»

И опять в названии урока встречается это слово «электрон».И это всё потому, что без этих маленьких частиц не было бы у нас ни телевизоров, ни компьютеров, ни телефонов. Придётся терпеть…



Здравствуйте, уважаемые! Всем известно, что и в обычной домашней розетке, и в батарейке к электронным часам, и в аккумуляторе автомобиля есть электричество. Но ведь везде оно разное. А насколько разное? И как вообще определить разницу между двумя «электричествами» (да простит меня русский язык)? Но для начала я расскажу о том, где электричество может существовать, а где нет. А точнее сказать, где его много, а где совсем чуть-чуть. На прошлом уроке было высказано утверждение, что в различных веществах и материалах количество свободных электронов разное. Следовательно, для разных материалов за одно и то же время через единицу объема (площади), если материал находится в электрическом поле, пройдет различное количество электронов и будет перенесено разное количество заряда. Отношение количества заряда, перенесенного электрическим полем за единицу времени, называется силой тока:



где Q – величина перенесенного заряда, t –время.

Единицей измерения силы тока является ампер:



показывает, что чем больше электронов поле сумеет «протолкнуть» через материал за то же время, тем больший ток разовьётся в нём.

Однако при увеличении площади поперечного сечения проводника количество электронов увеличивается, следовательно и увеличивается перенесённый заряд в единицу времени и увеличивается сила тока. Для определения способности материала проводить электрический ток была введена величина удельной электропроводности, равная отношению плотности электрического тока к величине напряженности электрического поля. Плотность тока, протекающего через поперечное сечение проводника, показывает, какой ток протекает через единицу этой площади:



Таким образом, удельная электропроводность &#963 равна:



где j – плотность тока, E – напряженность электрического поля.

Единицей измерения удельной электропроводности является сименс.

Зависимость показывает, что чем меньшую плотность тока мы можем обеспечить при данной напряженности поля, тем хуже свойство материала проводить электрический ток и чем меньше напряженность (энергия) поля требуется для создания заданной плотности тока, тем лучше свойство материала проводить электрический ток.

Чем больше величина электропроводности, тем большей способностью проводить электрический ток обладает материал. Именно эта величина и делит все материалы на Земле на три большие группы:

• проводники;
• полупроводники;
• диэлектрики или изоляторы.

Проводники отличаются тем, что количество свободных электронов в них очень и очень большое (высокая удельная электропроводность), поэтому и электричества в них «возникает» много. К этому классу относятся все металлы, растворы солей, кислоты и щелочи, а так же сверхпроводники – материалы, которые в определенных условиях обладают наилучшей проводимостью. Наилучшим проводником в классе проводников (а вот и первый каламбур!) является металл серебро. Он обладает наибольшим количеством этих самых свободных электронов. После него идет медь, потом золото, алюминий, цинк и железо. Однако серебро очень дорогой металл, чтобы использовать его для передачи электричества, поэтому используется он лишь иногда, где это действительно необходимо. Например, большинство проводов изготавливаются из более дешевой меди или алюминия.

К полупроводникам, имеющим среднее значение удельной электропроводности, относят такие материалы, как: германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и т.д. Более подробно свойства полупроводников будут рассмотрены позже. Стоит только отметить, что полупроводники являются одним из важнейших элементом для электротехники, на их основе созданы такие приборы как диоды, транзисторы, большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС) и т.д.

Наиболее низким значением электропроводности обладают диэлектрики – для сравнения: самый лучший диэлектрик, янтарь, в 62.5•10²⁴ раза хуже проводит электрический ток, чем серебро. К диэлектрикам так же относятся: воздух, фарфор, стекло, резина, пластмассы, масла, дистиллированная вода, сухая бумага и т.д. Диэлектрики применяются при производстве изоляции для проводов, конденсаторов, токонепроводящих подложек и частей инструментов и т.д. Условно считается, что диэлектрики, хоть и обладают некоторой величиной удельной электропроводности, не проводят электрический ток вообще. Именно по этой причине в резиновых перчатках электрический ток и не сможет причинить вреда.

• Сила тока (I) – это количество заряда (Q), перенесенное электрическим полем за единицу времени (t). Измеряется в амперах.
• Удельная электропроводность (&#963) – это отношение плотности электрического тока (j) к величине напряженности электрического поля (E). Измеряется в сименсах.
• По величине электропроводности все материалы делятся на три группы: проводники (обладают большой удельной электропроводностью), полупроводники (обладают средним значением удельной электропроводности) и диэлектрики (обладают низкой величиной удельной электропроводности и очень плохо проводят электрический ток).

На этом наш короткий урок закончен. До новых встреч!

И напоследок, вот вам задачки:

• В некотором проводнике площадью поперечного сечения 4мм² плотность тока составила 4А/мм². Определить, сколько электронов прошло через поперечное сечение проводника за один час.
• Определите диаметр круглого проводника, если известно, что для переноса заряда 0.0314 Кл при плотности тока 4А/м² потребовалось 15 минут.

← Урок 1: Куда бегут электроны? | Содержание | Урок 3: Закон Ома →