4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 173.
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 173.
Электрическим током в физике называется согласованное (упорядоченное, однонаправленное) перемещение электрически заряженных элементарных частиц (электронов, протонов, ионов) или заряженных макроскопических частиц (например, капель дождя во время грозы). В веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях (твердое тело, жидкость, газ) ток может формироваться из разного набора заряженных частиц. Рассмотрим механизм образования электрического тока в металлах.
Свободные электроны в металлах
Вещества, относящиеся к металлам, могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии (ртуть, галлий, цезий и др.). При этом все они являются проводниками электрического тока. Твердые вещества имеют структуру жесткой кристаллической решетки, в узлах которых “сидят” положительно заряженные ионы, совершающие небольшие колебания относительно точки равновесия. В объеме кристалла всегда присутствует большое количество свободных электронов, которые вырвались с орбит атомов в результате механических соударений или воздействия излучений.
Рис. 1. Механизм электрического тока в металлах.
Это электронное “облако” движется беспорядочно, хаотично до тех пор, пока к металлу не будет приложено электрическое поле. Электрическое поле E, созданное внешним источником (батареей, аккумулятором), действует на заряд q с силой F:
$$ F = q*E $$
Под действием этой силы электроны приобретают ускорение в одном направлении и, таким образом, появляется электрический ток в цепи.
Многочисленные наблюдения показали, что при прохождении электрического тока масса проводников и их химический состав не изменяются. Отсюда следует вывод, что ионы металлов, которые составляют основную массу вещества, не принимают участия в переносе электрического заряда.
Золото
Золото является хорошим электрическим проводником, и оно не окисляется, как другие металлы при воздействии воздуха. Например, сталь или медь могут окисляться (корродировать) при длительном воздействии кислорода. Золото является одним из самых дорогих металлов и используется только для определенных материалов, таких как компоненты печатных плат или небольшие электрические разъемы. Некоторые материалы могут иметь золотое покрытие в качестве проводника.
Опыт Мандельштама и Папалекси
Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали. Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток. Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.
Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.
Этот эксперимент в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона eэ к значению массы электрона mэ:
$$ {e_э \over m_э } = 1,8*10^{11} Кл/кг $$
Этот фундаментальный результат совпал с полученными данными из других экспериментов, поставленных на основе измерения других параметров. Впервые эту величину в 1897 г. измерил англичанин Джозеф Томсон по отклонению пучка электронов в зависимости от напряженности электрического поля.
Переработка после эксплуатации
Несмотря на длительный срок службы кабелей (от 15 до 30 лет), все они нуждаются в замене после истечения данного срока. После этого кабеля должны быть утилизированы и переработаны. Поиск проводов и их сдача на пункты приема металлолома позволяет частично решить проблему получения первичного сырья. Пункты приема принимают лом:
- бытовых;
- контрольных;
- силовых;
- специальных кабелей.
Цена за килограмм лома определяется:
- Качеством сдаваемого сырья.
- Процентным содержанием того или иного металла.
- Чистотой – количество загрязнений и окислов.
- Целостностью оболочки, а также сложностью дальнейшей обработки кабельного лома.
- Объемом вторсырья – чем больше кабельного лома сдается, тем выше цена за один килограмм.
Скорость распространения электрического тока
Скорость распространения электрического поля в металле близка к скорости света в вакууме, которая равна 300000 км/с. Но это не значит, что электроны внутри вещества двигаются с такой же скоростью. Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна v = 6*10-5 м/с. То есть за одну секунду электроны в проводнике за счет упорядоченного движения проходят всего 0,06 мм.
Такие малые значения скоростей движения электронов в проводниках не приводят к запаздыванию включения электрических ламп, включения бытовых приборов и т.д., так как при подаче напряжения вдоль проводов со скоростью света распространяется электрическое поле. Эта скорость настолько велика, что позволяет приводить в движение свободные электроны практически мгновенно во всех проводниках электрической цепи.
Электропроводность древесины
Способность проводить электрический ток характеризует электрическое сопротивление древесины. В общем случае полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами, определяется как результирующее двух сопротивлений: объемного и поверхностного. Объемное сопротивление численно характеризует препятствие прохождению тока сквозь толщу образца, а поверхностное сопротивление определяет препятствие прохождению тока по поверхности образца. Показателями электрического сопротивления служат удельное объемное и поверхностное сопротивление. Первый из названных показателей имеет размерность ом на сантиметр (ом х см) и численно равен сопротивлению при прохождении тока через две противоположные грани кубика размером 1X1X1 см из данного материала (древесины). Второй показатель измеряется в омах и численно равен сопротивлению квадрата любого размера на поверхности образца древесины при подведении тока к электродам, ограничивающим две противоположные стороны этого квадрата. Электропроводность зависит от породы древесины и направления движения тока. В качестве иллюстрации порядка величии объемного и поверхностного сопротивления в табл. 22 приведены некоторые данные.
Таблица 22. Сравнительные данные об удельном объемном и поверхностном сопротивлении древесины.
| Порода и направление | Влажность, % | Удельное объемное сопротивление, ом х см | Удельное поверхностное сопротивление, ом |
| Береза, вдоль волокон | 8,2 | 4,2 х 1010 | 4,0 х 1011 |
| Береза, поперек волокон | 8,0 | 8,6 х 1011 | 2,8 х 1012 |
| Бук, вдоль волокон | 9,2 | 1,7 х 109 | 9,4 х 1010 |
| Бук, поперек волокон | 8,3 | 1,4 х 1010 | 7,9 х 1010 |
Для характеристики электропроводности наибольшее значение имеет удельное объемное сопротивление. Сопротивление сильно зависит от влажности древесины. С повышением содержания влаги в древесине сопротивление уменьшается. Особенно резкое снижение сопротивления наблюдается при увеличении содержания связанной влаги от абсолютно сухого состояния до предела гигроскопичности. При этом удельное объемное сопротивление уменьшается в миллионы раз. Дальнейшее увеличение влажности вызывает падение сопротивления лишь в десятки раз. Это иллюстрируют данные табл. 24.
Таблица 23. Удельное объемное сопротивление древесины в абсолютно сухом состоянии.
| Порода | Удельное объемное сопротивление, ом х см | |
| поперек волокон | вдоль волокон | |
| Сосна | 2,3 х 1015 | 1,8 х 1015 |
| Ель | 7,6 х 1016 | 3,8 х 1016 |
| Ясень | 3,3 х 1016 | 3,8 х 1015 |
| Граб | 8,0 х 1016 | 1,3 х 1015 |
| Клен | 6,6 х 1017 | 3,3 х 1017 |
| Береза | 5,1 х 1016 | 2,3 х 1016 |
| Ольха | 1,0 х 1017 | 9,6 х 1015 |
| Липа | 1,5 х 1016 | 6,4 х 1015 |
| Осина | 1,7 х 1016 | 8,0 х 1015 |
Таблица 24. Влияние влажности на электрическое сопротивление древесины.
| Порода | Удельное объемное сопротивление (ом х см) поперек волокон при влажности древесины (%) | ||
| 22 | 100 | ||
| Кедр | 2,5 х 1014 | 2,7 х 106 | 1,8 х 105 |
| Лиственница | 8,6 х 1013 | 6,6 х 106 | 2,0 х 105 |
Поверхностное сопротивление древесины также существенно снижается с увеличением влажности. Повышение температуры приводит к уменьшению объемного сопротивления древесины. Так, сопротивление древесины лжетсуги при повышении температуры с 22—23° до 44—45° С (примерно вдвое) падает в 2,5 раза, а древесины бука при повышении температуры с 20—21° до 50° С — в 3 раза. При отрицательных температурах объемное сопротивление древесины возрастает. Удельное объемное сопротивление вдоль волокон образцов березы влажностью 76% при температуре 0°С составило 1,2 х 107 ом см, а при охлаждении до температуры —24° С оно оказалось равным 1,02 х 108 ом см. Пропитка древесины минеральными антисептиками (например, хлористым цинком) уменьшает удельное сопротивление, в то время как пропитка креозотом мало отражается на электропроводности. Электропроводность древесины имеет практическое значение тогда, когда она применяется для столбов связи, мачт линий высоковольтных передач, рукояток электроинструментов и т. д. Кроме того, на зависимости электропроводности от влажности древесины основано устройство электрических влагомеров.
Применение свойств электрического тока в металлах
Физические свойства электрического тока используются в различных областях жизнедеятельности:
- Способность электрического тока нагревать проводники используется для изготовления нагревательных бытовых и промышленных приборов;
- Вокруг провода с электрическим током возникает магнитное поле, что позволило создать электродвигатели, без которых сегодня невозможно обойтись;
- Передача электроэнергии на различные расстояния осуществляется по проводам линий электропередачи (ЛЭП), по которым течет электрический ток.
Рис. 3. Применение электрического тока.
Кто виноват?
В большинстве случаев ответственность за состояние линии электропередач несет сама электроснабжающая или эксплуатирующая организация. Так как ее сотрудники постоянно следят за нависанием веток над ЛЭП или их расположением в непосредственной близи к ним. Ведь каждая линия имеет охранную зону ЛЭП, выступающую в обе стороны от проводов на расстояние от 2 до 55 м, в зависимости от уровня напряжения в ней.
Рисунок 3: охранная зона ВЛ
Электроснабжающая организация производит постоянные осмотры линии для выявления подобных угроз, а в случае выявления таковых, обязаны убрать аварийное дерево или ветки, угрожающие проводам.
В случае если старые деревья находятся на балансе какой-либо организации, предприятия и поставщик электроэнергии попросту не имел доступа или разрешения на их вырубку, то вина ложиться на эту организацию. То же можно сказать о городском электротранспорте, когда падение произошло на трамвайные или троллейбусные провода.
Помимо этого в круг виновных могут попасть и обычные граждане, решившие произвести спил на придомовой территории, проводившие вырубку в общественных местах или вдоль линии с целью заготовки дров. Сюда же можно отнести частных предпринимателей и других юридических лиц, которые организовали работу без соответствующих разрешений и их действия привели к падению дерева с последующим обрывом высоковольтного провода или межфазным замыканием.
