Лабораторные работы по электротехнике Изучение метода компенсации Изучение работы полупроводниковых выпрямителей Изучение кенотронного выпрямителя Изучение колебательного контура Изучение цепи переменного тока

Постоянный ток Лабораторные работы

В трехфазных цепях следует собирать токовую цепь каждой фазы, начиная от соответствующего зажима рубильника вдоль фазы. После сборки основной токовой части схемы, следует перейти к подключению параллельных ветвей и цепей напряжения измерительных приборов. Для узловых соединений нескольких ветвей удобно воспользоваться соединительными гнездами, установленными на столах студентов.

Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов.

  При комнатной температуре практически все свободные электроны находятся внутри металла, так как их удерживает притяжение положительных ионов. Однако отдельные электроны с достаточно большой кинетической энергией могут выйти из металла в окружающее свободное пространство (например, в вакуум). При этом они совершают работу против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникшего в металле после их вылета, и против сил отталкивания от электронов, вылетевших ранее. С ростом Т количество электронов, имеющих достаточную кинетическую энергию и покидающих металл, увеличивается.

 Вблизи поверхности возникает «электронное облако», которое вместе с поверхностным слоем положительных ионов образует двойной электрический слой толщиной 10-10-10-9 м. Поле этого слоя препятствует выходу следующих электронов. Разность потенциалов Dj слоя называется поверхностным скачком потенциала. Работу, которую должен совершить электрон при выходе из металла, называют работой выхода А: . Работу выхода принято измерять в электрон-вольтах (эВ). 1эВ - работа перемещения электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1В (1эВ=1.6×10-19 Дж). Работа выхода электрона зависит от химической природы металла и чистоты его поверхности и не зависит от температуры. Для чистых металлов величина работы порядка нескольких эВ.

 В 1797 г. итальянский физик Вольта обнаружил сходное явление и при контакте двух металлов, он установил, что при соприкосновении двух разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов, зависящая от их химического состава и температуры (первый закон Вольты). Эта разность потенциалов называется контактной.

Рис.3.1.Контакт двух различных металлов.

  Для объяснения этого явления рассмотрим контакт двух различных металлов 1 и 2, имеющих работы выхода А1 и А2, причем А1<А2. Очевидно, что свободным электронам второго металла труднее покинуть его пределы, чем электронам первого металла. Поэтому при хаотическом тепловом движении количество свободных электронов, переходящих из первого металла во второй в единицу времени будет больше, чем из второго в первый. В результате этого первый металл зарядится положительно, второй - отрицательно (рис.3.1). Возникающая разность потенциалов  создает электрическое поле напряженностью Е, которое затрудняет дальнейший переход электронов из 1 в 2. Передвижение электронов прекратится, когда разность потенциалов поля станет такой величины, что работа по перемещению электрона внутри поля сравняется с разностью работ выхода: или , где е - абсолютная величина заряда электрона. Значение  составляет обычно около 1В.

Второй причиной появления контактной разности потенциалов между металлами 1 и 2 является различная концентрация в них свободных электронов n01 и n02. Свободные электроны в металле принято рассматривать как электронный газ, который подобен идеальному газу и подчиняется тем же законам. Давление идеального газа равно:, где  - концентрация молекул, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Пусть >, тогда р1>р2, т.е. давление электронного газа в первом металле больше, чем во втором. Под действием перепада давления  электроны будут переходить из первого металла во второй больше, чем в обратном направлении. Процесс диффузионного перехода прекратится, когда возникающее электрическое поле двойного электрического слоя скомпенсирует своим противодействием перепад давления. В результате этого первый металл зарядится положительно, второй - отрицательно. Теоретический расчет возникающей разности потенциалов  показал, что она зависит от концентрации свободных электронов и температуры Т и равна . При комнатной температуре значение  имеет порядок 10-1 В. Таким образом, при контакте двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов .

  На основании опытных данных Вольтой был установлен второй закон: разность потенциалов на концах разомкнутой цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных проводников, находящихся при одинаковой температуре, равна контактной разности потенциалов, создаваемой концевыми проводниками, и не зависит от промежуточных проводников. Пусть цепь состоит из четырех разнородных проводников, имеющих одинаковую температуру. Сумма контактных разностей потенциалов соприкасающихся пар будет равна , то есть не зависит от промежуточных проводников 2 и 3.

 Контактная электризация тел, т.е. возникновение между телами контактной разности потенциалов, встречается довольно часто и не только у металлов. Например, ею обусловлена электризация тел в процессе трения. При контакте двух диэлектриков внешние электроны атомов, расположенных у поверхности соприкосновения, переходят преимущественно на диэлектрик с меньшей диэлектрической проницаемостью e, то есть на диэлектрик, у которого внешние электроны прочнее связаны со своими атомами. При последующем разделении тел, одно из них (с большим значением e) заряжается положительно, другое - отрицательно. Контактная электризация имеет место в коллоидных растворах: жидкость и взвешенные в ней твердые частицы имеют заряды разного знака. При воздействии на коллоидный раствор электрическим полем, взвешенные частицы начинают двигаться вдоль силовых линий поля. Это явление называется электрофорезом. Электрофорез широко используется для выделения эмульсий из нефти, очистки фруктовых соков, удаления пыли и дыма из воздуха, разделения сложных белковых систем на компоненты и т.п.

 Контактной электризацией обусловлено и явление электроосмоса: перемещение жидкости в неподвижном пористом теле, помещенном в электрическое поле. Электроосмос применяется для сушки (холодная электросушка) волокнистых и пористых веществ, очистки воды, обезвоживания торфа и глины. Контактная разность потенциалов играет важную роль в работе электровакуумных приборов.

Термоэлектрические явления

 В 1821 г. Т.Зеебеком было открыто явление, названное термоэлектрическим эффектом. Оно основано на зависимости контактной разности потенциалов от температуры и заключается в следующем: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую цепь, поддерживать при различных температурах, то в такой цепи возникает электрический ток.

 Рассмотрим замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводников 1 и 2 (рис.3.2) Электродвижущая сила e в этой цепи равна алгебраической сумме всех скачков потенциала: .

Подпись:   Рис.3.2. Схема, пояс¬няющая эффект Зеебе¬ка.Если температура спаев одинакова, т.е. Та=Тб, скачки потенциала в спаях одинаковы по величине и противоположны по знаку и e=0 (см. I закон Вольты ). Если температуры спаев а и б различные, например Та>Тб,, то контактная разность потенциалов в горячем спае будет больше, чем в холодном >. В результате в цепи появляется электродвижущая сила e¹0, называемая термоэлектродвижещей силой. Используя формулу для контактной разности потенциалов, получим

или , где коэффициент  - постоянная величина для данной пары металлов.

  С появлением э.д.с. в цепи возникает электрический ток, направление которого при < указано на рисунке стрелкой. Для поддержания постоянного тока в цепи необходимо поддерживать постоянную разность температур. В этом случае происходит преобразование внутренней тепловой энергии системы в электрическую. При Та-Тб=100 К термоэлектродвижущая сила не превышает нескольких милливольт.

 Замкнутая цепь проводников, создающая электрический ток за счет различия температур контактов между проводниками, называется термоэлементом или термопарой. Термопара, вследствие своей большой термопрочности, служит для измерения температуры в очень широком интервале - от десятков до тысяч градусов. Она обладает большой чувствительностью, позволяя измерять очень малые разности температур (до 10-6 К). Термопара, вследствие малых размеров спая, может измерять температуру малых Подпись:   Рис.3.3. Схема, пояс¬няющая эффект Пель¬тье.объемов. Кроме того, за счет использования подводящих проводов, связывающих термопару с измерителем тока или э.д.с., термоэлектрический термометр допускает дистанционные измерения. Для увеличения термо-э.д.с. термоэлементы соединяют последовательно в термобатареи. Э.д.с. такой батареи равна сумме э.д.с. отдельных элементов. Посредством термобатареи можно обнаружить, например, невидимое тепловое излучение человека, находящегося в нескольких метрах от термобатареи.

 В 1834 г. Ж.Пельтье обнаружил явление, обратное термоэффекту. Если по замкнутой цепи, составленной из двух разнородных проводников 1 и 2, пропускать ток, то один из спаев нагревается, другой - охлаждается. На рис.3.3 показана замкнутая цепь, состоящая из двух разнородных проводников с попарно спаянными концами и источник тока e.

Предположим, что металлы 1 и 2 подобраны таким образом, что при их контакте первый зарядится положительно, второй - отрицательно. Контактные электрические поля Е, в данном случае, будут направлены так, как указано на рис.3.3. Поскольку ток в рассматриваемом случае идет по часовой стрелке (так подключена э.д.с.), то движение электронов в цепи происходит в противоположном направлении. В спае б движение электронов ускоряется полем контакта, и кинетическая энергия электронов возрастает за счет энергии спая. Поэтому спай б охлаждается. В спае а поле контакта замедляет движение электронов. Следовательно, электроны отдают свою энергию спаю. За счет этой энергии спай а нагревается. Эффект Пельтье можно использовать для устройства холодильной машины, однако к.п.д. таких холодильников мало.

Цель работы: приобрести практические навыки по изменению тока, напряжения и мощности в электрических цепях; изучить устройство приборов; провести проверку амперметра, вольтметра, ваттметра; определить, истинный класс точности приборов и дать заключение об их пригодности.
Электрические токи в металлах, вакууме и полупроводниках