- •I тема.
- •1. Закон сохранения электрического заряда
- •2. Закон Кулона
- •3. Электрическое поле. Напряженность
- •4. Поток вектора е. Теорема Гаусса
- •Теорема Гаусса
- •Применение теоремы Гаусса
- •Работа в электрическом поле
- •7. Потенциал
- •Работа при перемещении электрического заряда
- •8. Циркуляция и ротор электрического поля
- •9.Связь между е и
- •10. Поле диполя
- •11. Диполь во внешнем электрическом поле
- •12. Система зарядов: поле и энергия
- •13. Проводники в электрическом поле. Равновесие зарядов на проводнике
- •14. Электростатическая индукция
- •15. Электроемкость. Конденсаторы
- •16. Энергия заряженного проводника; конденсатора
- •17. Энергия электрического поля
- •Электрическое поле в диэлектриках
- •Поляризация диэлектриков. Поле внутри диэлектрика
- •1)Поляризация диэлектриков.
- •2)Поле внутри диэлектрика.
- •20. Объемные и поверхностные связанные заряды
- •21. Теорема Гаусса для поля в диэлектриках
- •26. Закон Ома; для неоднородного участка цепи
- •27. Правила Кирхгофа
- •28. Мощность тока
- •Мгновенная электр.Мощность
- •Дифференциальные выражения для электрической мощности
- •Мощность постоянного тока
- •Мощность переменного тока.
- •Активная мощность
- •Полная мощность
- •29. Закон Джоуля-Ленца
- •30. Классическая теория проводимости металлов
- •31. Вывод закона Ома в теории электропроводимости
- •32. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме Дифференциальная форма
- •33. Затруднения классической теории проводимости металлов
- •Термоэлектрические явления
- •Термоэлектронная эмиссия
- •1. Магнитное поле. Вектор индукции магнитного поля.
- •2. Поле движущегося заряда.
- •11. Явление электромагнитной индукции.
- •Правило Ленца. Эдс индукции.
- •Методы измерения магнитной индукции.
- •Токи Фуко. Скин-эффект.
- •15. Самоиндукция и взаимоиндукция. Индуктивность контура.
- •Энергия магнитного поля.
- •Магнитное поле в веществе.
- •18. Опыты Барнета, Штерна и Герлаха.
- •19. Диамагнетики в магнитном поле.
- •20. Парамагнетики в магнитном поле.
- •21. Ферромагнетики в магнитном поле.
- •26. Вихревое электрическое поле.
- •27. Ток смещения.
31. Вывод закона Ома в теории электропроводимости
Друде считал, что сразу после очередного соударения электрона с ионом кристаллической решетки скорость упорядоченного движения электрона равна нулю. Предположим, что напряженность поля не изменяется. Тогда под действием поля электрон получит постоянное ускорение равное
и к концу пробега скорость упорядоченного движения достигнет значения
( 18.2)
где t - среднее время между двумя последовательными соударениями электрона с ионами решетки. Друде не учитывал распределение электронов по скоростям и приписывал всем электронам одинаковое значение средней скорости . В этом приближении , где - среднее значение длины свободного пробега, - скорость теплового движения электронов. Подставим это значение t в формулу (18.2)
Скорость изменяется за время пробега линейно. Поэтому ее среднее (за пробег) значение равно половине максимального
Подставив это выражение в
получим
Плотность тока оказалась пропорциональной напряженности поля. Следовательно, мы
получили закон Ома. Согласно коэффициент пропорциональности между j и Е представляет собой проводимость
(18.3)
Если бы электроны не сталкивались с ионами решетки, длина свободного пробега, а, следовательно, и проводимость были бы бесконечно велики. Таким образом, электрическое сопротивление металлов обусловлено соударениями свободных электронов с ионами.
32. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме Дифференциальная форма
Чтобы перейти к дифференциальной форме закона, проанализируем утверждение Джоуля-Ленца применительно к электронной теории.
Приращение энергии электрона ΔW за счѐт работы электрических сил поля равно разности энергий электрона в конце пробега (m/2)*(u=υmax)2и в начале пробега (mu2)/2 , то есть
Здесь u – скорость хаотического движение (векторная величина), а υmax – максимальная скорость электрического заряда в данный момент времени. Поскольку установлено, что скорость хаотического движения с одинаковой вероятностью совпадает с максимальной (по направлению и в противоположном направлении), то выражение 2*u*υmax в среднем равно нулю. Тогда полная энергия, выделяющаяся при столкновениях электронов с атомами, образующими узлы кристаллической решѐтки, составляет:
Это и есть закон Джоуля-Ленца, записанный в дифференциальной форме. Здесь γ – согласующий коэффициент, E – напряжѐнность поля.
33. Затруднения классической теории проводимости металлов
Как было показано выше, отношение Произведенные Лоренцем,
уточненные расчеты с учетом классического распределения по скоростям привели к замене в теоретической формуле множителя 3 на 2 и к резкому увеличению расхождения теории с опытом. Второе затруднение классической электронной теории возникло при сопоставлении с опытом формул для теплоемкостей. Согласно
электронной теории теплоемкость единицы объема электронного газа равна , где n - концентрация свободных электронов. Теплоемкость, отнесенная к одному
. Рассмотрим один кг - атом одновалентного металла. Он состоит
из ионов, колеблющихся около своих положений равновесия,
и свободных электронов. Колебательная теплоемкость твердого тела по закону
Дюлонга и Пти равна , теплоемкость электронного газа
Следовательно, по электронной теории теплоемкость одновалентных металлов должна
составлять . Однако опыт показывает, что теплоемкость
металлов так же, как теплоемкость твердых диэлектриков, в соответствии с законом Дюлонга и Пти близка к 3R. Таким образом, обнаружилось неожиданное и непонятное явление практического отсутствия теплоемкости у электронного газа.
Третьим затруднением классической электронной теории металлов явилась невозможность правильно объяснить с ее помощью температурную зависимость сопротивления. Опыт показывает, что сопротивление металлических проводников линейно возрастает с температурой по закону
т.е. проводимость обратно пропорциональна абсолютной температуре в первой степени:
Согласно классической теории, проводимость обратно пропорциональна . Наконец, возникли трудности при оценке средней длины свободного пробега электронов в металле. Для того чтобы, пользуясь формулой (18.3), получить такие значения удельной электрической проводимости металла, которые не расходились бы с опытными, приходится принимать среднюю длину свободного пробега электронов в сотни раз большей, чем период решетки металла. Иными словами, приходится предположить, что электрон проходит без соударений с ионами решетки сотни межузельных расстояний. Такое предположение непонятно в рамках классической электронной теории Друде -Лоренца.
Приведенные выше противоречия указывают на то, что классическая электронная теория, представляя электрон как материальную точку, подчиняющуюся законам классической механики, не учитывала некоторых специфических свойств самого электрона, которые еще не были известны к началу XX века. Эти свойства были установлены позднее при изучении строения атома, и в 1924 г. была создана новая, так называемая квантовая или волновая механика движения электронов.