Uczeń, jak każdy człowiek, chce umieć coś zrobić samodzielnie Spisy zadań Rozwiązane zadania z fizyki szkolnej - gimnazjum i szkoły ponadgimnazjalne (licea i technika) 215. Prąd elektryczny w przewodnikach stałych

Prąd elektryczny w przewodnikach stałych

ATOM, Mechanika, OPTYKA, grawitacja, Elektrostatyka, Magnetyzm, Prąd elektryczny, Energia, Szybkość ruchu, Kinematyka, RUCH PO OKRĘGU, Dynamika, Elektromagnetyzm,    

Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych.

Prąd elektryczny może płynąć w przewodnikach stałych, ciekłych i gazowych. W próżni prąd elektryczny płynie tylko wtedy, gdy do próżni zostaną "dostarczone" nośniki ładunku elektrycznego.

Jaki jest mechanizm przepływu prądu elektrycznego w przewodnikach stałych?

Ładunek elektryczny jest własnością materii. Tak więc mówiąc o przepływie prądu elektrycznego w przewodnikach stałych musimy pamiętać, że ładunek elektryczny przemieszczany jest razem z materią.

W przewodnikach stałych prąd elektryczny tworzą elektrony swobodne. Elektron ma bardzo małą masę, równą m_e=9,1⋅10^-31kg. Tak więc zmiany masy wywołane przemieszczeniem elektronów, czyli przepływem prądu elektrycznego, są niezauważalne.

Skąd biorą się swobodne nośniki ładunku elektrycznego w przewodnikach stałych? Przewodniki stałe to w zdecydowanej większości metale. Ogromna większość ciał stałych to izolatory. Niewielka część ciał stałych to tzw. półprzewodniki.

W dalszym ciągu ograniczymy rozważania do przewodników metalicznych. Wszystkie metale są dobrymi przewodnikami elektryczności. Do najlepszych przewodników należą srebro, miedź, glin, złoto. Największe zastosowania praktyczne jako przewodnik ma miedź.

Skąd bierze się tak dobra przewodność elektryczna miedzi i innych metali? Na początek ograniczymy się do bardzo uproszczonego modelu fizycznego budowy materii. Model ten jednak wystarczy do wyjaśnienia wielu zagadnień elektryczności.

Wszystkie ciała zbudowane są z cząsteczek lub atomów. Cząsteczki zbudowane są z atomów. Każdy atom też ma budowę złożoną - składa się z jądra i krążących wokół jądra elektronów. Większość masy atomu skupiona jest w jądrze atomu. W skład jądra atomowego wchodzą protony i neutrony. Proton ma ładunek dodatni, neutron nie ma ładunku elektrycznego. Elektron ma masę prawie 2000 razy mniejszą niż proton (i neutron). Możemy więc traktować atom jako układ złożony z nieruchomego jądra i krążących wokół niego elektronów.

Każdy atom ma tyle samo protonów co elektronów. W efekcie atom jest elektrycznie obojętny.



Elektrony obiegają jądro w różnych odległościach od jego środka. Znajdujące się dalej od jądra elektrony są słabiej przez jądro przyciągane. Skutkiem różnego przyciągania elektronów przez jądro jest możliwość łatwiejszego oderwania elektronów znajdujących się daleko od jądra. Szczególnie łatwo odrywają się zewnętrzne elektrony w atomach metalu, gdy następuje krzepnięcie metalu.

Każdy metal tworzy strukturę krystaliczną. Ponieważ kryształy powstają równocześnie w wielu miejscach, to bryły metalu są zlepkiem wielu małych kryształów. Mówimy, że metale mają budowę polikrystaliczną.

W dalszym ciągu rozpatrywać będziemy sytuację, gdy bryła metalu jest jednym dużym idealnym kryształem. W krysztale takim atomy (a właściwie to dodatnie jony metalu) zajmują swoje, ustalone miejsca w przestrzeni.

Budowa metalu

Budowę wewnętrzną metalu w uproszczeniu wyobrażamy sobie następująco:

- w ustalonym miejscach znajdują się jony metalu (atomy pozbawione jednego elektronu z zewnętrznej orbity),
- między jonami metalu poruszają się chaotycznie elektrony, które nie są związane z żadnym atomem - nazywamy je elektronami swobodnymi.

Elektron, a więc i elektron swobodny, to elementarna cząstka materii, która ma ładunek ujemny i masę. Wartość ładunku elektronu równa jest elementarnemu ładunkowi elektrycznemu. Ma on wartość e=1,6⋅10^-19C. Masa elektronu równa jest m_e=9,1⋅10^-31kg.

W sytuacji, gdy nie ma zewnętrznego pola elektrycznego elektrony swobodne są równomiernie rozmieszczone w całej objętości przewodnika. We wstępnej analizie pomijamy stały, chaotyczny, ruch elektronów swobodnych.

Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego następuje przesunięcie elektronów swobodnych w stronę przeciwną do zwrotu wektora natężenia pola elektrycznego czyli w stronę potencjału dodatniego.

W przewodniku znajdującym się w zewnętrznym polu elektrycznym nastąpi rozdzielenie ładunku - na powierzchniach bliższych potencjałowi dodatniemu wystąpi zwiększenie ładunku ujemnego (zwiększenie ilości elektronów swobodnych), na powierzchniach oddalonych - ubytek elektronów swobodnych. Całkowita ilość elektronów swobodnych w bryłce metalu umieszczonej w zewnętrznym polu elektrycznym nie zmieni się.

Sytuacja się zmienia, gdy z jednej strony przewodnika, umieszczonego w zewnętrznym polu elektrycznym, znajdzie się "magazyn dostawcy" dostarczający nowych elektronów swobodnych, a drugiej strony "magazyn odbiorcy" zbierający elektrony. Funkcję takiego podwójnego magazynu pełnią ogniwa elektryczne, baterie, prądnice, akumulatory. Nazywane są one źródłami prądu (lub źródłami napięcia elektrycznego).

Każde źródło prądu elektrycznego pełni równocześnie funkcję polegającą na przynoszeniu elektronów między oboma "magazynami" już wewnątrz źródła. Mówimy, że każde źródło prądu ma dwa bieguny - dodatni i ujemny.

Biegun ujemny źródła prądu dostarcza elektronów niezbędnych do przepływu prądu elektrycznego (inaczej mówimy do obwodu elektrycznego). Biegun dodatni zbiera elektrony, a wewnątrz baterii, kosztem innej energii, elektrony przenoszone są z bieguna dodatniego do ujemnego.

Przepływ prądu elektrycznego uzyskujemy przez zbudowanie obwodu elektrycznego składającego się z przewodników; źródła prądu (źródła napięcia) i odbiorników prądu elektrycznego. Źródło prądu (źródło napięcia) zapewnia wytworzenie pola elektrycznego i swobodne nośniki ładunku elektrycznego.

Przykład prostego obwodu elektrycznego przedstawia schemat (prąd -1 - 1)





W sytuacji przedstawionej na rysunku prąd nie płynie ponieważ obwód jest otwarty. Przepływ prądu jest molwy w obwodzie przedstawionym na schemacie (prąd - 1 - 2)



Gdy znamy natężenie prądu płynącego przez żarówkę możemy obliczyć całkowity ładunek, który przepłynął przez tę żarówkę i przez każdy inny punkt omawianego obwodu.

Przykład 1

Przyjmijmy, że przez żarówkę płynął prąd o średnim natężeniu I=0,10A. Żarówka świeciła w ciągu czasu t=2 godzin.
Jaki całkowity ładunek Q przepłynął przez żarówkę?

(prąd - 1 - 3)


Przez żarówkę w ciągu dwu godzin przepłynął ładunek Q=720 kulombów.
Takiego ładunku nie sposób zgromadzić w kondensatorze - tak jest ogromny. W akumulatorze zgromadzony jest nie tyle ładunek, ale energia chemiczna umożliwiająca wyzwolenie energii w postaci prądu elektrycznego.

Przykład 2

Duże praktyczne zastosowanie mają źródła prądu wielokrotnie ładowalne tzw. akumulatory. Dobierając akumulator należy uwzględnić napięcie jakie można z niego otrzymać oraz możliwość czerpania z niego prądu. Tę cechę opisuje wielkość nazywana pojemnością akumulatora. Określa ona możliwy do wykorzystania ładunek elektryczny. Pojemność akumulatorów podaje się w amperogodzinach Ah.

Jak długo można czerpać prąd o średnim natężeniu I=6 amperów z akumulatora o pojemności 40 Ah? Jaki ładunek przepłynie w obwodzie do chwili wyczerpania akumulatora?

(prąd 1 - 4)



Dość przeciętny akumulator ma możliwość przesłania niewyobrażalnie wielkiego ładunku bo aż Q=Q144 000 kulombów. Ładunek ten umożliwiłby świecenie żarówce z poprzedniego przykładu przez czas t=400 godzin. Czyli przez przeszło 16 dni i nocy bez przerwy.

---

ATOM, Mechanika, OPTYKA, grawitacja, Elektrostatyka, Magnetyzm, Prąd elektryczny, Energia, Szybkość ruchu, Kinematyka, RUCH PO OKRĘGU, Dynamika, Elektromagnetyzm,    

---

Potrzebujesz pomocy z historii
starożytnej?

Oto kilka przydatnych linków
Starożytny Rzym

Ancient Rome - po ngielsku

Starożytny Egipt


215.14-2011.01.05