18. Мост постоянного тока Уитстона. Расчет шунта и добавочного сопротивления для электроизмерительных приборов.

Мост Уитстона предназначен для измерения сопротивлений. Принцип его действия основан на правилах Кирхгофа. Положение движка на переменном сопротивлении подбирается таким образом, чтобы разность потенциалов между точками моста cd была равна нулю.

Мост Уитстона

Каждое из четырёх сопротивлений в мостовой схеме называют плечом. Резистор, последовательно соединённый с неизвестным сопротивлением, R_x обычно называют реостатом моста (это будет сопротивление R_a на рисунке, а другие два сопротивления называют плечами отношений моста.

При измерении тока I, который в п раз больше тока I_р в рамке прибора, сопротивление шунта R_III рассчитывают из условия равенства падений напряжения: где R_p — сопротивление обмотки рамки; I_ш = I - I_р — ток в шунте.

Так как измеряемый ток I = nI_р, то с учетом получим Откуда

19. Ток в жидкостях. Электрическая диссоциация. Явления электролиза. Законы Фарадея для электролиза. Применение электролиза.

Электролитическая диссоциация. При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.    Степень диссоциации, т. е. доля в растворенном веществе молекул, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и электрических свойств растворителя. С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.      Электролиз. При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция). Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, называют электролизом. Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:

В торой закон Фарадея записывается в следующем виде:

где  — молярная масса данного вещества, образовавшегося (однако не обязательно выделившегося — оно могло и вступить в какую-либо реакцию сразу после образования) в результате электролиза, г/моль;  — сила тока, пропущенного через вещество или смесь веществ (раствор, расплав), А;  — время, в течение которого проводился электролиз, с;  — постоянная Фарадея, Кл·моль⁻¹;  — число участвующих в процессе электронов, которое при достаточно больших значениях силы тока равно абсолютной величине заряда иона (и его противоиона), принявшего непосредственное участие в электролизе (окисленного или восстановленного).

  Применение электролиза

в современной промышленности.электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, водорода, в извлечении металлов из руд и подвергаются переработке с помощью электролиза, в очистке сточных вод.

20. Закон Ома для токов в электролитах. Аккумуляторы(щелочные и кислотные). Заряд и разряд аккумуляторов. Емкость аккумуляторов.

Электролиты являются важной частью химических источников тока: гальванических элементов и аккумуляторов. Электролит участвует в химических реакциях окисления и восстановления с электродами, благодаря чему возникает ЭДС. В источниках тока электролит может находиться в жидком состоянии (обычно это — водный раствор), или загущённым до состояния геля.

Аккумуляторы являются гальваническими элементами, в которых электроды изготовлены из таких материалов, что они восстанавливают свои первоначальные свойства при пропускании тока (зарядке) в обратном направлении по сравнению с током при разрядке. Количество электричества, которое может быть получено от аккумулятора при данных условиях работы (температуре, разрядном токе, начальном напряжении), называется емкостью, аккумулятора. Емкость аккумулятора выражается в кулонах.

КПД щелочного аккумулятора составляет 0,5-0,6

КПД кислотного аккумулятора составляет 0,75-0,8 

21. Ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельные газовые разряды. Типы самостоятельного газового разряда (тлеющий, искровой, коронный, дуговой.)

Прохождение элект­рического тока через газы называется газовым разрядом. Разряды, существующие только под действием внешних ионизаторов, называются несамостоятельными. Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

1. тлеющий разряд возникает при ни­зких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30— 50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно отка­чивая из трубки воздух, то при давлении ж 5,3—6,7 кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура краснова­того цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении ж 13 Па разряд имеет вид, схематически изобра­женный на рис. 159.

2. Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля (Ё=3•10⁶ В/м) в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого и разветвленного.

3. Дуговой разряд. Если после зажи­гания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстоя­ние между электродами, то разряд стано­вится непрерывным — возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко воз­растает, достигая сотен ампер, а напряже­ние на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт.

4. Коронный разряд — высоковольт­ный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резконеоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (напри­мер, острия). Когда напряженность поля вблизи острия достигает 30 кВ/см, то во­круг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название этого вида разряда.

22. Ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы диод и триод. Статические характеристики триода. Закон Богусловского-Ленгмюра.

Ток в вакууме это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет; - электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность; - создать эл.ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц; - действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла. Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако. В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него ( т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно). Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.

Диод. Вакуумный диод - это двухэлектродная ( А- анод и К - катод ) электронная лампа. Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление Н - нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает  постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.  Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая эл.ток в вакууме.

Триод. Триод отличается от диода тем, что между его катодом и анодом находится третий электрод, выполненный в виде проволочной спи­рали, который называется сеткой. По своему расположению сетка мешает или помогает электро­нам, вылетевшим с катода, достигнуть анода. Когда напряжение на сетке триода равно 0 лампа работает как диод.

Статические характеристики триода представляют собой зависимости анодного тока от напряжений, подаваемых на остальные электроды лампы. Поскольку на практике напряжение накала лампового триода не изменяется, при дальнейшем рассмотрении анодных характеристик будем считать это напряжение всегда постоянным и равным номиналу. Таким образом, основными статическими характеристиками триода являются зависимость анодного тока от напряжения на сетке при постоянном напряжении на аноде и зависимость анодного тока от напряжения на аноде при постоянном напряжении на сетке.

Когда же все термоэлектроны, вылетающие из катода, попадают на анод, сила анодного тока достигает насыщения I_нас.  при увеличении анодного напряжения от 0 до U_нас ток через диод возрастает, но не пропорционально напряжению, а по закону  .

где коэффициент K зависит от формы катода и его размеров

Это выражение называют формулой Богуславского—Ленгмюра или законом "трех вторых".

23. Магнитное поле в вакууме. Магнитное поле Земли. Элементы земного магнетизма. Магнитная индукция. Единица магнитной индукции. Графическое изображение силовых линий магнитного поля. Поток вектора магнитной индукции.

Магнитное поле - особый вид матреии, через которую передается силовое воздействие на движущиеся электрические заряды и тела, обладающие магнитным моментом. Вокруг всякого движущегося заряда существует магнитное поле.

ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА — проекции полного вектора напряженности земного магнитного поля Т,  оси координат и горизонтальную пл., а также углы склонения и наклонения. Проекция вектора Т на горизонтальную пл. называется горизонтальной составляющей (H) — на вертикальную ось — вертикальной составляющей (Z), на ось X (направленную по географическому меридиану на С) — сев. составляющей (X) и на ось Y (направленную по географической параллели на В) — вост. составляющей (Y). Углом склонения (D) называется угол между географическим меридианом и горизонтальной составляющей H (склонение считается положительным при отклонении H к В). Углом наклонения (I) называется угол между вектором Т и горизонтальной пл. (наклонение считается положительным при отклонении Т вниз) . Напряженность магнитного поля Земли (Т, Н, X, Y, Z) измеряется в эрстедах, миллиэрстедах и гаммах. Углы склонения и наклонения измеряются в градусах. В зависимости от используемой при расчетах системы координат для полной характеристики величины и построения в пространстве вектора Т достаточно 3-х Э. з. м.: в прямоугольной системе координат — X, Y, Z; в цилиндрической — H, Z, D; в сферической — Т, D, I.

Магни́тная инду́кция   — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой   магнитное поле действует на заряд  , движущийся со скоростью  .

В= F/i*l (i - сила тока)

измеряется в теслах (Тл)

Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная физическая величина, которая равна    где B_n=Вcosα - проекция вектора В на направление нормали к площадке dS (α — угол между векторами n и В), dS=dSn — вектор, у которого модуль равен dS, а направление его совпадает с направлением нормали n к площадке. Поток вектора В может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знака cosα (задается выбором положительного направления нормали n).

24. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Радиационные пояса Земли. Сила Лоренца. Определение удельного заряда и массы электрона. Ускорители заряженных частиц. Виды ускорителей заряженных частиц.

Движение заряженных частиц в магнитном поле

Направление силы Лоренца и на­правление вызываемого ею отклонения за­ряженной частицы в магнитном поле за­висят от знака заряда Q частицы. На этом основано определение знака заряда частиц, движущихся в магнитных полях.

- отсюда выводится масса и заряд частицы

Радиационный пояс — область магнитосфер планет, в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны).

внутренний радиационный пояс на высоте ~ 4000 км

внешний радиационный пояс на высоте ~ 17 000 км

Сила Лоренца — сила, с которой электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу.

F = q·v·B·sinα

Ускорителями заряженных частиц назы­ваются устройства, в которых под дей­ствием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц.

Ускорители делятся на непрерывные (из них выходит равномерный по времени пу­чок) и импульсные (из них частицы вы­летают порциями — импульсами).

По форме траектории и меха­низму ускорения частиц ускорители делят­ся на линейные, циклические и индукци­онные.

Виды: Линейный ускоритель, Линейный резонансный ускоритель, Циклотрон, Фазотрон, Синхротрон, Синхрофазотрон, Бетатрон

25. Магнитное взаимодействие токов в вакууме. Сила Ампера. Напряженность магнитного поля.

Сила ампера: F = B*I* dl*sina

sina- угол между В и dl

Напряженность магнитного поля: H=В/µо А/м

Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот.

модуль силы, действующей на отрезок длиной Δl каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока I₁ и I₂ в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними: 

k = μ0 / 2π,

26. Закон Био-Савара-Лапласа. Расчеты магнитных полей А) бесконечно длинного проводника Б) кругового тока.

Закон Био Савара Лапласа — физический закон для определения модуля вектора магнитной индукции в любой точке магнитного поля, порождаемого постоянным электрическим током на некотором рассматриваемом участке.

Магнитное поле прямого тока :    

Магнитное поле кругового тока :   

 — Магнитная индукция

 — Вектор, по модулю равный длине dl элемента проводника и совпадающий по направлению с током

 — Магнитная постоянная

 — Относительная магнитная проницаемость (среды)

 — Сила тока

 — Расстояние от провода до точки, где мы вычисляем магнитную индукцию

 — Угол между вектором dl и r

27. Магнитные поля соленоида и тороида. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме. Циркуляция вектора магнитной индукции.

выражение для магнитной индукции поля внутри соленоида: . *µ

выражение для магнитной индукции поля внутри тороида: *µ

Закон полного тока для магнитного поля в вакууме (теорема о циркуляции вектора В): циркуляция вектора В по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной μ0 на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром:

где n — число проводников с токами, которые охватываются контуром L любой формы.

теорема о циркуляции вектора   :  циркуляция вектора магнитной индукции равна току, охваченному контуром, умноженному на магнитную постоянную.

28. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Эффект Холла. Датчики Холла.

Эффект Холла - возникновение в металле(или полупроводнике) с током плотностью j, помещенном в магнитное поле В, электрического поля в направлении, перпендикулярном B и j. холловская поперечная разность потенциалов: Δϕ=R*I*B/d d - толщина

А раз так, то с одного края электронов будет больше чем с другой. Возникает разность потенциалов, то есть напряжение. И чем больше ток и сильней поле, тем большая разность будет. Это и есть эффект Холла.

Дальше дело за малым — берем источник стабильного тока, чем стабильней тем лучше, ведь от стабильности зависит точность показаний. Прогоняем постоянный ток по пластине, ловим да усиливаем разность потенциалов до осязаемых величин. В результате получаем отличную вещь — датчик магнитного поля, он же датчик Холла.

т. е. работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток,