20. Свойства диэлектриков в электростатическом поле.
Внутри диэлектрика может существовать электрическое поле!
Электрические свойства нейтральных атомов и молекул:
Нейтральный атом -положительный заряд ( ядро) сосредоточен в центре;
- отрицательный заряд - электронная оболочка;
считается, что из-за большой скорости движения электронов по орбитам центр распределения отрицательного заряда совпадает с центром атома.
Молекула - чаще всего - это система ионов с зарядами противоположных знаков ,
т.к. внешние электроны слабо связаны с ядрами и могут переходить к другим атомам.
Электрический диполь - молекула, в целом нейтральная , но центры распределения
противоположных по знаку зарядов разнесены; рассматривается, как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку,
находящихся внутри молекулы на некотором расстоянии друг от друга.
Существуют 2 вида диэлектриков ( различаются строением молекул) :
1) полярные - молекулы, у которых центры положительного и отрицательного зарядов
не совпадают ( спирты, вода и др.);
2) неполярные - атомы и молекулы, у которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен и др.).
21. Условия существования электрического тока. Законы Ома, Кирхгофа, Джоуля-Ленца.
Условия существования электрического тока
Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:
-наличие в среде свободных электрических зарядов
-создание в среде электрического поля.
В разных средах носителями электрического тока являются разные заряженные частицы.
Электрическое поле в среде необходимо для создания направленного движения свободных зарядов. Как известно, на заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = q* E, которая и заставляет свободные заряды двигаться в направлении электрического поля. Признаком существования в проводнике электрического поля является наличие не равной нулю разности потенциалов между любыми двумя точками проводника,
Однако, электрические силы не могут длительное время поддерживать электрический ток. Направленное движение электрических зарядов через некоторое время приводит к выравниванию потенциалов на концах проводника и, следовательно, к исчезновению в нем электрического поля.
Для поддержания тока в электрической цепи на заряды кроме кулоновских сил должны действовать силы неэлектрической природы (сторонние силы).
Устройство, создающее сторонние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию, называется источником тока.
Для существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо включение в нее источника тока.
Основные характеристики:
Сила тока — I, единица измерения — 1 А (Ампер).
Плотность тока — j, единица измерения — 1 А/м2.
Электродвижущая сила источника тока — э.д.с. ( ε ), единица измерения — 1 В (Вольт). Э.д.с.- физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по электрической цепи единичного положительного заряда:
Сопротивление проводника — R, единица измерения — 1 Ом.
Напряжение — U , единица измерения — 1 В.
Законы Ома
Для участка цепи:
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению:
I = U / R; [A = В / Ом]
Ом установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.
R = ρl / S,
где ρ - удельное сопротивление, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.
Закон Ома для электрической цепи. Согласно этому закону сила тока I в электрической цепи равна э. д. с. Е источника, поделенной на сопротивление цепи Rц, т. е.
I = E / Rц (7)
Полное сопротивление замкнутой электрической цепи (рис. 13) можно представить в виде суммы сопротивления внешней цепи R (например, какого-либо приемника электрической энергии) и внутреннего сопротивления Ro источника. Поэтому сила тока
I = E / (R+Ro) (8)
Чем больше э. д. с. Е источника и чем меньше сопротивление электрической цепи, тем больший ток проходит по этой цепи.
Из формулы (7) следует, что э. д. с. источника электрической энергии равна произведению силы тока на полное сопротивление электрической цепи:
E = IRц (7)
Правила Кирхгофа сформулированы немецким физиком Густавом Робертом Кирхгофом.
Первое правило Кирхгофа алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.
Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда, согласно которому ни в одной точке проводника не должны накапливаться или исчезать заряды.
Первое правило Кирхгофа можно сформулировать и так: количество зарядов, приходящих в данную точку проводника за некоторое время, равно количеству зарядов, уходящих из данной точки за то же время.
Второе правило Кирхгофа является обобщением закона Ома. Второе правило Кирхгофа - в любом замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме произведений токов на сопротивления соответствующих участков этого контура:
Правила Кирхгофа позволяют определить силу и направление тока в любой части разветвленной цепи, если известны сопротивления ее участков и включенные в них ЭДС.
Закон Джоуля-ленца
Переход электрической энергии в тепловую отражает закон Ленца — Джоуля
или закон теплового действия тока.
Русский ученый Ленц и английский физик Джоуль одновременно и независимо один от другого установили, что
при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику.
Это положение называется законом Ленца - Джоуля.
Если обозначить количество теплоты, создаваемое током, буквой Q (Дж), ток, протекающий по проводнику - I, сопротивление проводника - R и время, в течение которого ток протекал по проводнику - t, то закону Ленца - Джоуля можно придать следующее выражение:
Q = I2Rt.
Таккак I = U/R и R = U/I, то Q = (U2/R) t = UIt.
22. Сопротивление проводников, причины его изменения.
Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.
Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.
Сопротивление обозначается латинскими буквами Rили r.
За единицу электрического сопротивления принят ом.
Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток.
Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/R,обозначается проводимость латинской буквой g.
23. Электрический ток в жидкостях. Методы повышения проводимости жидкости.
Жидкости по степени электропроводности делятся на:
диэлектрики (дистиллированная вода),
проводники (электролиты),
полупроводники (расплавленный селен).
Электрический ток в жидкостях обусловлен движением положительных и отрицательных ионов. В отличии от тока в проводниках где движутся электроны. Таким образом, если в жидкости нет ионов, то она является диэлектриком, например дистиллированная вода. Поскольку носителями заряда являются ионы, то есть молекулы и атомы вещества, то при прохождении через такую жидкость электрического тока неизбежно приведет к изменению химических свойств вещества.
Электрическая проводимость жидкости существенным образом зависит от температуры. Для водных растворов электролитов повышение температуры на 1 С приводит к возрастанию электрической проводимости на 1 - 25 %;
Проводимость воды существенно зависит от находящихся в ней примесей. Например, проводимость морской воды определяется преимущественно наличием в ней солей хлористого натрия.
24. Электрический ток в газах при различных напряжённостях электрического поля
Электрический ток в газах
1. Газы в обычных условиях—диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор: а) в линиях электропередач; б) между обкладками воздушных конденсаторов; в) в контактах выключателей.
2. При определенных условиях газы — проводники: молния, электрическая искра, дуга при сварке. Процесс протекания тока через газ называется газовым разрядом. Свободные заряды (ионы обоих знаков и электроны) возникают в газах только в процессе ионизации.
Ионизация газов Ионизацию вызывают:
1. Высокая температура.
2. Ультрафиолетовые лучи.
3. Рентгеновские лучи, g - лучи и т. п.
Ионизация осуществляется при условии: еЕl ³ W ионизации, где l — длина свободного пробега заряженных частиц.
Рекомбинация. Вследствие рекомбинации для поддержания длительного тока необходима постоянная ионизация.
Несамостоятельный и самостоятельный разряды
1. Несамостоятельный разряд происходит под действием внешнего ионизатора.
2. Самостоятельный разряд - разряд, происходящий без действия внешнего ионизатора (электронным ударом). Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, наз. напряжением пробоя (потенциал ионизации).
График:
ОА — только часть заряженных частиц доходит до электродов, часть рекомбинирует;
АВ—ток почти не увеличивается (ток насыщения);
ВС — самостоятельный разряд.
25. Электрический ток в вакууме. Методы регулирования.
Вакуум– состояние газа при давлении, меньшем атмосферного. Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу. Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул и размером сосуда, между электродами прибора и т.д.
Для существования электрического тока в вакууме нужно искусственно ввести в это пространство свободные электроны (с помощью эмиссионных явлений).
1.Термоэлектронная эмиссия Процесс испускания электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией. Интенсивность термоэлектронной эмиссии зависит от площади катода, температуры нагрева металла и свойств вещества. Если кинетическая энергия электронов больше энергии связи, то происходит термоэлектронная эмиссия.
2. Фотоэлектронная эмиссия (фотоэлектрический эффект, фотоэффект). Процесс испускания электронов металлами под воздействием света. Открыт Г. Герцем, исследован А. Г. Столетовым. Объяснен А. Эйнштейном.
3. Автоэлектронная эмиссия. Процесс испускания электронов под воздействием электрического поля.
Изобретен Т. А. Эдисоном.
Баллон — стекло или керамика, Вакуум: 10-6 -10-7 мм рт. ст. Катод — нить накала.
Анод — круглый или овальный цилиндр.
Катод: в виде вертикального металлического цилиндра, покрытого слоем оксидов щелочноземельных металлов.
(Позволяет увеличить долговечность катода.У таких катодов ток насыщения практически недостижим.)
Вольтамперные характеристики диода
С увеличением напряжения все большее количество электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы достичь анода; ток возрастает. При некотором значении напряжения все электроны достигают анода. Ток перестает возрастать - ток насыщения. Для увеличения тока насыщения необходимо увеличить количество электронов (увеличить температуру катода). В приборах с косвенным накалом ток насыщения практически не достигается.