Меню

Орбитальный ток в атоме

Магнитные моменты электронов и атомов

Опыт показывает, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Рассмотрим причину этого явления с точки зрения строения атомов имолекул положив в основу гипотезу Ампера, согласно которой в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.

Для качественного объяснения магнитных явлений с достаточным приближением можно считать, что электрон движется в атоме по круговым орбитам. Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току, по этому он обладает орбитальным магнитным моментом , модуль которого

где сила тока, n — частота вращения электрона по орбите, S — площадь орбиты. Если электрон движется по часовой стрелке, то ток направлен против часовой стрелки и вектор в соответствии с правилом правого винта направлен перпендикулярно плоскости орбиты электрона.

С другой стороны, движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса , модуль которого,

где . Вектор (его направление также подчиняется правилу правого винта), называетсяорбитальным механическим моментом электрона.

Направления и противоположны, поэтому, учитывая выражения (18.1) и (18.2), получим

называетсягиромагнитным отношением орбитальных моментов (общепринято писать со знаком «—», указывающим на то, что направления моментов противоположны). Это отношение, определяемое универсальными постоянными, одинаково для любой орбиты, хотя для разных орбит значения u и r различны. Формула (18.4) выведена для круговой орбиты, но она справедлива и для эллиптических орбит.

Экспериментальное определение гиромагнитного отношения проведено в опытах Эйнштейна и де Гааза, которые наблюдали поворот свободно подвешенного на тончайшей кварцевой нити железного стержня при его намагничивании во внешнем магнитном поле (по обмотке соленоида пропускался переменный ток с частотой, равной частоте крутильных колебаний стержня). При исследовании вынужденных крутильных колебаний стержня определялось гиромагнитное отношение, которое оказалось равным . Таким образом, знак носителей, обусловливающих молекулярные токи, совпадал со знаком заряда электрона, а гиромагнитное отношение оказалось в два раза большим, чем введенная ранее величина g.

Закон полного тока для магнитного поля в веществе (теорема о циркуляции вектора ) является обобщением закона полного тока для магнитного поля в вакууме

где I и — соответственно алгебраические суммы макротоков (токов проводимости) и микротоков (молекулярных токов), охватываемых произвольным замкнутым контуром L. Таким образом, циркуляция вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов проводимости и молекулярных токов, охватываемых этим контуром, умноженной на магнитную постоянную. Вектор , таким образом, характеризует результирующее поле, созданное как макроскопическими токами в проводниках (токами проводимости), так и микроскопическими токами в магнетиках, поэтому линии вектора магнитной индукции не имеют источников и являются замкнутыми.

18.2. Магнитные свойства вещества. Ферромагнетизм

Характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость J от Н (а следовательно и В от Н) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Это явление получило названиемагнитного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения, а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение J описывается кривой 1—2, лежащей выше кривой 1—0. При Н=0 J отличается от нуля, т.е. в ферромагнетике наблюдаетсяостаточное намагничение Joc. С наличием остаточного намагничения связано существованиепостоянных магнитов.

Намагничение обращается в нуль под действием поля НC, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность НC, называетсякоэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3—4), и при Н=-Ннас достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4—5—6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6-1).

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой 12—3—4—5—6—1, которая называетсяпетлей гистерезиса (от греч. «запаздывание»). Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией Н, т.е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значений J.

Диамагнетизм

Электрон, движущийся по орбите, подобен волчку. Поэтому ему должны быть свойственны все особенности поведения гироскопов под действием внешних сил, в частности три соответствующих условиях должна возникать прецессия электронной орбиты. Если атом находится во внешнем магнитном поле , на орбиту действует вращательный момент , стремящийся установить орбитальный магнитный момент электрона по направлению поля (при этом механический момент устанавливается против поля). Под действием момента векторы и совершают процессию вокруг направления вектора магнитной индукции , скорость которой легко найти.

Итак, под действием внешнего магнитного поля происходит прецессия электронных орбит с одинаковой для всех электронов угловой скоростью. Обусловленное прецессией дополнительное движение электронов приводит к возникновению индуцированного магнитного момента атома, направленного против поля.

Диамагнетизм обнаруживают лишь те вещества, у которых атомы не обладают

Рис. 18.2. магнитным моментом (векторная сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов атома равна нулю). Диамагнетики: (Bi, Ag, Au, Cu, смолы углерода).

Парамагнетизм

Если магнитный момент атомов отличен от нуля, вещество оказывается парамагнитным. Внешнее магнитное поле стремится установить магнитные моменты атомов вдоль , тепловое движение стремится разобрать их равномерно по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая равновесная преимущественная ориентация моментов вдоль поля тем большая, чем больше , и тем меньшая, чем выше температура.

Кюри экспериментально установил закон, согласно которому парамагнитная килограмм – атомная восприимчивость вещества равна

где С – постоянная Кюри, зависящая от рода вещества, Т – абсолютная температура.

где — вектор интенсивности намагничивания.

Он равен пределу отношения магнитного момента некоторого объема вещества к этому объему, когда последний стремится к нулю:

где — число частиц, содержащихся в объеме вещества, а — магнитный момент i-ой частицы.

Источник

10.5. Электрические токи в атомах

Мы знаем, что атом состоит из положительного ядра, окружен­ного отрицательными электронами. Для полного описания атома необходимы понятия квантовой физики, которую вы будете изучать в этом курсе позднее. К счастью, простая и наглядная модель атома хорошо объясняет диамагнетизм. Это — планетарная модель с элект­ронами, движущимися по орбитам вокруг ядра, подобная модели атома водорода, созданной Бором в первой квантовой теории.

Начнем с электрона, движущегося с постоянной скоростью по круговому пути. Поскольку мы не собираемся здесь объяснять струк­туру атома, то и не будем вдаваться в причины, по которым электрон движется именно по этой определенной орбите. Спросим только, каких магнитных эффектов можно ожидать, если он движется по такой орбите? На рис. 10. 11 мы видим электрон, изображенный в виде частицы, несущей концентрированный электрический заряд —е, и движущийся со скоростью v по круговому пути с радиусом г. В центре расположено положительно заряженное ядро, делающее систему электрически нейтральной. Благодаря своей сравнительно большой массе ядро движется настолько медленно, что магнитны­ми эффектами, связанными с этим движением, можно пренебречь.

В любой момент времени электрон и положительный заряд можно считать электрическим диполем, но в среднем по времени момент этого диполя равен нулю, так что он не создает постоянного элект­рического поля на расстоянии. Мы рассматривали этот вопрос в раз­деле 9.5. Однако магнитное поле такой системы на большом расстоя­нии в среднем по времени не равно нулю. Оно представляет собой

как раз поле кольца с током. Что • касается среднего по времени, то без­различно, соберем ли мы все отрица­тельные заряды в общий заряд, дви­жущийся вокруг ядра, или разделим его на части, как на рис. 10.11, б, и получим однородный бесконечный ток заряда. Ток измеряется количе­ством заряда, проходящего через данное сечение кольца в одну секун­ду. Поскольку электрон делает v/2nr оборотов в секунду, то ток (выра­жаемый в ед. СГСЭg/сек, если е вы­ражается в ед. СГСЭ9) равен

Электрон, движущийся по орбите, эквивалентен кольцевому току такой величины, причем положительное направление тока противоположно v, как показано на рис. 10.11, в. Сле­довательно, дальнее поле этого тока совпадает с полем магнитного диполя величины

Читайте также:  Источники тока для светодиодного светильника

Рис. 10.11. а) Модель атома, в кото­рой электрон движется по круговой орбите со скоростью v. б) Эквива­лентное перемещение зарядов. Сред­ний электрический ток такой, как если бы заряд — е был разделен на маленькие части, образующие вра­щающееся кольцо заряда, в) Магнит­ный момент равен произведению тока на площадь и на 1/с.

вектором с модулем

Отметим, что между магнитным моментом т, связанным с движением электрона по орбите, и моментом ко­личества движения электрона L су­ществует простое соотношение. Мо­мент количества движения является L=mevr, где те обозначает массу элек­

трона *); этот вектор направлен вниз, если электрон вращается

*) Мы будем иметь дело со скоростями v, которые значительно меньше с, поэтому те обозначает массу покоя, равную 9,0- Ю-28 г. Так как мы обозначаем магнитный момент через гп, то в этой главе для массы электрона необходимо ис­пользовать другое обозначение. Для момента количества движения мы выбрали обозначение L вместо J, которым пользовалась в гл. 6 т. I, потому что L является

в направлении, указанном на рис. 10.11, а. Заметьте, что произведе­ние vr входит и в т, и в L.

Учитывая направление, можно написать

(Масса М \ ЗаряВ у

Полученное соотношение содержит только фундаментальные по­стоянные, и это заставляет предположить, что оно справедливо

всегда. Действительно, так оно и есть, —^

однако здесь мы не станем это доказы­вать. Соотношение (22) справедливо для эллиптических орбит и даже для орбит в виде розеток, которые образу­ются в центральном поле, величина которого не пропорциональна обратному квадрату расстояния. Вспомним важное свойство любой орбиты в центральном поле: орбитальный момент количества движения является константой движе­ния. Тогда из общего соотношения, выраженного уравнением (22) (выведен­ным нами только для специального случая), следует, что там, где постоянен момент количества движения, величина и направление магнитного момента так­же остаются неизменными. Множитель

1/1 I I п I I I |И/1

называется орбитальным магнитомеха- ническим отношением для электрона *). Тесная связь между магнитным момен­том и орбитальным моментом количества движения является центральным вопро­сом атомного магнетизма.

Почему мы не замечаем магнитных полей всех электронов, движущихся по орбитам во всех атомах любого вещест­ва? Потому что эти поля взаимно уни­чтожаются. В обычной массе вещества должно быть в среднем столько же электронов, движущихся по данному пути, сколько и по противоположному. Этого следует ожидать, если ни одно направление вращения не имеет никаких преимуществ перед

Рис. 10.12. Рост магнитного поля В индуцирует электрическое поле Е, ускоряющее вращение заря­женного тела, а) Начальное поло­жение, В—0, Fo—Moyr. б) Про­межуточное положение. Поле В увеличивается в направлении вниз, в) Конечное положение

через время At. В = В„ Да =дЕ At/M = qrBt/2Mc.

традиционным обозначением орбитального момента количества движения в атом­ной физике, а через J мы обозначали плотность тока.

*) Иногда эту величину называют гиромагнитным отношением. Мы предпо­читаем называть ее магнитомеханическим отношением, как в гл. 8 т. I.

другими и если в теле не существует избранных осей. Но если маг­нитные поля электронов наблюдаются, то в самой структуре вещества должен быть какой-то механизм, который помогает электронам вы­бирать не только ось, но и направление вращения вокруг этой оси!

С современной точки зрения, кусок вещества в отсутствие внеш­него магнитного поля содержит вращающиеся электроны, у кото­рых векторы моментов количества движения и связанные с ними векторы орбитальных магнитных моментов равномерно распреде­лены по всем направлениям в пространстве. Рассмотрим орбиты с плоскостями, почти параллельными плоскости ху, примерно для половины этих орбит векторы магнитных моментов направлены вверх, а у другой половины — вниз. Определим, что произойдет с одной из этих орбит при включении внешнего магнитного поля в направлении оси г.

Вначале рассмотрим электромеханическую систему, которая не очень похожа на атом. На рис. 10.12 изображен объект с массой М и электрическим зарядом q, привязанный к определенной точке шнур­ком длиной г. Этот шнурок обеспечивает центростремительную силу, благодаря которой наш объект движется по круговой орбите. Ве­личина этой силы Fо равна, как известно,

В начальном положении (рис. 10.12, а) внешнего магнитного поля нет. Теперь с помощью подходящего большого соленоида мы начи­наем создавать поле В в отрицательном направлении оси г, однород­ное во всей области в данный отрезок времени. Если это поле возра­стает со скоростью dB/dt, вдоль орбиты возникает индуцированное электрическое поле Е, как показано на рис. 10.12, б. Для определе­ния величины этого поля Е вспомним, что изменение потока, про­низывающего круговую орбиту, равно

Это выражение определяет линейный интеграл от электрического поля (для простоты и симметрии мы предполагаем, что поле одина­ково по всему пути):

Таким образом, мы наводим, что

До сего времени мы не обращали внимания на знаки, но если вы примените к рис. 10.12 предпочитаемое вами правило для опреде­ления направления индуцированной электродвижущей силы, то увидите, что поле Е должно быть направлено таким образом, чтобы

ускорять тела, если заряд q положительный. Тангенциальное уско­рение dv/dt определяется силой qE:

таким образом, мы имеем соотношение между изменением v и изме­нением В:

Множитель qr/2Mc является величиной постоянной, так как радиус г фиксирован длиной шнурка. Пусть Аи означает окончательное изменение скорости v в течение всего процесса доведения поля до его конечного значения Вг. Тогда

Заметьте, что в это уравнение не входит время — конечная скорость не зависит от быстроты своего изменения. Возрастание скорости движения заряда в конце процесса означает увеличение магнитного момента т, направленного вверх. Отрицательно заря­женное тело при подобных обстоятельствах начало бы двигаться замедленно, что уменьшило бы его момент, направленный вниз. Следовательно, в любом случае наложение поля Вг изменило бы магнитный момент в сторону, противоположную полю. Величина изменения магнитного момента Ат равна

Для зарядов (как положительных, так и отрицательных), вра­щающихся в другом направлении, индуцированное изменение маг­нитного момента также противоположно изменению приложенного магнитного поля. На рис. 10.13 эта ситуация показана для положи­тельного заряда. При любом знаке заряда и любом направлении вращения оказывается справедливым следующее соотношение:

В этом примере мы сохранили радиус г постоянным, применяя шнурок заданной длины. Посмотрим, как изменилось натяжение шнурка. Предположим, что Вх достаточно мало, так что В конечном положении необходима центростремительная сила сле­дующей величины:

F =M(v0 + Av)z ^ Mvl j 2Mv0Av (32)

(в пренебрежении членом, пропорциональным (Ay)2). Но теперь само магнитное поле создает силу, действующую на движущийся

равна по величине -—-—-— , что составляет 2Mv^Av/r с точ­ностью до первого порядка по Av/v0. Это как раз то, что нам нужно согласно уравнению (32), чтобы избежать дополнительного растя­жения шнурка! Следовательно, натяжение шнурка остается не­изменным и равным F0.

Это приводит нас к интересному и удивительному заключению: наш результат (а именно уравнение (31)) должен быть справедлив для удерживающей силы, меняющейся с радиусом любым образом.

Шнурок можно заменить упругой пружиной, не по­влияв на результат,— ра­диус в конечном положении останется неизменным. В интересующей нас системе действие шнурка можно заменить кулоновским при­тяжением ядра к электрону или некоторой эффективной силой, действующей на эле­ктрон в многоэлектронном атоме и сложным образом зависящей от расстояния.

Получив столь общее соотношение, как уравне­ние (31), можно рассчитывать на разумные результаты, даже не имея хорошей теории строения атома. Единственной величиной, которая относится к атому в уравнении (31), является г2. Конечно, мы должны соблюдать условие Ди/у0 =Дv/r. Согласно уравнению (29) величина этого приращения угловой скорости

Читайте также:  Тиристорная регулировка зарядного тока аккумулятора

Рис. 10.13. Изменение вектора магнитного момента противоположно направлению поля В для обоих направлений движения, а) и й) начальные положе­ния; т0=-

v„. б) и г) конечные положения; В = В! (вниз), Am направлено вверх в обоих случаях.

Д — среднее значение квадратов радиусов орбит, с некоторым численным коэффициентом, учитывающим отклонение ориентации орбиты от ее среднего положения.

Не вдаваясь в эту тонкость, применим уравнение (31) для всех электронов, подставив разумное значение радиуса орбиты, и посмот­рим, сможем ли мы хотя бы приблизительно объяснить некоторые из данных, приведенных в таблице (см. стр. 349). Число электронов в грамме большинства веществ примерно одинаково, так как для каждого электрона в атоме имеется один протон в ядре и приблизи­тельно один нейтрон на протон. Таким образом, число электронов на грамм примерно равно величине п для вещества с атомным весом 2 и атомным номером 1, а именно:

Вместо г мы подставим 0,5-10

8 см — расстояние, с которым вы близко познакомитесь позже (это — характерный атомный размер). В атомах с большим количеством электронов, естественно, некото­рые электроны имеют большие орбиты, а некоторые — маленькие. Вместо М мы подставим массу электрона те. Магнитное поле в месте расположения образца было равно 18 ООО гс. В этом случае полный магнитный момент, индуцированный в одном грамме любо­го вещества, примерно равен

ИАт _ ^В _ (3- Ю23) (4,8- 10-Ю)2 (0,5- 10-°)» (1,8.10*) п пг ,л-2 /осч 4 (9- Ю-28) (3-101®)» и.УО-Ш . (ЛО)

Градиент поля dBJdz был равен 1700 гс/см. Применяя уравнение (18) для вычисления силы, мы найдем ее равной 1700-0,95-Ю-2, или приблизительно 16 дин на грамм вещества. Эта цифра близка к величине силы для ряда веществ в таблице. В действительности она ближе, чем можно было бы ожидать, так что это совпадение является до некоторой степени случайным *).

*) В точной формуле, полученной при усреднении по изотропно ориентиро­ванным орбитам, коэффициент 1/4 в уравнении (31) заменяется на 1/6, а г% — на

Убедимся, что условие справедливо и в данном случае.

Подставив те же числа в уравнение (29), мы можем оценить Ду:

Д0 __EL _ (4,8-10-1″) (0,5-10-») 18 ООО _ jq, , ^

2тес 2 (9- !0-28) (3-1010) см’сек- W

Чтобы понять, что величина 10® см/сек мала по сравнению со скоростью электрона в атоме, не надо хорошо знать атомную физи­ку. С такой скоростью может бежать человек! Типичная скорость движения электрона в атоме равна 108 см/сек или больше. Следова­тельно, даже наш довольно мощный магнит создает очень слабое поле с точки зрения атомного электрона. Это поле весьма мало изме­няет скорость его вращения по орбите.

Теперь мы видим, почему диамагнетизм является универсаль­ным, но малозаметным явлением. Он почти одинаков в молекулах и в атомах. Тот факт, что молекула может быть гораздо больше ато­ма, т. е. может состоять из сотен или тысяч атомов, вообще не при­водит к увеличению эффективного среднего квадратичного радиуса орбиты. Причина заключается в том, что любой электрон молекулы довольно прочно локализован в одном из ее атомов. Имеется несколь­ко интересных исключений, и одно из них, а именно графит, включе­но в таблицу. Аномальный диамагнетизм графита обусловлен его не­обычным строением, которое позволяет некоторым электронам до­вольно свободно циркулировать внутри планарной группы атомов кристаллической решетки.

Источник



Электрические токи в атомах и молекулах

ПОСТОЯННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ

Согласно современным представлениям о строении атомов и молекул они состоят из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. Самой простой моделью ато­ма является так называемая планетарная модель, в которой электроны рассматриваются как материальные точки, вращающиеся по круговым орбитам вокруг ядра. Эта модель позволяет в первом приближении объ­яснить магнитные свойства различных веществ (магнетиков).

Рис. 7.1. К вычислению магнитного момента электрона в атоме

Итак, пусть электрон в атоме движется вокруг ядра по окружности (рис. 7.1). В таком случае электрон подобен круговому контуру с током и также характеризуется магнитным моментом рт. Направление тока, создаваемого вращающимся электроном, противоположно направлению его скорости, так как электрон несет отрицательный заряд -е. По опре­делению вектор рт перпендикулярен плоскости орбиты электрона, а его направление связано с направлением тока в контуре правилом правого винта. По определению модуль вектора рт равен произведению силы тока на площадь контура:

Сила тока, создаваемого вращающимся по орбите электроном, равна от­ношению его заряда к периоду Т обращения электрона вокруг ядра:

Период Т связан со скоростью v и длиной орбиты 2 pr соотношением

При помощи этих соотношений найдем, что

Рассмотренный магнитный момент рт электрона обусловлен его дви­жением вокруг ядра и называется орбитальным магнитным моментом. В некотором смысле электрон подобен вращающемуся заряженному ша­рику. Поэтому электрон^ имеет еще так называемый собственный маг­нитный момент.

В атомах и молекулах имеется несколько электронов. Магнитным моментом рт молекулы (или атома) называется векторная сумма маг­нитных моментов входящих в ее состав электронов:

рт. = åртi. (7.1)

где рт. — магнитный момент i-го электрона, который равен сумме его орбитального и собственного магнитных моментов.

Магнитное поле, создаваемое токами, которые не входят в состав рас­сматриваемой системы, называется внешним по отношению к этой систе­ме.

Молекула называется диамагнитной, если ее магнитный момент в от­сутствие внешнего поля равен нулю. Под действием внешнего магнит­ного поля диамагнитная молекула приобретает магнитный момент. Это явление называется намагничиванием. Молекула, магнитный момент которой не равен нулю, даже когда внешнего поля нет, называется па­рамагнитной. Такая молекула ведет себя в магнитном поле, как рамка с током. Силы Ампера, с которыми магнитное поле действует на па­рамагнитную молекулу, стремятся развернуть молекулу так, чтобы ее магнитный момент был направлен по полю, т.е. в ту же сторону, что и вектор магнитной индукции. Этому препятствует тепловое движение молекул.

В атомах и молекулах электроны, движущиеся по одной орбите, обра­зуют пары. Собственные магнитные моменты электронов в этих парах всегда направлены в противоположные стороны так, что их сумма равна нулю. Если число электронов в атоме или молекуле четное, то ее пол­ный магнитный момент может оказаться равным нулю. Любой атом и молекула с нечетным числом электронов всегда парамагнитны.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Урок №1. Теория атома, электрический ток, проводники и диэлектрики.

Строение вещества. Элементарные частицы

В основе радиоэлектроники лежит явление, которое называется электрическим током.

Если вы учились по старым школьным учебникам, то в них написано, что атом, это самая маленькая частица вещества, которая поэтому неделима . Но это давно устарело, теперь уже точно известно, что он состоит из еще более мелких частиц. Физику частиц изучают в больших ускорителях — коллайдерах . Благодаря им учёным удаётся придать элементарным частицам вещества высокую кинетическую энергию, направить их навстречу друг другу, чтобы произвести их столкновение, иногда в результате экспериментов образуются неизвестные ранее частицы, как например бозон или антивещество. Сейчас известно, что атом состоит из электронов и ядра, состоящего в свою очередь из протонов и нейтронов. Электроны – это элементарные отрицательные заряды электричества, протоны – элементарные положительные заряды, а нейтроны – частицы, не имеющие заряда вообще.

Все они не собраны в одну кучу, они находятся в движении, между ними существуют силы взаимодействия. Между одноименными зарядами действуют силы отталкивания, а между разноименными частицами – силы притяжения.

Читайте также:  Интересные эксперименты с током

Схема строения атома (крестиками обозначены протоны, кружочками – электроны)

Атомы, электроны и протоны

а – нейтральный атом; б – отрицательный; в – положительный.

Так как электроны движутся (как планеты вокруг Солнца) вокруг ядра (рис.1), то в атоме силы отталкивания и притяжения уравновешиваются.

Можно сказать, что это настоящая солнечная система в миниатюре! Заметьте теперь, что если в атоме имеется столько же электронов, сколько и протонов, то он нейтрален. Если электронов больше, то отрицательный заряд превосходит положительный заряд и атом становится отрицательным. Наконец если отрицательно заряженных частиц меньше, чем положительных, то атом будет положительным.

РАВНОВЕСИЕ ЗАРЯДОВ – ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Каким образом атом может оказаться положительным или отрицательным? Электроны, которые находятся далеко от ядра, испытывают слабое притяжение и, попадая в сферу притяжения другого атома, у которого не хватает электронов, покидают его, чтобы дополнить или уравновесить, соседний атом.

Запомните, что электроны перемещаются от атома, где они более многочисленны, туда, где их меньше.

Движение электронов

Рис. 2 – Электрический ток

Если каким-либо путем на одном конце металлической проволоки удастся сосредоточить отрицательно заряженные атомы, а на другом – положительно заряженные (имеющие недостаток отрицательно заряженных частиц), то электроны начнут перемещаться от одного атома к другому через все промежуточные элементы до момента установления равновесия (Рис. 2). Очевидно, что электроны пойдут от отрицательного конца к положительному. Такое упорядоченные движение и называют электрическим током.

Вот теперь вам должно быть понятно почему ток идет от отрицательного к положительному, а в школах учат об условном направлении тока говоря что он идет от плюса к минусу. В то время, когда надо было установить направление тока, произвольно выбрали направление от положительного полюса к отрицательному, потому что еще не было электронной теории.
Запомните хорошо, что ток движется от отрицательного полюса к положительному.

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

Если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично то в этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами, в другом, обратном предыдущему, потом вновь в прямом, опять в обратном и т.д. Во внешней цепи будет течь уже не постоянный, а как бы переменный ток.

Запомните: в проводах электроосветительной сети течет переменный ток, а не постоянный, как в цепи электрического карманного фонаря. Его вырабатывают машины, называемые генераторами переменного тока. Знаки электрических зарядов на полюсах генератора непрерывно меняются, но не скачком, как в нашем примере, а плавно. Заряд того полюса генератора, который в некоторый момент времени был положительным, начинает убывать и через долю секунды становится отрицательным; отрицательный заряд сначала возрастает, потом начинает убывать, пока снова не окажется положительным, и т.д. Одновременно меняется знак заряда и другого полюса. При этом напряжение и значение тока в электрической цепи также периодически изменяются.
Графически переменный ток изображают волнистой линией — синусоидой, показанной на рисунке. Здесь вертикальная ось со стрелкой, направленной вверх, соответствует одному направлению тока, а вниз — другому направлению тока, обратному первому.

Графическое изображение переменного тока.

О чем может рассказать такой график? Ток в цепи появляется в момент времени, обозначенный на графике точкой а. Он плавно увеличивается и течет в одном направлении, достигая наибольшего значения (точка б), и также плавно убывает до нуля (точка в). Исчезнув на мгновение, ток вновь появляется, плавно возрастает и протекает в цепи, но уже в противоположном направлении. Достигнув наибольшего значения (точка г), он снова уменьшается до нуля (точка д). И далее ток, также последовательно возрастая и уменьшаясь, все время меняет , свои направление и значение.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Одним полным, или законченным, колебанием тока принято считать упорядоченное движение электронов в проводнике, соответствующее участку графика от а до д или от в до ж. Время, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом, время половины колебания — полупериодом, а наибольшее значение тока во время каждого полупериода — амплитудой.

Чтобы до конца разобраться с понятием переменный ток, посмотрите на рисунки ниже

Графическое изображение периода переменного тока и его амплитуды

Для наглядности я закрасил красным цветом период. Так как максимальное значение напряжения за половину периода это амплитуда, значит оно должно как-то обозначаться и обозначается амплитуда Um. Соответственно положительный полупериод +Um, а отрицательный полупериод -Um.

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи специального устройства — трансформатора — можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить — преобразовать в постоянный ток. Эти свойства переменного тока вы будете широко использовать в своей радиолюбительской практике.
Все то, о чем я рассказал вам сейчас, знает каждый старшеклассник и разумеется, каждый радиолюбитель. Вы пользуетесь благами электричества, иногда даже расточительно, не задумываясь над тем, что ученые всего — навсего каких — нибудь лет 100 назад только — только нащупали пути практического использования этого щедрого дара природы.

ПРОВОДНИКИ, ИЗОЛЯТОРЫ, ДИЭЛЕКТРИКИ

Электрический ток проходит через металлы. Ток также проходит через растворы кислот или щелочей и через уголь. Все эти вещества называются проводниками. Их атомы содержат много электронов, которые слабо связаны с ядром. Однако существуют другие тела, в которых электроны настолько сильно связаны с ядром, что они не могут покинуть атом. В этих телах, называемых изоляторами или диэлектриками, не может образоваться электрический ток. Лучшими изоляторами, применяемыми в радио, являются кварц, эбонит, янтарь, бакелит, стекло, различные керамики, парафин. Между изоляторами и проводниками находятся полупроводники, например германий или кремний, из которых изготавливают транзисторы. Но о них мы лучше пока не будет говорить, чтобы не спуталось все в голове.

Электрический ток в проводниках из серебра и меди

Почему серебро лучший проводник чем медь? Потому что в одинаковых условиях через серебряный провод будет проходить ток большей силы, чем через провод такого же размера, но из меди. Самым лучшим диэлектриком является воздух. А самым лучшим проводником серебро. Красная медь тоже хорошо проводит ток и так как она стоит дешевле серебра, то используется чаще. А еще есть такое понятие как сверхпроводимость, но об этом подробно поговорим в следующий раз.

Сила тока

Сила тока – количество электронов, принимающее участие в движении, в учебниках еще пишут, что это количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в одну секунду. Можно говорить о токе силой в 10 электронов или в 1000. Но практически измеряют силу тока в амперах (А). Один ампер соответствует прохождению 6 000 000 000 000 000 000 электронов в секунду и это еще округленные цифры. Пользуются очень часто также боле мелкими единицами: миллиампером (мА), равным 1/1000 А, и микроампером (мкА), равным 1/1 000 000 А. Сила тока зависит от напряжения приложенного к проводнику, и от сопротивления последнего.

В этом уроке, вы познакомились с такими важнейшими понятиями как: проводники, диэлектрики и полупроводники. Что такое постоянный и переменный электрический ток. Ну и последнее что необходимо четко запомнить и уяснить — основные характеристики переменного тока на представленном графике (синусоида), это период, полупериод, частота и амплитуда.

Содержание курса и следующий урок можете найди здесь.

Источник